分布式帶電粒子催化人工降雨雪遠程綜合控制系統

楊 洲 吳其其 張 明 鄭 瑋 王昱星 艾鑫坤

1(華中科技大學中歐清潔可再生能源學院 湖北 武漢 430074) 2(華中科技大學電氣與電子工程學院磁約束聚變與等離子體國際合作聯合實驗室 湖北 武漢 430074)

0 引 言

水資源是一個國家生產生活的最重要的資源之一，我國有著豐富的大氣水資源，但多年氣象統計數據表明，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]。目前國內外已經發展出系統的人工影響天氣科學技術[5-6]，然而傳統的通過向云中播撒碘化銀等催化劑催化降雨的技術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的研究，帶電粒子催化人工降雨技術就是新型人工降雨技術的一種[4,7-9]。該技術使用電效應產生帶電粒子，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，產生帶電氣溶膠粒子對被極化的水分子簇團有非接觸的電場凝聚力，促使其凝結速率增加，促進降雨的形成。目前這種技術已經在云室中實現了較好的可控催化降雨雪的效果。為了驗證這種技術在實際自然環境中催化降雨雪的效果，仍需要開展一系列的外場實驗。實驗的主要內容是控制高壓電源為架設在降雨實驗基站的電極提供電壓，進而產生帶電粒子進入空氣中促進降雨。實驗基站中包含多套電源系統、數據采集設備及其他輔助設備。本文針對帶電粒子催化人工降雨雪外場實驗特點及基站受控設備的具體內容設計并實現了一個綜合控制系統，該系統集成了對實驗中的各個設備的控制和現場環境的監控以及實驗數據的采集功能，可以極大地提高外場實驗進行的效率。該系統的主要功能如下。

(1) 控制帶電粒子降雨雪外場實驗中所使用的多臺高壓電源，實驗使用高壓電源為電極片提供電壓以產生帶電粒子，實驗中需要根據外界環境調節電源的電壓等參數，同時也需要觀測記錄電源在實驗過程中的各個參數。

(2) 實時獲取實驗應用示范區內氣象設備的采集數據，多臺雨量計、溫濕度傳感器等設備需要被設置在實驗場地周圍用以測量實驗中環境氣象參數的變化。

(3) 為了保證遠程實驗時對實驗場地的實時觀測，系統中包含了多個視頻監控設備，這些監控設備的調節由控制系統完成。除此之外，為了保持設備正常運行所需的環境條件，實驗場地還有一些其他輔助設備，如空調、除濕機等，這些也需要有控制系統保證其正常運行與調節。

該系統針對人工催化帶電粒子降雨雪的外場實驗特點和實驗中所需要控制的設備以及功能進行設計，具有以下特點。

(1) 分布式結構：系統在設計之初考慮到外場實驗存在的多個實驗點以及實驗人員操作場景的變化，將系統拆分部署，每個實驗點都可以作為一個獨立的系統，實驗人員在只需要一個客戶端就能控制每個實驗點的設備，同時實驗人員不受地點的限制，可以在能接入互聯網的任何地點遠程控制實驗設備。

(2) 兼容的設備接入接口：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據傳輸協議，對各個測量裝置進行了抽象，設計了統一的讀取測量裝置數據的API和統一的測量裝置配置方法。新增設備只需要修改配置文件，即可進行添加和統一管理。

(3) 雙網絡設計：為了保證遠程實驗過程中網絡的穩定，該系統使用了4G網絡和寬帶網絡的雙線接入，保證在一條線路故障時不會影響遠程控制，同時4G網絡也保證了在無寬帶覆蓋地區遠程連接的可用性。

1 系統總體結構

根據帶電粒子催化人工降雨雪的外場實驗所需的各種設備，設計集成控制系統，圖1為系統的硬件結構。系統中包含了必要的網絡設備、控制系統主機、PLC控制器、高壓電源、數據采集設備和其他輔助設備如視頻監控系統等。

圖1 帶電粒子催化人工降雨雪遠程監控系統硬件結構

1.1 遠程系統

該控制系統可以直接在控制系統主機上操作，也能使用終端主機通過以太網連接控制系統主機進行遠程操作，遠程連接軟件支持多種操作系統，如Windows、Android等系統，這讓實驗開展不受環境的限制。因為外場實驗部分選址是在沒有有線寬帶覆蓋的山區，所以在設計系統時，網絡設備采用了4G和寬帶雙線接入的路由器，在有寬帶地區這一設計可以使得網絡連接穩定性得到保障，而即使在沒有寬帶覆蓋地區，也可以通過使用4G網絡來進行通信。在控制系統內，為了實現完全的無人值守，還增加了遠程開機的硬件設備。該遠程開機設備和控制系統主機接入同一個局域網，在接收到遠程終端發來的開機指令之后向目標主機發送特殊格式的網絡數據包，目標主機接收到數據包之后會自動開機。同時控制系統主機上的遠程控制服務軟件隨主機開機自啟動。這樣在設備關機或者意外掉電之后也可以通過遠程啟動，對交通不便的外場實驗點來說具有重要意義。

