碘化銀發生器控制系統的研發

李 莉，栗潤萍，孟令軍

（1.山西工程技術學院電氣工程與自動化系，山西陽泉 045000；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

碘化銀發生器設置在偏遠高山的迎風山坡，裝有碘化銀試劑的焰條安裝在焰爐中，當焰條被點燃后，碘化銀隨上升的氣流和云層結合，形成降雨或降雪。由于焰爐安裝在偏遠高山，人工點火既不方便也不安全，所以要對焰條遠程遙控點火。目前我國現有的碘化銀發生器智能程度較低，硬件設計和組網方式復雜，不易維護，且不能實現定制化的服務，不利于系統后期的改造升級。文中設計的碘化銀發生器規模較小，能滿足用戶的需求，并且有預留端口，采用4G-DTU 作為遠程傳輸設備，為后續視頻傳輸提供了可能性。

1 系統設計

系統主要針對碘化銀發生器的遠程控制開發，目標用戶為氣象局。系統主要功能為焰條遠程點火、焰條狀態監測，焰條之間相互獨立，遠程遙控點燃焰條后，現場狀態拍照上傳，確認焰條是否點燃。整個系統設計采用三層結構，如圖1 所示，包括監控層、傳輸層、現場設備層。監控層由PC 機和一個DTU[1-3]構成，PC 機發送網絡命令進行點火和拍照，PC 機和DTU 通過RS232 串口相連。傳輸層中，利用透傳云通過4G 鏈路和TCP/IP 協議數據透明傳輸到現場設備層的DTU 中，整個系統中的兩個DTU 屬于點對點通信。在現場設備層，DTU 通過RS232 串口將命令傳送到STM32 主控制器中，STM32 根據指令執行對應通道的點火操作，同時拍照，并把圖片和焰條狀態進行回傳。

圖1 系統整體設計框圖

2 系統硬件設計

系統的硬件設計主要針對現場設備層，在監控層PC 機和DTU 之間只需要一個USB 轉串口的芯片即可?，F場的主控制器采用STM32F103ZET6,該芯片是32 位的處理器，主頻最高為72 MHz，FLASH ROM 的容量是512 kB，RAM 的容量是64 kB，144 個引腳,多個GPIO 組，GPIOA 組-GPIOG 組，每組GPIO有16 個I/O 口，共計112 個I/O 口引腳，低功耗，有運行、睡眠、停機和待機4 種模式，3 個12 位A/D 轉換器，2 通道的12 位D/A 轉換器，12 通道DMA 控制器，11 個定時器，13 個通信接口，其中包含5 個串口，在該設計中用到2 個串口，串口攝像頭和串口3 相連，DTU 和串口2 相連。

2.1 點火模塊

該設計有40 路焰條，點火通道為40，用到14 片三重2 通道多路開關CD4053，每片CD4053 控制3 路通 道,CD4053 共 占 用STM32 的42 個I/O 口，以 圖2 為例進行說明。MC1043 是高精度電壓基準芯片，可以穩定輸出2.5 V 的電壓，MC1403 芯片的供電電源是3.3 V 即原理圖上的VCC。MC1403 經過一個可變電阻調壓輸出2 V 的電壓，該輸出連CD4053的AY、BY、CY 引腳，控制引腳C、B、A 分別連STM32 的PB2、PB1、PB0，STM32 可以通過控制CD4053 來控制40 路通道的通斷。以通道1 為例，如果命令通道1 進行點火，根據圖2 以及CD4053 的真值表，輸出引腳a 和輸入AY 連通，應設置PB2、PB1、PB0為001，此時只有引腳a 輸出的電平為2 V，此輸出連LM358N 集成運放（由U4A 和U4B 兩個運放構成），U4A 是電壓跟隨器的連法，保證輸出電壓2 V 不變，并且輸出阻抗（作為下一級U4B 的輸入阻抗）趨近于0，U4B 和Q1(IRL540 NPBF)構成典型的壓控恒流電路，使R14上的電壓恒定保持在2 V。根據歐姆定律，流經R14(1 Ω)的電流可以恒定保持在2 A，接線端Header1 用來連接點火電阻，由于U4B的同相輸入端的電壓為2 V，所以流經點火電阻的電流是2 A，根據焦耳定律，電能轉化為熱能，發熱的電阻引燃在其旁邊的焰條，實現點火。

