分布式带电粒子催化人工降雨雪远程综合控制系统

杨 洲 吴其其 张 明 郑 玮 王昱星 艾鑫坤

1(华中科技大学中欧清洁可再生能源学院 湖北 武汉 430074) 2(华中科技大学电气与电子工程学院磁约束聚变与等离子体国际合作联合实验室 湖北 武汉 430074)

0 引 言

水资源是一个国家生产生活的最重要的资源之一，我国有着丰富的大气水资源，但多年气象统计数据表明，只有16%～18%的水汽能形成自然降水降落地面，大气水资源利用率严重不足，所以通过人工降水的手段来利用大气水资源是非常必要的[1-4]。目前国内外已经发展出系统的人工影响天气科学技术[5-6]，然而传统的通过向云中播撒碘化银等催化剂催化降雨的技术存在一些限制和不足，因此各国都在积极开展新型人工降雨技术的研究，带电粒子催化人工降雨技术就是新型人工降雨技术的一种[4,7-9]。该技术使用电效应产生带电粒子，将带电粒子播撒到空气中，使空气中部分气溶胶带电。这些带电气溶胶粒子的静电场对其他中性水分子簇存在极化效应，产生带电气溶胶粒子对被极化的水分子簇团有非接触的电场凝聚力，促使其凝结速率增加，促进降雨的形成。目前这种技术已经在云室中实现了较好的可控催化降雨雪的效果。为了验证这种技术在实际自然环境中催化降雨雪的效果，仍需要开展一系列的外场实验。实验的主要内容是控制高压电源为架设在降雨实验基站的电极提供电压，进而产生带电粒子进入空气中促进降雨。实验基站中包含多套电源系统、数据采集设备及其他辅助设备。本文针对带电粒子催化人工降雨雪外场实验特点及基站受控设备的具体内容设计并实现了一个综合控制系统，该系统集成了对实验中的各个设备的控制和现场环境的监控以及实验数据的采集功能，可以极大地提高外场实验进行的效率。该系统的主要功能如下。

(1) 控制带电粒子降雨雪外场实验中所使用的多台高压电源，实验使用高压电源为电极片提供电压以产生带电粒子，实验中需要根据外界环境调节电源的电压等参数，同时也需要观测记录电源在实验过程中的各个参数。

(2) 实时获取实验应用示范区内气象设备的采集数据，多台雨量计、温湿度传感器等设备需要被设置在实验场地周围用以测量实验中环境气象参数的变化。

(3) 为了保证远程实验时对实验场地的实时观测，系统中包含了多个视频监控设备，这些监控设备的调节由控制系统完成。除此之外，为了保持设备正常运行所需的环境条件，实验场地还有一些其他辅助设备，如空调、除湿机等，这些也需要有控制系统保证其正常运行与调节。

该系统针对人工催化带电粒子降雨雪的外场实验特点和实验中所需要控制的设备以及功能进行设计，具有以下特点。

(1) 分布式结构：系统在设计之初考虑到外场实验存在的多个实验点以及实验人员操作场景的变化，将系统拆分部署，每个实验点都可以作为一个独立的系统，实验人员在只需要一个客户端就能控制每个实验点的设备，同时实验人员不受地点的限制，可以在能接入互联网的任何地点远程控制实验设备。

(2) 兼容的设备接入接口：针对不同的物理量的测量装置使用不同的接口以及不同的数据传输协议，对各个测量装置进行了抽象，设计了统一的读取测量装置数据的API和统一的测量装置配置方法。新增设备只需要修改配置文件，即可进行添加和统一管理。

(3) 双网络设计：为了保证远程实验过程中网络的稳定，该系统使用了4G网络和宽带网络的双线接入，保证在一条线路故障时不会影响远程控制，同时4G网络也保证了在无宽带覆盖地区远程连接的可用性。

