張 明， 樊昌元， 張東明， 李龍飛， 李代偉

(成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

人工影響天氣是中國氣象部門服務(wù)于社會的一項重要科技活動。人工影響天氣是為了減輕氣象災(zāi)害給人類帶來的不利影響，充分利用氣候資源，在合適的天氣條件下通過科技手段人工干預(yù)局部大氣的物理、化學(xué)過程，實現(xiàn)增雨雪、防雹、消雨、消霧、防霜等目的，使局部地區(qū)天氣狀況朝著有利于人類的天氣方向轉(zhuǎn)化的一項科學(xué)舉措。多年來，中國積極利用現(xiàn)代科技手段，開展人影作業(yè)，效果明顯，在服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、緩解水資源緊缺、防災(zāi)減災(zāi)、保護(hù)生態(tài)以及保障重大活動等方面發(fā)揮了重要作用［1-4］。

綜合國內(nèi)外的參考文獻(xiàn)、專利及相關(guān)資料［5-10］，目前人影作業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究現(xiàn)狀中存在很多關(guān)鍵技術(shù)缺陷問題，主要體現(xiàn)在以下兩方面。

(1)作業(yè)方位角的測量問題:人工影響天氣作業(yè)數(shù)據(jù)方位角的檢測，目前主要采用的是數(shù)字陀螺儀，是利用“在進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時，相應(yīng)物體的角動量非常大，旋轉(zhuǎn)軸持續(xù)固定指向同一個方向”的原理而制造的定向儀器，但是該儀器須要求被測物體旋轉(zhuǎn)要快，或者說是角動量要足夠大，否則將嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性?？紤]到人影作業(yè)設(shè)備的實際旋轉(zhuǎn)速度，且數(shù)字陀螺儀價格昂貴，因此陀螺儀不適用于人影作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(2)用彈量的檢測問題:綜合目前的一些研究成果，人影作業(yè)用彈量的檢測主要是通過語音識別的方法來獲?。?1-12］，炮擊聲音識別電路采用的是HBR110或RSC-300語音識別芯片，該方法在比較理想的實驗室環(huán)境條件下準(zhǔn)確性能達(dá)到90%;但考慮到人影設(shè)備作業(yè)時震動異常劇烈，且野外環(huán)境復(fù)雜，所以語音識別的方法不適用于人影作業(yè)用彈量的檢測。

準(zhǔn)確的作業(yè)數(shù)據(jù)直接影響人影作業(yè)質(zhì)量，為確保人影作業(yè)的有效性。在該設(shè)計中使用三維磁阻式電子羅盤［10］?？梢杂行Ы鉀Q方位角測量問題，同時采用高精度接近開關(guān)可以有效提高炮彈檢測精度?？梢詫⒆鳂I(yè)過程中的方位角、俯仰角以及使用炮彈量等信息上傳至人影手持終端，讓管理部門及時獲取作業(yè)一線的實時信息，為作業(yè)指揮和作業(yè)效益評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)功能與總體設(shè)計

通過對人影高炮作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研究，系統(tǒng)能完成人影高炮作業(yè)方位角和俯仰角的自動檢測;實現(xiàn)炮彈發(fā)射時間和數(shù)量的自動檢測，以及相關(guān)數(shù)據(jù)的儲存。同時，系統(tǒng)將獲取的相關(guān)作業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)通信模塊實時傳輸?shù)饺擞笆殖纸K端，終端再通過GPRS傳輸?shù)饺擞肮芾聿块T，讓其及時獲取作業(yè)一線的實時信息，為人影選擇作業(yè)時機(jī)、指揮決策、作業(yè)實施及作業(yè)效果評估提供了基礎(chǔ)和依據(jù)，解決多年來指揮、作業(yè)、評估相互脫節(jié)的技術(shù)難題，也為人工影響天氣數(shù)據(jù)和理論分析提供有用可靠的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)是對氣象部門人影作業(yè)進(jìn)行自動化監(jiān)測的裝置，能夠?qū)崟r匯報作業(yè)情況，反饋人影作業(yè)是否達(dá)到預(yù)期的精度和要求，還省去了人工上報作業(yè)情況的一些麻煩和問題，減少人工引起誤差和不準(zhǔn)確的情況發(fā)生，從而讓人影作業(yè)更精準(zhǔn)有效，同時也為氣象人影作業(yè)的規(guī)范化和科學(xué)化管理提供了有力保障。

整個人影高炮作業(yè)數(shù)據(jù)采集裝置由ARM芯片作為中央微處理單元，系統(tǒng)通過電子羅盤完成俯仰角角、工具面角和方位角的數(shù)據(jù)采集，通過實時時鐘芯片讀取實時時間數(shù)據(jù)，通過接近開關(guān)采集人影作業(yè)使用炮彈量。將采集數(shù)據(jù)存儲到存儲器并通過藍(lán)牙模塊實時向手持終端發(fā)送數(shù)據(jù)。整個裝置構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

