分布式帶電粒子催化人工降雨雪遠(yuǎn)程綜合控制系統(tǒng)

楊 洲 吳其其 張 明 鄭 瑋 王昱星 艾鑫坤

1(華中科技大學(xué)中歐清潔可再生能源學(xué)院 湖北 武漢 430074) 2(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院磁約束聚變與等離子體國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢 430074)

0 引 言

水資源是一個(gè)國家生產(chǎn)生活的最重要的資源之一，我國有著豐富的大氣水資源，但多年氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，只有16%～18%的水汽能形成自然降水降落地面，大氣水資源利用率嚴(yán)重不足，所以通過人工降水的手段來利用大氣水資源是非常必要的[1-4]。目前國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展出系統(tǒng)的人工影響天氣科學(xué)技術(shù)[5-6]，然而傳統(tǒng)的通過向云中播撒碘化銀等催化劑催化降雨的技術(shù)存在一些限制和不足，因此各國都在積極開展新型人工降雨技術(shù)的研究，帶電粒子催化人工降雨技術(shù)就是新型人工降雨技術(shù)的一種[4,7-9]。該技術(shù)使用電效應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子，將帶電粒子播撒到空氣中，使空氣中部分氣溶膠帶電。這些帶電氣溶膠粒子的靜電場對其他中性水分子簇存在極化效應(yīng)，產(chǎn)生帶電氣溶膠粒子對被極化的水分子簇團(tuán)有非接觸的電場凝聚力，促使其凝結(jié)速率增加，促進(jìn)降雨的形成。目前這種技術(shù)已經(jīng)在云室中實(shí)現(xiàn)了較好的可控催化降雨雪的效果。為了驗(yàn)證這種技術(shù)在實(shí)際自然環(huán)境中催化降雨雪的效果，仍需要開展一系列的外場實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是控制高壓電源為架設(shè)在降雨實(shí)驗(yàn)基站的電極提供電壓，進(jìn)而產(chǎn)生帶電粒子進(jìn)入空氣中促進(jìn)降雨。實(shí)驗(yàn)基站中包含多套電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其他輔助設(shè)備。本文針對帶電粒子催化人工降雨雪外場實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及基站受控設(shè)備的具體內(nèi)容設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)綜合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了對實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)設(shè)備的控制和現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集功能，可以極大地提高外場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的效率。該系統(tǒng)的主要功能如下。

(1) 控制帶電粒子降雨雪外場實(shí)驗(yàn)中所使用的多臺高壓電源，實(shí)驗(yàn)使用高壓電源為電極片提供電壓以產(chǎn)生帶電粒子，實(shí)驗(yàn)中需要根據(jù)外界環(huán)境調(diào)節(jié)電源的電壓等參數(shù)，同時(shí)也需要觀測記錄電源在實(shí)驗(yàn)過程中的各個(gè)參數(shù)。

(2) 實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)應(yīng)用示范區(qū)內(nèi)氣象設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，多臺雨量計(jì)、溫濕度傳感器等設(shè)備需要被設(shè)置在實(shí)驗(yàn)場地周圍用以測量實(shí)驗(yàn)中環(huán)境氣象參數(shù)的變化。

(3) 為了保證遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)時(shí)對實(shí)驗(yàn)場地的實(shí)時(shí)觀測，系統(tǒng)中包含了多個(gè)視頻監(jiān)控設(shè)備，這些監(jiān)控設(shè)備的調(diào)節(jié)由控制系統(tǒng)完成。除此之外，為了保持設(shè)備正常運(yùn)行所需的環(huán)境條件，實(shí)驗(yàn)場地還有一些其他輔助設(shè)備，如空調(diào)、除濕機(jī)等，這些也需要有控制系統(tǒng)保證其正常運(yùn)行與調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)針對人工催化帶電粒子降雨雪的外場實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)中所需要控制的設(shè)備以及功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)。