1 系统总体结构

根据带电粒子催化人工降雨雪的外场实验所需的各种设备，设计集成控制系统，图1为系统的硬件结构。系统中包含了必要的网络设备、控制系统主机、PLC控制器、高压电源、数据采集设备和其他辅助设备如视频监控系统等。

图1 带电粒子催化人工降雨雪远程监控系统硬件结构

1.1 远程系统

该控制系统可以直接在控制系统主机上操作，也能使用终端主机通过以太网连接控制系统主机进行远程操作，远程连接软件支持多种操作系统，如Windows、Android等系统，这让实验开展不受环境的限制。因为外场实验部分选址是在没有有线宽带覆盖的山区，所以在设计系统时，网络设备采用了4G和宽带双线接入的路由器，在有宽带地区这一设计可以使得网络连接稳定性得到保障，而即使在没有宽带覆盖地区，也可以通过使用4G网络来进行通信。在控制系统内，为了实现完全的无人值守，还增加了远程开机的硬件设备。该远程开机设备和控制系统主机接入同一个局域网，在接收到远程终端发来的开机指令之后向目标主机发送特殊格式的网络数据包，目标主机接收到数据包之后会自动开机。同时控制系统主机上的远程控制服务软件随主机开机自启动。这样在设备关机或者意外掉电之后也可以通过远程启动，对交通不便的外场实验点来说具有重要意义。

1.2 控制系统主机和外接设备

控制系统主机用于连接各种硬件设备和运行控制软件。图2为该控制系统内各种设备的连接示意图，因为各种设备的硬件接口不同，所以设备连接到控制系统主机的方式也不尽相同。

图2 控制系统各设备连接示意图

高压电源是实验中最重要的设备之一，它们的功能是提供最高100 kV的直流电压用来电离空气，产生带电粒子。高压电源提供远程操作模式，允许通过计算机远程连接至高压电源，使用客户端软件设定电源参数。在实验中，主要有两种规格的高压电源，一种在面板上提供RJ45接口的远程端口，这种电源通过局域网远程操作，在连接时需要在电源和控制主机上配置相关的网络参数，另一种电源提供通过串口连接的远程端口，可以连接至主机，这种电源不需要配置连接参数即可使用。两种连接方式在图2中可以看到，基于网络连接的高压电源，通过交换机和控制系统主机接入同一个局域网，另一种直接通过串口线连接到主机。高压电源的供电由PLC控制器控制，使用PLC控制配电柜中的各种开关可以实现实验中各种设备供电的复杂需求。

雨量计和温湿度传感器等环境数据采集设备，需要布置在实验场地的不同地方，为了更灵活地部署，使用了ZigBee模块实现这些数据采集设备的无线组网通信。ZigBee是一种无线传感网络技术，其协议是由ZigBee联盟制定的一种基于IEEE802.15.4技术的无线传输标准，ZigBee技术具有低功耗、低成本、网络自组织等特点，现在广泛应用在工业领域数据自动采集等方面[10-11]。ZigBee有多种组网方式，针对本系统中多个数据采集设备单个控制节点的情况，设计时采用了星形拓扑形式，控制系统主机作为协调节点，数据采集设备作为一系列的终端节点，这种拓扑结构简单高效。

此外，针对实验场地可能存在的高湿度和极端气温等情况，在系统中还引入了空调、除湿机等辅助设备来保障系统内其他设备的正常运行。

2 系统软件设计与实现

在这个控制系统中，软件部分基于CFET(Control system Framework for Experimental Devices Toolkit)控制框架实现[12]。在CFET中最基本的概念是Thing，是对各种可控制设备的抽象。Thing具有一些属性如图3所示，其中：Status提供这个被控设备的状态，是一个可读的属性；Config是这个Thing的配置属性，可以被修改；而Method提供了对一个Thing的操作方法。通过这些属性就能访问到一个Thing。

图3 CFET Thing的属性

在该框架中，每个被控设备都是一个具体的Thing，由CFET Host管理。图4为CFET的结构示意图，CFET Hub中的Thing都有一个统一资源标志符(Uniform Resource Identifier，URI)，是表示一个Thing的唯一地址。当一个Thing被添加到Hub中之后，可以通过这个Thing的URI对该资源进行操作，也就是对前述一个Thing各个属性执行Get、Set或者Invoke操作。