設(shè)計主系統(tǒng)選擇NXP公司的LPC2000系列處理器，而設(shè)計采用LPC2103足以滿足設(shè)計要求。電子羅盤傳感器選用霍尼韋爾公司的HMC6343，該電子羅盤傳感器內(nèi)部集成有三維加速度傳感器和三維磁阻傳感器，通過I2C總線讀取磁場相應(yīng)值并計算出方位角、工具面角、傾角，精度可以采用安裝時現(xiàn)場標(biāo)定的方法標(biāo)定［13］。時間數(shù)據(jù)采集采用PCF8563，是PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片;該時鐘芯片提供年、月、日、時和分?jǐn)?shù)據(jù)。

在考慮存儲器的容量和速度必須滿足系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，選用Everspin公司的MR25H40非易失性存儲器，該存儲器選用工業(yè)溫度范圍的磁性隨機(jī)存儲器，容量為4 Mb，采用高速串行SPI接口，讀寫速度為40 MHz。接近開關(guān)選用型號為TCO-3040A的NPN常開型大距離接近開關(guān)，檢測距離可達(dá)到40 mm。人影作業(yè)數(shù)據(jù)采集裝置與手持終端通信使用藍(lán)牙模塊HC-05。

2．1 HMC6343電子羅盤電路

霍尼韋爾HMC6343型磁阻傳感器電路是磁傳感器、加速度計、模擬支持電路的三合一測量磁場［14］。另外內(nèi)裝微處理器集成用于方向和校準(zhǔn)的硬件計算，其電路圖見圖2。HMC6343電子羅盤使用I2C協(xié)議進(jìn)行方位角，俯仰角以及工具面角的標(biāo)定與讀取計算。該芯片時鐘(SCL0)線和數(shù)據(jù) (SDA0)線沒有內(nèi)置式電阻器，并且要求在主裝置 (通常用的主微處理器)和HMC6343之間加上拉電阻。數(shù)據(jù)速率的標(biāo)準(zhǔn)模式為100 kbps速率，電路中使用約10 kΩ的上拉電阻值與標(biāo)稱值3.0 V的供電電壓。

圖2 HMC6343電子羅盤電路圖

2．1 PCF8563實時時鐘電路設(shè)計

實時時鐘芯片PCF8563電路里加有鈕扣電池，以防止系統(tǒng)在掉電時，時間在初始化狀態(tài)時不是當(dāng)前時間;由圖3 PCF8563實時時鐘電路圖可知當(dāng)系統(tǒng)由外部電源供電時二極管D802輸出端的電壓大于二極管D801輸出電壓，從而二極管D801截止，此時靠外部電源給實時時鐘芯片供電。當(dāng)系統(tǒng)掉電時二極管D802輸出端的電壓小于二極管D801輸出電壓，從而二極管D801導(dǎo)通，此時靠鈕扣電池給實時時鐘芯片供電。

圖3 PCF8563實時時鐘電路圖

2．2 MR25H40存儲電路設(shè)計

存儲器MR25H40為鐵電存儲器采用的是SPI接口進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)，該存儲器具有RAM和ROM優(yōu)點，讀寫速度快并可以像非易失性存儲器一樣使用，因此即使當(dāng)系統(tǒng)突然斷電也可將數(shù)據(jù)保存。微處理器P0.15和P0.16引腳分別完成控制存儲器保持和寫功能，SS0引腳完成片選功能。具體存儲電路圖如圖4所示。

圖4 MR25H40存儲電路圖

2．3 炮彈檢測電路設(shè)計

炮彈檢測電路圖見圖5。當(dāng)人工影響天氣“三七”高炮向目標(biāo)云發(fā)射炮彈后，炮彈殼會從人影高炮的退彈口彈射出。因此在檢測人影作業(yè)所用的炮彈量時可以將兩個TCO-3040A型NPN常開型接近開關(guān)固定在高炮退彈口下方，當(dāng)炮彈殼彈射出經(jīng)過接近開關(guān)上方時即可檢測到人影作業(yè)過程使用的炮彈量［15-16］，兩個接近開關(guān)檢測到的炮彈數(shù)量相加就是總的炮彈數(shù)。電路圖中VDDIN1為12 V的接近開關(guān)電壓，Dirc-In1和Dirc-In2為兩個接近開關(guān)信號輸入，TLP281-4為光耦將接近開關(guān)輸入的12 V電壓與ARM處理器進(jìn)行隔離。CD40106B芯片為六反相施密特觸發(fā)器將SIN1，SIN0信號反相輸出，因此炮彈量檢測到控制變成脈沖數(shù)檢測。

