人工影響天氣“三七”高炮作業數據采集系統

張 明， 樊昌元， 張東明， 李龍飛， 李代偉

(成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225)

0 引言

人工影響天氣是中國氣象部門服務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局部大氣的物理、化學過程，實現增雨雪、防雹、消雨、消霧、防霜等目的，使局部地區天氣狀況朝著有利于人類的天氣方向轉化的一項科學舉措。多年來，中國積極利用現代科技手段，開展人影作業，效果明顯，在服務農業生產、緩解水資源緊缺、防災減災、保護生態以及保障重大活動等方面發揮了重要作用［1-4］。

綜合國內外的參考文獻、專利及相關資料［5-10］，目前人影作業數據采集技術的研究現狀中存在很多關鍵技術缺陷問題，主要體現在以下兩方面。

(1)作業方位角的測量問題:人工影響天氣作業數據方位角的檢測，目前主要采用的是數字陀螺儀，是利用“在進行高速旋轉時，相應物體的角動量非常大，旋轉軸持續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要快，或者說是角動量要足夠大，否則將嚴重影響其穩定性?？紤]到人影作業設備的實際旋轉速度，且數字陀螺儀價格昂貴，因此陀螺儀不適用于人影作業數據采集系統。

(2)用彈量的檢測問題:綜合目前的一些研究成果，人影作業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境條件下準確性能達到90%;但考慮到人影設備作業時震動異常劇烈，且野外環境復雜，所以語音識別的方法不適用于人影作業用彈量的檢測。

準確的作業數據直接影響人影作業質量，為確保人影作業的有效性。在該設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可以有效提高炮彈檢測精度?？梢詫⒆鳂I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一線的實時信息，為作業指揮和作業效益評估提供基礎數據。

1 系統功能與總體設計

通過對人影高炮作業數據采集系統進行技術研究，系統能完成人影高炮作業方位角和俯仰角的自動檢測;實現炮彈發射時間和數量的自動檢測，以及相關數據的儲存。同時，系統將獲取的相關作業數據經通信模塊實時傳輸到人影手持終端，終端再通過GPRS傳輸到人影管理部門，讓其及時獲取作業一線的實時信息，為人影選擇作業時機、指揮決策、作業實施及作業效果評估提供了基礎和依據，解決多年來指揮、作業、評估相互脫節的技術難題，也為人工影響天氣數據和理論分析提供有用可靠的數據。

系統是對氣象部門人影作業進行自動化監測的裝置，能夠實時匯報作業情況，反饋人影作業是否達到預期的精度和要求，還省去了人工上報作業情況的一些麻煩和問題，減少人工引起誤差和不準確的情況發生，從而讓人影作業更精準有效，同時也為氣象人影作業的規范化和科學化管理提供了有力保障。

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

圖1 系統結構框圖

2 系統的硬件設計

設計主系統選擇NXP公司的LPC2000系列處理器，而設計采用LPC2103足以滿足設計要求。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總線讀取磁場相應值并計算出方位角、工具面角、傾角，精度可以采用安裝時現場標定的方法標定［13］。時間數據采集采用PCF8563，是PHILIPS公司推出的一款工業級內含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、時和分數據。

在考慮存儲器的容量和速度必須滿足系統設計的相關要求的基礎上，選用Everspin公司的MR25H40非易失性存儲器，該存儲器選用工業溫度范圍的磁性隨機存儲器，容量為4 Mb，采用高速串行SPI接口，讀寫速度為40 MHz。接近開關選用型號為TCO-3040A的NPN常開型大距離接近開關，檢測距離可達到40 mm。人影作業數據采集裝置與手持終端通信使用藍牙模塊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］。另外內裝微處理器集成用于方向和校準的硬件計算，其電路圖見圖2。HMC6343電子羅盤使用I2C協議進行方位角，俯仰角以及工具面角的標定與讀取計算。該芯片時鐘(SCL0)線和數據 (SDA0)線沒有內置式電阻器，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。數據速率的標準模式為100 kbps速率，電路中使用約10 kΩ的上拉電阻值與標稱值3.0 V的供電電壓。