图4 CFET结构示意图

对于本控制系统来说，就是在控制系统主机上部署一个CFET Host，而对于所要控制的设备来说，将设备添加到控制系统中实际就是将这个设备实现为一个CFET Thing，然后添加到CFET Hub中，在这之后这个设备就可以通过通信模块中提供的Server服务使用web控制，其他拥有该设备URI的Thing也可以操作这个设备，这使得设备之间想要相互操作也很容易实现。

在前述的介绍中可以看到，整个控制系统的主要内容就是将各种被控设备实现为CFET Thing，然后添加到控制系统中。

2.1 高压电源控制系统集成

系统中存在多种类型的高压电源，但是不同类型电源的软件接口是不同的。因此，在实验中，当需要多种类型的电源一起工作时，必须在控制系统中抽象出统一的接口以集成对高压电源的控制。这样，可以同时实现多种电源的组合控制。

高压电源的Thing设计如图5所示，首先从配置文件中读取各个电源的配置，如电源远程连接的串口地址或者IP地址等。然后连接到高压电源，之后就可以通过CFET Host调用这个Thing的Method如设置电源参数、控制电源开关等操作多台电源。

图5 高压电源Thing设计

在电源控制中，设计了多种电源操作模式，如定时开关电源的输出、设置不同波形的输出、按一定速率逐渐提升电压等，另外也可以配置多台电源组合使用时的开关先后顺序。在这期间，实时更新电源的电压电流等信息到Status，这样可以通过web实时显示电源的状态，也可以用于保存电源在实验过程中的参数。

2.2 数据采集设备的软件实现

因为雨量计、温度计等传感器设备的数据传输方式较为低级且格式不同，直接在控制系统里实现与各种传感器的通信违背了低耦合的原则，同时直接接入控制系统会让扩展和维护变得更复杂。因此这里采用了一个Host来管理这些传感器，然后Host通过内部的通信模块和控制系统通信。在控制系统主机端，与采集设备通信的模块被实现为一个Thing，通过该Thing与数据采集设备进行交互。

数据采集设备结构和连接如图6所示，各个传感器直接连接在Host上，Host上实现了各种传感器的驱动并对上层控制系统隐藏这些传感器的区别，控制系统只要通过通道地址就能访问到不同传感器的数据。

图6 数据采集设备结构示意图

Host硬件部分基于ATmega2560实现，Host在启动的时候读取相应配置文件，获得各个传感器的配置信息，然后初始化这些传感器。待初始化完成之后开始数据采集工作。在收到控制系统的指令后，执行相应指令并将执行结果封装后返回给控制系统。

2.3 基于web的远程控制系统

截至目前，已完成基于web的远程监控系统的部署工作。图7为该监控系统的系统界面。

图7 远程控制系统界面

通过该系统，我们可对实验站点内各实验设备进行实时监控，保障实验的安全进行，从而实现降雨基站的远程无人值守。同时，系统可完成对实验应用示范区内各气象监测节点的实时在线观测和历史数据查询。此外，系统还引入了实验频道来记录人为观测和人为增雨的情况。

3 结 语

本文设计开发的远程综合控制系统，实现了对带电粒子催化人工降雨雪外场实验中的各种设备的综合控制及环境气象数据采集功能，使实验人员可以通过远程控制进行实验，大大提升工作效率。系统在设计时充分考虑了各种应用场景，对系统进行了充分优化，采用分布式设计保证了外场实验点扩展简易性。该系统已经在甘肃乌鞘岭实验基站和宁夏回族自治区六盘山实验基站部署测试并投入使用。通过本系统，实验人员进行了远程操作开展实验，在整个实验过程中，系统稳定运行，完全实现了带电粒子催化人工降雨雪外场实验对控制系统的各项需求。