圖5 炮彈檢測電路圖

2．4 藍(lán)牙模塊設(shè)置

使用藍(lán)牙模塊HC-05之前先要使用串口對藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，進(jìn)入AT命令模式使用AT+NAME命令設(shè)置藍(lán)牙名稱，使用AT+ROLE命令將藍(lán)牙模塊設(shè)置成從機(jī)模式這樣手持終端才能搜索到該藍(lán)牙模塊完成通信。這里使用藍(lán)牙模塊默認(rèn)的波特率9600，不需要另行對該參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。藍(lán)牙模塊使用的是TTL電平所以需要在藍(lán)牙模塊前段加一塊SPS3232芯片將RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平完成處理器與藍(lán)牙模塊的通信［17］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)中，在檢測俯仰角的軟件設(shè)計時，傳感器的數(shù)據(jù)輸出采用的是應(yīng)答式輸出模式，因此要采集傳感器當(dāng)前的作業(yè)俯仰角數(shù)據(jù)信息，需要LPC2387微處理器發(fā)讀角度命令，傳感器才能回應(yīng)相應(yīng)的角度數(shù)據(jù)。人影作業(yè)數(shù)據(jù)采集裝置的軟件工作流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電時對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。實時時鐘有紐扣電池供電不需再進(jìn)行時間初始化設(shè)置，藍(lán)牙模塊初始化設(shè)置包括主從模式設(shè)置、藍(lán)牙名稱設(shè)置、通信波特率設(shè)置以及電子羅盤的方位角、俯仰角的校正。初始化后采集器開始采集作業(yè)數(shù)據(jù)當(dāng)接近開關(guān)檢測到有彈殼從退彈口彈射出時說明人影高炮已經(jīng)開始作業(yè)系統(tǒng)開始采集到的高炮作業(yè)時的方位角、俯仰角、工具面角數(shù)據(jù)存儲，同時采集實時時鐘的時間也存儲方便進(jìn)行歷史查詢。數(shù)據(jù)存儲后等待刷新時間，刷新時間為1分鐘(一般作業(yè)時間為幾十秒，防止炮彈數(shù)量還沒檢測結(jié)束就將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙模塊上傳至手持終端)當(dāng)刷新時間到后將采集到的作業(yè)數(shù)據(jù)傳送給藍(lán)牙模塊，然后在將作業(yè)數(shù)據(jù)發(fā)送到手持終端供管理人員查看作業(yè)數(shù)據(jù)是否有效以及炮彈發(fā)射數(shù)量。方便管理人員對該次人影作業(yè)做出相關(guān)評估及管理工作。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

4 系統(tǒng)測試與驗證

測試時將人影作業(yè)數(shù)據(jù)采集裝置平行固定在模擬測試平臺支架正上方，讓搭載數(shù)據(jù)采集器的支架指向正北方向方位角標(biāo)定為0度，并將支架調(diào)整到水平方向上俯仰角標(biāo)定為0度。此時系統(tǒng)開機(jī)后HMC6343在程序初始化過程中調(diào)用電子羅盤校準(zhǔn)程序，用0X70命令進(jìn)入校準(zhǔn)模式。在進(jìn)行校準(zhǔn)期間，羅盤隨著測試平臺支架在0～360度方向上(方位角)以及0～90度方向上上轉(zhuǎn)動約1分鐘以達(dá)到最佳精度。0X7F命令退出校準(zhǔn)模式，在退出校準(zhǔn)模式時效驗后的磁力儀的偏移和比例系數(shù)得到了更新。當(dāng)羅盤校準(zhǔn)后回到正北方向并使支架回到水平位置，使用手持終端進(jìn)行校正歸零。炮彈檢測通過用金屬物體靠近接近開關(guān)的方式進(jìn)行檢測，記下用金屬物體靠近兩個接近開關(guān)的次數(shù)與作業(yè)數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)相比較。測試平臺數(shù)據(jù)在測試平臺上手動調(diào)整方位角、傾角，炮彈量后分別記下當(dāng)前的數(shù)據(jù)與作業(yè)數(shù)據(jù)采集器采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。測試結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

從表1的數(shù)據(jù)可以看出6組數(shù)據(jù)中炮彈量檢測量很準(zhǔn)確，當(dāng)測試平臺設(shè)置俯仰角和方位角角度較小時誤差都在1度以內(nèi)，較大時作業(yè)數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)誤差有2～3度的誤差。由于作業(yè)區(qū)域為一個扇區(qū)，人工降雨炮彈在該區(qū)域上空4000到5000米的高空爆炸使得爆炸高溫產(chǎn)生的冰晶附著在該區(qū)域云層上，該誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

隨著社會的不斷發(fā)展以后的人影作業(yè)智能化、自動化是發(fā)展方向。文中介紹一種人影高炮作業(yè)數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計方案，使用ARM處理器作為控制核心，霍尼韋爾公司的HMC6343電子羅盤的采集人影高炮作業(yè)時的方位角及俯仰角，使用接近開關(guān)檢測人影高炮作業(yè)過程的用彈量。并將作業(yè)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳至作業(yè)點管理人員的手持終端最后將作業(yè)數(shù)據(jù)發(fā)送至管理部門，通過數(shù)據(jù)采集裝置可以為人影作業(yè)時機(jī)選擇、方案設(shè)計、指揮決策、作業(yè)實施、效果評估的基礎(chǔ)和依據(jù)，也是提高作業(yè)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和時效性的根本保證。

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