(1) 分布式結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初考慮到外場實(shí)驗(yàn)存在的多個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)人員操作場景的變化，將系統(tǒng)拆分部署，每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)都可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)人員在只需要一個(gè)客戶端就能控制每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)備，同時(shí)實(shí)驗(yàn)人員不受地點(diǎn)的限制，可以在能接入互聯(lián)網(wǎng)的任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

(2) 兼容的設(shè)備接入接口：針對不同的物理量的測量裝置使用不同的接口以及不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，對各個(gè)測量裝置進(jìn)行了抽象，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的讀取測量裝置數(shù)據(jù)的API和統(tǒng)一的測量裝置配置方法。新增設(shè)備只需要修改配置文件，即可進(jìn)行添加和統(tǒng)一管理。

(3) 雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：為了保證遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)過程中網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，該系統(tǒng)使用了4G網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)的雙線接入，保證在一條線路故障時(shí)不會影響遠(yuǎn)程控制，同時(shí)4G網(wǎng)絡(luò)也保證了在無寬帶覆蓋地區(qū)遠(yuǎn)程連接的可用性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)帶電粒子催化人工降雨雪的外場實(shí)驗(yàn)所需的各種設(shè)備，設(shè)計(jì)集成控制系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中包含了必要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制系統(tǒng)主機(jī)、PLC控制器、高壓電源、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和其他輔助設(shè)備如視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

圖1 帶電粒子催化人工降雨雪遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 遠(yuǎn)程系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)可以直接在控制系統(tǒng)主機(jī)上操作，也能使用終端主機(jī)通過以太網(wǎng)連接控制系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，遠(yuǎn)程連接軟件支持多種操作系統(tǒng)，如Windows、Android等系統(tǒng)，這讓實(shí)驗(yàn)開展不受環(huán)境的限制。因?yàn)橥鈭鰧?shí)驗(yàn)部分選址是在沒有有線寬帶覆蓋的山區(qū)，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用了4G和寬帶雙線接入的路由器，在有寬帶地區(qū)這一設(shè)計(jì)可以使得網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性得到保障，而即使在沒有寬帶覆蓋地區(qū)，也可以通過使用4G網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行通信。在控制系統(tǒng)內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)完全的無人值守，還增加了遠(yuǎn)程開機(jī)的硬件設(shè)備。該遠(yuǎn)程開機(jī)設(shè)備和控制系統(tǒng)主機(jī)接入同一個(gè)局域網(wǎng)，在接收到遠(yuǎn)程終端發(fā)來的開機(jī)指令之后向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送特殊格式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，目標(biāo)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)包之后會自動開機(jī)。同時(shí)控制系統(tǒng)主機(jī)上的遠(yuǎn)程控制服務(wù)軟件隨主機(jī)開機(jī)自啟動。這樣在設(shè)備關(guān)機(jī)或者意外掉電之后也可以通過遠(yuǎn)程啟動，對交通不便的外場實(shí)驗(yàn)點(diǎn)來說具有重要意義。

1.2 控制系統(tǒng)主機(jī)和外接設(shè)備

控制系統(tǒng)主機(jī)用于連接各種硬件設(shè)備和運(yùn)行控制軟件。圖2為該控制系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的連接示意圖，因?yàn)楦鞣N設(shè)備的硬件接口不同，所以設(shè)備連接到控制系統(tǒng)主機(jī)的方式也不盡相同。