圖2 HMC6343電子羅盤電路圖

2．1 PCF8563實時時鐘電路設計

實時時鐘芯片PCF8563電路里加有鈕扣電池，以防止系統在掉電時，時間在初始化狀態時不是當前時間;由圖3 PCF8563實時時鐘電路圖可知當系統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。當系統掉電時二極管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存儲電路設計

存儲器MR25H40為鐵電存儲器采用的是SPI接口進行讀寫數據，該存儲器具有RAM和ROM優點，讀寫速度快并可以像非易失性存儲器一樣使用，因此即使當系統突然斷電也可將數據保存。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 炮彈檢測電路設計

炮彈檢測電路圖見圖5。當人工影響天氣“三七”高炮向目標云發射炮彈后，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所用的炮彈量時可以將兩個TCO-3040A型NPN常開型接近開關固定在高炮退彈口下方，當炮彈殼彈射出經過接近開關上方時即可檢測到人影作業過程使用的炮彈量［15-16］，兩個接近開關檢測到的炮彈數量相加就是總的炮彈數。電路圖中VDDIN1為12 V的接近開關電壓，Dirc-In1和Dirc-In2為兩個接近開關信號輸入，TLP281-4為光耦將接近開關輸入的12 V電壓與ARM處理器進行隔離。CD40106B芯片為六反相施密特觸發器將SIN1，SIN0信號反相輸出，因此炮彈量檢測到控制變成脈沖數檢測。

圖5 炮彈檢測電路圖

2．4 藍牙模塊設置

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

3 系統軟件設計

系統中，在檢測俯仰角的軟件設計時，傳感器的數據輸出采用的是應答式輸出模式，因此要采集傳感器當前的作業俯仰角數據信息，需要LPC2387微處理器發讀角度命令，傳感器才能回應相應的角度數據。人影作業數據采集裝置的軟件工作流程圖如圖6所示，系統上電時對系統進行初始化。實時時鐘有紐扣電池供電不需再進行時間初始化設置，藍牙模塊初始化設置包括主從模式設置、藍牙名稱設置、通信波特率設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數據當接近開關檢測到有彈殼從退彈口彈射出時說明人影高炮已經開始作業系統開始采集到的高炮作業時的方位角、俯仰角、工具面角數據存儲，同時采集實時時鐘的時間也存儲方便進行歷史查詢。數據存儲后等待刷新時間，刷新時間為1分鐘(一般作業時間為幾十秒，防止炮彈數量還沒檢測結束就將數據發送到藍牙模塊上傳至手持終端)當刷新時間到后將采集到的作業數據傳送給藍牙模塊，然后在將作業數據發送到手持終端供管理人員查看作業數據是否有效以及炮彈發射數量。方便管理人員對該次人影作業做出相關評估及管理工作。

圖6 系統軟件設計框圖

4 系統測試與驗證

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

表1 系統測試結果

從表1的數據可以看出6組數據中炮彈量檢測量很準確，當測試平臺設置俯仰角和方位角角度較小時誤差都在1度以內，較大時作業數據采集器采集到的數據誤差有2～3度的誤差。由于作業區域為一個扇區，人工降雨炮彈在該區域上空4000到5000米的高空爆炸使得爆炸高溫產生的冰晶附著在該區域云層上，該誤差在允許范圍內。

5 結束語

隨著社會的不斷發展以后的人影作業智能化、自動化是發展方向。文中介紹一種人影高炮作業數據采集裝置的設計方案，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時的方位角及俯仰角，使用接近開關檢測人影高炮作業過程的用彈量。并將作業數據通過藍牙傳至作業點管理人員的手持終端最后將作業數據發送至管理部門，通過數據采集裝置可以為人影作業時機選擇、方案設計、指揮決策、作業實施、效果評估的基礎和依據，也是提高作業的科學性、準確性和時效性的根本保證。

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