圖2 1-3通道點火電路

2.2 圖像采集模塊

攝像頭采用串口攝像頭PTC08B 3.6 mm紅外鏡頭（90°），該攝像頭圖片像素為30萬，像素尺寸為5.6 μm×5.6 μm，圖片格式為JPEG，信噪比為45 dB，最大模擬增益為16 dB，可監控距離為5 m，圖像大小有VGA(640×480)、QVGA（320×240）、QCIF（160×120）。圖像采集模塊的連接較為簡單，攝像頭與STM32 的串口3 進行連接，現場的DTU 和STM32 的串口2 連接，經過透傳云，現場的DTU 把上位機的命令送入STM32，STM32 控制攝像頭拍照，照片先回傳到STM32，然后通過STM32 的串口2 發送給DTU，再傳入透傳云。

2.3 供電模塊

由于該系統安裝在偏遠的高山上，難以連接市電，故采用功率為30 W 的單晶硅太陽能板供電，太陽能控制器[4]直接連接太陽能板和太陽能專用蓄電池，太陽能蓄電池采用12 V12 Ah 的鉛酸蓄電池，太陽能控制器的型號為SS15-20A，太陽能控制器有3種工作模式，分別為用戶類型、純光控系統和光控+時控類型。光控+時控類型適用于24 h 供電的負載，該系統要求全天供電，所以設置太陽能控制器時選擇光控+時控類型，太陽能供電模塊如圖3 所示。12 V 的輸出可直接用于4G-DTU 的供電，同時可以通過AMS1117-3.3 芯片得到3.3 V 的電壓用于給STM32、MC1403 和攝像頭供電，太陽能控制器的負載輸出端可以直接連到AMS1117-3.3 的輸入端。

圖3 太陽能供電模塊

3 通信設計

3.1 通信方案選擇

碘化銀發生器設置在偏遠高山上，控制室在當地氣象局，點火需要遠程遙控[5]點火。根據表1中3 種主流的無線通信技術[6]的性能比較，可以得出：1）ZigBee 具有低速、低功耗、低成本的特點，傳輸距離近，主要用于通信距離100 m 范圍內，穿透性不高，不適用于遠程通信。2）LORA 是最近新興的物聯網技術，LORA 的特點是短距離、低功耗，常用于智慧城市、智慧農業、智能家居等，距離越長，通信速率越低，通信距離在城鎮達2～5 km，郊區可以達到15 km，但對于超過此距離的通信不能滿足要求。3）4G 網絡目前已覆蓋我國98%的村莊，4G 技術具有可靠性好，傳輸速率高，低延遲的特點，適合于大數據量的傳輸，如圖像、視頻的傳輸。該文設計選用4G 網絡進行通信。

表1 3種無線通信技術的性能比較

3.2 通信模塊

通信模塊選用型號為G785 的4G-DTU[7-8]進行通信，DTU 中內嵌了完整的TCP/IP 協議族。該DTU支持移動、聯通、電信的4G 信號高速接入，同時向下兼容，在沒有4G 網絡的地點自動連接3G 或2G 網絡[9]，DTU 支持串口模式（RS232 和RS485)，在該系統中采用DTU 的RS232 串口；支持TCP 客戶端和服務器模式、UDP 客戶端模式；支持兩路Socket 透傳模式和UDP 模式；支持網絡透傳模式和協議透傳模式；支持心跳包。在該設計中采用透傳云，透傳云是為了解決現場設備與上位機進行通信而開放的平臺,兩個DTU 進行點對點通過透傳云透傳數據，數據做到透明傳輸，用戶可以不掌握AT 指令，降低了開發難度，只要設置好兩個DTU 的分組，如端口號、波特率、數據位、串口參數等內容，在DTU 中插入物聯網卡，兩個DTU 就可以進行通信。

3.3 數據格式

上位機采用QT軟件編寫，發送的命令界面有發送和拍照兩個按鍵，對應兩種命令。采用自定義幀格式，封裝成IP包，進行數據傳輸。數據的傳輸方向分為下行傳輸和上行傳輸。數據下行傳輸時，PC機發送命令，數據通過DTU進入透傳云服務器進行透明傳輸，現場的DTU接收數據，把命令送入STM32。數據上行傳輸時，現場的焰條狀態和拍照圖片進行回傳至PC機。

從表2 可以看出發送按鍵對應的命令由10 個字節構成，幀頭設置為3個字節：0X01、0X02、0X03；第4字節為圖片尺寸：0X01、0X02、0X03 分別表示圖片尺寸為640×480、320×240、160×120；第5 字節為圖片壓縮率，0X00～0XFF 代表圖片壓縮率從0～100%；第6～10 字節一共有40 個位，為1 的位代表點燃對應通道中的焰條。