圖2 控制系統(tǒng)各設(shè)備連接示意圖

高壓電源是實(shí)驗(yàn)中最重要的設(shè)備之一，它們的功能是提供最高100 kV的直流電壓用來電離空氣，產(chǎn)生帶電粒子。高壓電源提供遠(yuǎn)程操作模式，允許通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程連接至高壓電源，使用客戶端軟件設(shè)定電源參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，主要有兩種規(guī)格的高壓電源，一種在面板上提供RJ45接口的遠(yuǎn)程端口，這種電源通過局域網(wǎng)遠(yuǎn)程操作，在連接時(shí)需要在電源和控制主機(jī)上配置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，另一種電源提供通過串口連接的遠(yuǎn)程端口，可以連接至主機(jī)，這種電源不需要配置連接參數(shù)即可使用。兩種連接方式在圖2中可以看到，基于網(wǎng)絡(luò)連接的高壓電源，通過交換機(jī)和控制系統(tǒng)主機(jī)接入同一個(gè)局域網(wǎng)，另一種直接通過串口線連接到主機(jī)。高壓電源的供電由PLC控制器控制，使用PLC控制配電柜中的各種開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中各種設(shè)備供電的復(fù)雜需求。

雨量計(jì)和溫濕度傳感器等環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備，需要布置在實(shí)驗(yàn)場地的不同地方，為了更靈活地部署，使用了ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備的無線組網(wǎng)通信。ZigBee是一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟制定的一種基于IEEE802.15.4技術(shù)的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)自組織等特點(diǎn)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)自動采集等方面[10-11]。ZigBee有多種組網(wǎng)方式，針對本系統(tǒng)中多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備單個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的情況，設(shè)計(jì)時(shí)采用了星形拓?fù)湫问剑刂葡到y(tǒng)主機(jī)作為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備作為一系列的終端節(jié)點(diǎn)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單高效。

此外，針對實(shí)驗(yàn)場地可能存在的高濕度和極端氣溫等情況，在系統(tǒng)中還引入了空調(diào)、除濕機(jī)等輔助設(shè)備來保障系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在這個(gè)控制系統(tǒng)中，軟件部分基于CFET(Control system Framework for Experimental Devices Toolkit)控制框架實(shí)現(xiàn)[12]。在CFET中最基本的概念是Thing，是對各種可控制設(shè)備的抽象。Thing具有一些屬性如圖3所示，其中：Status提供這個(gè)被控設(shè)備的狀態(tài)，是一個(gè)可讀的屬性；Config是這個(gè)Thing的配置屬性，可以被修改；而Method提供了對一個(gè)Thing的操作方法。通過這些屬性就能訪問到一個(gè)Thing。

圖3 CFET Thing的屬性

在該框架中，每個(gè)被控設(shè)備都是一個(gè)具體的Thing，由CFET Host管理。圖4為CFET的結(jié)構(gòu)示意圖，CFET Hub中的Thing都有一個(gè)統(tǒng)一資源標(biāo)志符(Uniform Resource Identifier，URI)，是表示一個(gè)Thing的唯一地址。當(dāng)一個(gè)Thing被添加到Hub中之后，可以通過這個(gè)Thing的URI對該資源進(jìn)行操作，也就是對前述一個(gè)Thing各個(gè)屬性執(zhí)行Get、Set或者Invoke操作。

圖4 CFET結(jié)構(gòu)示意圖

對于本控制系統(tǒng)來說，就是在控制系統(tǒng)主機(jī)上部署一個(gè)CFET Host，而對于所要控制的設(shè)備來說，將設(shè)備添加到控制系統(tǒng)中實(shí)際就是將這個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)為一個(gè)CFET Thing，然后添加到CFET Hub中，在這之后這個(gè)設(shè)備就可以通過通信模塊中提供的Server服務(wù)使用web控制，其他擁有該設(shè)備URI的Thing也可以操作這個(gè)設(shè)備，這使得設(shè)備之間想要相互操作也很容易實(shí)現(xiàn)。

在前述的介紹中可以看到，整個(gè)控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容就是將各種被控設(shè)備實(shí)現(xiàn)為CFET Thing，然后添加到控制系統(tǒng)中。

2.1 高壓電源控制系統(tǒng)集成

系統(tǒng)中存在多種類型的高壓電源，但是不同類型電源的軟件接口是不同的。因此，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)需要多種類型的電源一起工作時(shí)，必須在控制系統(tǒng)中抽象出統(tǒng)一的接口以集成對高壓電源的控制。這樣，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種電源的組合控制。

