征信管理局哪年成立 征信机构信息安全规范.docx
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征信管理局哪年成立征信机构信息安全规范
归一化加权平均算法在温度采集系统中的应用
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中国科技论文在线
归一化加权平均算法在温度采集系统中的
应用
范德辉，李晓林**
作者简介：
范德辉，（1985-），男，研究生，主要研究方向：
智能仪表。
通信联系人：
李晓林，（1956-），女，副教授，主要研究方向：
智能仪表、集散控制系统及应用
（太原理工大学信息工程学院，太原030024）5
摘要：
根据大棚温室环境空间大以及其温度分布受多种因素影响等特点，设计了一种基于多
传感器信息融合技术的温度采集系统。
该温度采集系统采用AVR单片机、Cu50热电阻搭建
硬件平台，用嵌入式C语言编写程序。
在此基础上，运用莱以特准则法消除疏失误差，并采
用归一化的加权平均值融合算法对8个通道检测到的温度信号进行数据处理，得到了采集温
度准确的估计值。
通过测试结果表明，运用这种方法实时性好，可以提高系统的鲁棒性与精10
度，适合平稳过程的测量估计。
关键词：
温度采集；多传感器；莱以特准则法；归一化的加权平均
中图分类号：
TP212
ApplicationofNormalizedWeightedAverageAlgorithmin15
TemperatureAcquisitionSystem
FANDehui,LIXiaolin
（InformationEngineeringCollege,TaiyuanUniversityofTechnology,TaiYuan030024）
Abstract:
Thetemperaturedistributioninlargegreenhouseenvironmentisaffectedbymany
factors.Atemperatureacquisitionsystemisdesignedbasedonmulti-sensorinformationfusion20
technology.ThesystemadoptsAVRmicro-controllerandCu50thermistortobuildhardware
platform,andembeddedClanguagetocompileprogram.Onthisbasis,Lettscriterionis
introducedtoeliminatenegligenterror,andnormalizedweightedaveragefusionalgorithmisused
toprocesstemperaturedatadetectedfromeightchannelsinordertoobtainaccurateestimated
valueofacquisitiontemperature.Thetestingresultsshowthatthemethodpossessesgood25
real-timeperformanceandcanimprovesystemrobustnessandprecision.Therefore,itisfitfor
measuringestimationofsmoothcourse.
Keywords:
Temperatureacquisition;Multi-sensor;Lettscriterion;Normalizedweightedaverage
0引言30
温室中的温度采集系统是其自动控制系统重要的组成部分，它对于提高控制系统的准确
度、节约能源、提高温室的产量与质量并最终提高温室的社会效益与经济效益起着重要的作
用。
然而由于温室的原始特性，其温度分布是不均匀的，受到的影响因素也较多。
所以，需
要进行多点测量温度值进行数据的融合来准确判断温室的温度。
以往的办法基本上都是选取
温室内的温度均值来进行判断。
从而使得当某种原因使得一些传感器出错或受到一些干扰35
时，导致系统的采集数据误差变得很大[1]。
这里提出的温室温度测量办法是在多传感器数据测量的基础上，采用信息融合的技术以
改善数据采集系统的性能，从而达到正确测量温度的目的。
1数据采集系统介绍
温度采集系统原理图，如图1所示。
由于8路信号调理电路完全一样，所以画了其中的40
一路信号调理电路原理图，如图2所示。
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图1系统原理图
考虑到温室面积大，并且温度分不均匀，因此一般在温室中放置多个温度传感器。
系统45
以Atmel公司的单片机ATmega16为核心，该单片机是AVR单片机中的高档ATmega系列，
具有增强型RISC内核的Flash存储器单片机，具有高速处理能力，低功耗，每MHz可实现
1MIPS的处理能力。
AVR系列单片机广泛用于工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用
电器、宇宙设备等个个领域。
该单片机还具有一个特点，那就是它本身自带有512字节的
EEPROM,擦写寿命为100,000次，这样我们可以不使用外部的EEPROM来存储一些需要掉50
电保护的数据（比如报警的上下限值）；同时该单片机还有一个10位的逐次比较型ADC,
它与一个8通道的模拟复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。
这样
我们又可以集省了一个ADC和模拟多路开关，从而集省了成本，由于温度传感器采用8个
Cu50（阻值54欧姆）的热电阻同时采集8路温度参数，信号调理电路使用不平衡电桥来测
量来自传感器的微弱信号，并且使用精密的带隙电压源作为基准电压，并且使用了精密仪表55
放大器AD623将信号变为合适的单端模拟电平输入到单片机的8个ADC端口[2]。
另外，此单片机还具有一个独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及片内模拟比较
器，使用看门狗组成复位电路，并且使用模拟电压比较器进行电源电压的监控可以提高系统
的可靠性。
本数据采集系统还采用MAX232芯片与PC机进行通信，同时还设计了四个按键
和一个1602液晶显示器来对系统进行参数的设定[2]。
60
R
EF
3
A
2
K
1
U5
TL431
R25
50（JM）
R26
50（JM）
R28
50?