1.2 控制系統主機和外接設備

控制系統主機用于連接各種硬件設備和運行控制軟件。圖2為該控制系統內各種設備的連接示意圖，因為各種設備的硬件接口不同，所以設備連接到控制系統主機的方式也不盡相同。

圖2 控制系統各設備連接示意圖

高壓電源是實驗中最重要的設備之一，它們的功能是提供最高100 kV的直流電壓用來電離空氣，產生帶電粒子。高壓電源提供遠程操作模式，允許通過計算機遠程連接至高壓電源，使用客戶端軟件設定電源參數。在實驗中，主要有兩種規格的高壓電源，一種在面板上提供RJ45接口的遠程端口，這種電源通過局域網遠程操作，在連接時需要在電源和控制主機上配置相關的網絡參數，另一種電源提供通過串口連接的遠程端口，可以連接至主機，這種電源不需要配置連接參數即可使用。兩種連接方式在圖2中可以看到，基于網絡連接的高壓電源，通過交換機和控制系統主機接入同一個局域網，另一種直接通過串口線連接到主機。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可以實現實驗中各種設備供電的復雜需求。

雨量計和溫濕度傳感器等環境數據采集設備，需要布置在實驗場地的不同地方，為了更靈活地部署，使用了ZigBee模塊實現這些數據采集設備的無線組網通信。ZigBee是一種無線傳感網絡技術，其協議是由ZigBee聯盟制定的一種基于IEEE802.15.4技術的無線傳輸標準，ZigBee技術具有低功耗、低成本、網絡自組織等特點，現在廣泛應用在工業領域數據自動采集等方面[10-11]。ZigBee有多種組網方式，針對本系統中多個數據采集設備單個控制節點的情況，設計時采用了星形拓撲形式，控制系統主機作為協調節點，數據采集設備作為一系列的終端節點，這種拓撲結構簡單高效。

此外，針對實驗場地可能存在的高濕度和極端氣溫等情況，在系統中還引入了空調、除濕機等輔助設備來保障系統內其他設備的正常運行。

2 系統軟件設計與實現

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

圖3 CFET Thing的屬性

在該框架中，每個被控設備都是一個具體的Thing，由CFET Host管理。圖4為CFET的結構示意圖，CFET Hub中的Thing都有一個統一資源標志符(Uniform Resource Identifier，URI)，是表示一個Thing的唯一地址。當一個Thing被添加到Hub中之后，可以通過這個Thing的URI對該資源進行操作，也就是對前述一個Thing各個屬性執行Get、Set或者Invoke操作。

圖4 CFET結構示意圖

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

在前述的介紹中可以看到，整個控制系統的主要內容就是將各種被控設備實現為CFET Thing，然后添加到控制系統中。

2.1 高壓電源控制系統集成

系統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，在實驗中，當需要多種類型的電源一起工作時，必須在控制系統中抽象出統一的接口以集成對高壓電源的控制。這樣，可以同時實現多種電源的組合控制。

高壓電源的Thing設計如圖5所示，首先從配置文件中讀取各個電源的配置，如電源遠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調用這個Thing的Method如設置電源參數、控制電源開關等操作多臺電源。

圖5 高壓電源Thing設計

在電源控制中，設計了多種電源操作模式，如定時開關電源的輸出、設置不同波形的輸出、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的開關先后順序。在這期間，實時更新電源的電壓電流等信息到Status，這樣可以通過web實時顯示電源的狀態，也可以用于保存電源在實驗過程中的參數。

2.2 數據采集設備的軟件實現

因為雨量計、溫度計等傳感器設備的數據傳輸方式較為低級且格式不同，直接在控制系統里實現與各種傳感器的通信違背了低耦合的原則，同時直接接入控制系統會讓擴展和維護變得更復雜。因此這里采用了一個Host來管理這些傳感器，然后Host通過內部的通信模塊和控制系統通信。在控制系統主機端，與采集設備通信的模塊被實現為一個Thing，通過該Thing與數據采集設備進行交互。

數據采集設備結構和連接如圖6所示，各個傳感器直接連接在Host上，Host上實現了各種傳感器的驅動并對上層控制系統隱藏這些傳感器的區別，控制系統只要通過通道地址就能訪問到不同傳感器的數據。

圖6 數據采集設備結構示意圖

Host硬件部分基于ATmega2560實現，Host在啟動的時候讀取相應配置文件，獲得各個傳感器的配置信息，然后初始化這些傳感器。待初始化完成之后開始數據采集工作。在收到控制系統的指令后，執行相應指令并將執行結果封裝后返回給控制系統。

2.3 基于web的遠程控制系統

截至目前，已完成基于web的遠程監控系統的部署工作。圖7為該監控系統的系統界面。

圖7 遠程控制系統界面

通過該系統，我們可對實驗站點內各實驗設備進行實時監控，保障實驗的安全進行，從而實現降雨基站的遠程無人值守。同時，系統可完成對實驗應用示范區內各氣象監測節點的實時在線觀測和歷史數據查詢。此外，系統還引入了實驗頻道來記錄人為觀測和人為增雨的情況。

3 結 語

本文設計開發的遠程綜合控制系統，實現了對帶電粒子催化人工降雨雪外場實驗中的各種設備的綜合控制及環境氣象數據采集功能，使實驗人員可以通過遠程控制進行實驗，大大提升工作效率。系統在設計時充分考慮了各種應用場景，對系統進行了充分優化，采用分布式設計保證了外場實驗點擴展簡易性。該系統已經在甘肅烏鞘嶺實驗基站和寧夏回族自治區六盤山實驗基站部署測試并投入使用。通過本系統，實驗人員進行了遠程操作開展實驗，在整個實驗過程中，系統穩定運行，完全實現了帶電粒子催化人工降雨雪外場實驗對控制系統的各項需求。