高壓電源的Thing設(shè)計(jì)如圖5所示，首先從配置文件中讀取各個(gè)電源的配置，如電源遠(yuǎn)程連接的串口地址或者IP地址等。然后連接到高壓電源，之后就可以通過CFET Host調(diào)用這個(gè)Thing的Method如設(shè)置電源參數(shù)、控制電源開關(guān)等操作多臺電源。

圖5 高壓電源Thing設(shè)計(jì)

在電源控制中，設(shè)計(jì)了多種電源操作模式，如定時(shí)開關(guān)電源的輸出、設(shè)置不同波形的輸出、按一定速率逐漸提升電壓等，另外也可以配置多臺電源組合使用時(shí)的開關(guān)先后順序。在這期間，實(shí)時(shí)更新電源的電壓電流等信息到Status，這樣可以通過web實(shí)時(shí)顯示電源的狀態(tài)，也可以用于保存電源在實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的軟件實(shí)現(xiàn)

因?yàn)橛炅坑?jì)、溫度計(jì)等傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方式較為低級且格式不同，直接在控制系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)與各種傳感器的通信違背了低耦合的原則，同時(shí)直接接入控制系統(tǒng)會讓擴(kuò)展和維護(hù)變得更復(fù)雜。因此這里采用了一個(gè)Host來管理這些傳感器，然后Host通過內(nèi)部的通信模塊和控制系統(tǒng)通信。在控制系統(tǒng)主機(jī)端，與采集設(shè)備通信的模塊被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)Thing，通過該Thing與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行交互。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備結(jié)構(gòu)和連接如圖6所示，各個(gè)傳感器直接連接在Host上，Host上實(shí)現(xiàn)了各種傳感器的驅(qū)動并對上層控制系統(tǒng)隱藏這些傳感器的區(qū)別，控制系統(tǒng)只要通過通道地址就能訪問到不同傳感器的數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)采集設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

Host硬件部分基于ATmega2560實(shí)現(xiàn)，Host在啟動的時(shí)候讀取相應(yīng)配置文件，獲得各個(gè)傳感器的配置信息，然后初始化這些傳感器。待初始化完成之后開始數(shù)據(jù)采集工作。在收到控制系統(tǒng)的指令后，執(zhí)行相應(yīng)指令并將執(zhí)行結(jié)果封裝后返回給控制系統(tǒng)。

2.3 基于web的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

截至目前，已完成基于web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的部署工作。圖7為該監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)界面。

圖7 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)界面

通過該系統(tǒng)，我們可對實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)內(nèi)各實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)降雨基站的遠(yuǎn)程無人值守。同時(shí)，系統(tǒng)可完成對實(shí)驗(yàn)應(yīng)用示范區(qū)內(nèi)各氣象監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)在線觀測和歷史數(shù)據(jù)查詢。此外，系統(tǒng)還引入了實(shí)驗(yàn)頻道來記錄人為觀測和人為增雨的情況。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的遠(yuǎn)程綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對帶電粒子催化人工降雨雪外場實(shí)驗(yàn)中的各種設(shè)備的綜合控制及環(huán)境氣象數(shù)據(jù)采集功能，使實(shí)驗(yàn)人員可以通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大提升工作效率。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了各種應(yīng)用場景，對系統(tǒng)進(jìn)行了充分優(yōu)化，采用分布式設(shè)計(jì)保證了外場實(shí)驗(yàn)點(diǎn)擴(kuò)展簡易性。該系統(tǒng)已經(jīng)在甘肅烏鞘嶺實(shí)驗(yàn)基站和寧夏回族自治區(qū)六盤山實(shí)驗(yàn)基站部署測試并投入使用。通過本系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了遠(yuǎn)程操作開展實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，完全實(shí)現(xiàn)了帶電粒子催化人工降雨雪外場實(shí)驗(yàn)對控制系統(tǒng)的各項(xiàng)需求。