?
（JM）
12
J3
Cu50
VCC2.5A
Rg1
IN-2
IN+3
-Vs4REF5
OUT6
+Vs7
Rg8
U6
AD623
R4
1K
R5
1K
C12
104
C14
104
R27
2.5K（JM）
+C22
0.33u
C16
104
VCC-5A
R24
0.1K
VCC-5A
R6
1KC17
104
C15
104
AD1
图2信号调理电路原理图
2疏失数据的消除
假设该系统所采用的8个温度传感器精度相同且测量结果具有正态分布特性。
在进行疏65
失误差处理时，比较了格罗贝斯准则、分布图和莱以特准则等几种方法，最后根据该采集系
统的特点和实际需求，决定采用莱以特准则法消除粗大误差[2][3][4]。
在莱以特准则中能够反映数据分布结构的参数主要有：
残差iV和标准偏差估计σ其定义
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和用法如下：
⑴假设对某一被测对象进行多次独立测量得到一列测列：
1X、2X、……、NX，iX为该70
列中的任一测量值。
⑵定义残差为：
iiVXX=?
?
，
（1）[3]
⑶标准偏差估计为：
21
1
1
i
n
Vn
i
σ?
?
==∑
（贝塞尔公式）
（2）[3]
设测量误差服从正态分布，若数据iV满足下式，则认为iX含有粗大误差，应剔除
max
V3iXσ>（3）[3]75
3归一化加权平均算法
如果系统的测量结果次数有限时,一般的测量平均值法只是简单地将数据进行平均,在
一些误差处理的方法上只是将误差平均化,从而使得测量得到的数据精度不高。
归一化的加
权平均值算法在处理数据时利用计算数据的加权值来实现数据融合中误差的引入,该算法相
比经典的数据融合方法计算量降低,与普通的算法相比,提高了测量精度。
其中加权值计算方80
法的灵活性能够满足不同应用背景的要求。
该方法具有计算量小、计算机编程容易等优点,适用于缓变量检测系统。
这与温室温度
采集系统特点相匹配,因此本系统采用了归一化的加权平均值算法[4][5]。
该方法具体介绍如
下。
假设加权值为ai，i∈[1,Ν]。
对置于温室中的典型位置的8个温度传感器得到的测量列,85
首先得出一致性测量数据,然后按照归一化算法估计出接近温度真实值的融合值,从而得到温
度的准确测量结果X+,消除测量过程中的不确定性[4][5]。
⑴由一致性数组Xi,i∈[1,Ν]可以得到测量数据的平均值：
[]1,
1
i
iN
XX
N∈
=∑。
（4）
⑵计算每一测量值Xi相对于均值X的偏差量iXΔ：
iXΔ=Xi-X，i∈[1,Ν]（5）90
⑶将偏差量iXΔ代入权值函数f（X）,作归一化处理得到iaΔ，i∈[1,Ν]：
（）iifXa=ΔΔ（6）
⑷由归一化偏差量得到加权值ia，i∈[1,Ν]
[1,]iN
aiiai
a
∈
Δ
Δ=∑（7）
⑸由加权值得到最终的平均值X+即95
X
+=*
[1,]
i
iN
iXa∈∑（8）
其中：
（）ifXΔ可以根据不同的应用来选择。
4融合结果分析
温室控制系统中采集的两组数据，如表l所示。
其中（）ifXΔ=（1/（π*iXΔ））*arctan（1/iXΔ）
是根据经验所得。
100
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表1多传感器测量结果（单位：
℃）
传感器12345678（）8XX+
120.820.619.920.019.519.719.820.120.0520.01测
量
值220.018.811.018.518.818.218.518.017.7318.66
第一次测量后,得到8个传感器的平均值为20.05℃。
用归一化的加权平均值算法进行105
处理:
首先,剔除疏失误差值,通过计算可知8个测量数据均为一致性测量数据,采用前文
所述方法,可得T+=20.01℃。
在第二组测量数据中,由于3号传感器发生故障,其数据远远
偏离其它数据,采用算术平均值的结果为:
T（8）=17.73℃。
利用莱以特准则可得3号传感器
所测数据的误差为疏忽误差,剔除此疏忽误差值后,余下的7个测量数据进行数据融合。
得
T+=18.66℃。
从仿真结果可以看出,采用归一化的加权平均值算法可以提高温度采集的精度,110
同时有效消除了由于传感器失效引起的误差[1]。
5结论
本文作者的创新点在于将莱以特准则和归一化的加权平均值算法引入了温室温度的多
传感器采集系统。
采用本文所述的多传感器数据采集方案和数据融合方法,能够在硬件及其
它条件不变的情况下,使系统的检测精度得到提高,特别是当系统中的某些传感器失效时,115
系统可以依据其他非失效传感器提供的信息,通过数据融合获知被测温室的准确温度,从而
提高系统的检测精度,为温室控制系统提供准确的判据。
[参考文献]（References）
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120
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