表2 發送按鍵對應的命令格式

從表3 可以看出拍照按鍵的指令為5 個0XFF，當拍照按鍵按下，上位機發出的命令為0XFF、0XFF、0XFF、0XFF、0XFF。

表3 拍照按鍵對應的命令格式

4 軟件設計

4.1 上位機軟件設計

上位機采用QT 軟件編寫界面[10-11]，QT 具有可移植性好的優點常用于嵌入式設備。如圖4 所示，在勾選框勾選點火的通道，在命令框中輸入圖片尺寸和壓縮率對應的編號，然后點擊發送按鍵和拍照按鍵。下位機接收到指令后進行點火操作拍照并回傳照片和焰條狀態，當焰條被點燃后焰條狀態圖標由對鉤狀變成斜線。

圖4 上位機界面

4.2 下位機軟件設計

下位機STM32 主要完成3 項功能：焰條點火、拍照并回傳圖片、回傳焰條狀態。根據圖5，STM32 首先解析上位機的命令（參照表2 和表3 中的命令格式），首先判斷是否是點火命令（對照上位機軟件界面中的“發送”按鍵），由于在串口的中斷程序中已經將串口緩存區里的數據存入數組rxdata，如果是點火命令，先解析圖片尺寸，代表圖片尺寸的數據存入rxdata[3]，rxdata[3]中存放的數據可以是0X01、0X02、0X03，它們分別表示圖片尺寸為640×480、320×240、160×120，圖片壓縮率存入rxdata[4]，rxdata[4]中存放的數據可以是0X00-0XFF，代表圖片壓縮率從0～100%，然后把代表點火通道的5 個數組元素rxdata[5]-rxdata[9](每個元素有8 位，每位代表一個通道，共表示40 個通道）的5 個數據送入shuzu[4]-shuzu[0]，在程序中通過檢測shuzu[4]-shuzu[0]中40 個位是“1”還是“0”，判斷需要點火通道，對該通道進行點火，并回傳焰條狀態。之后判斷是否有拍照命令（對應“拍照“按鍵），如果有拍照命令，拍照完成后把圖片數據回傳，圖片為JPEG 格式；如果無拍照命令，返回繼續判斷是否有點火命令。

圖5 下位機主程序流程圖

4.2.1 點火軟件設計

焰條的點火采用脈沖觸發點火，當需要點火時，連通點火通路，至少持續50 ms 的時間，根據圖2，以1 號通道為例，當沒有點火指令時PB2、PB1、PB0 都是低電平，當收到1 號通道的點火指令后，PB2、PB1都是低電平不變、PB0 設為高電平，延時50 ms，部分程序如下：

4.2.2 拍照回傳數據

在主程序中進行判斷，如果接收到的數據字節長度是5，并且每個字節的內容都為0XFF，說明是拍照命令（如表3所示），進行拍照并把數據回傳，STM32在對圖片進行轉發時采用了分段轉發的方式，因為根據實驗，如果一次把整張圖片轉發給DTU,DTU 進行透傳時上位機接收到的圖片不完整[12-16],有丟包現象，在降低DTU 波特率的情況下圖片傳輸仍然不完整，這是由于DTU 的緩存小，不能保存整張圖片，所以在發送圖片時采用分段轉發的方式。在本例中，單張圖片分段發送給DTU 的最大數據長度設為1 000，讀取所拍攝圖片數據的返回值為76 00 32 00 00 FF D8……FF D9 76 00 32 00 00，中間為圖片的數據。發送程序段延時1 500 ms，保證1 000 個字節的數據在1 500 ms 內發送出去，避免下一次發送的數據已經到達，覆蓋上一次還未發送出去的數據。圖6為單張圖片按每段1 000 字節分段轉發的流程圖，最后不足1 000 字節的部分按1 000 ms 內發送來設置。

圖6 單張圖片按每段1 000字節分段轉發的流程圖

以圖片大小為320×240，圖片壓縮率為21%（參照表2 的第5 字節，如沒有在上位機中設置，默認的數值為0×36),原圖為50 kB 的圖片為例。遠程傳輸圖片理論上用時為:50×1 024×21%/1 000×1 500 ms=16.128 s，加上網絡延時，實測17 s。

5 結論

采用該設計系統可以提高人工影響天氣的能力，其適用于農業增雨的地區。系統通過4G-DTU進行遠程數據傳輸,利用STM32F103ZET6 作為主控制器，接收上位機的命令，實現點火、拍照、回傳數據等功能。由于現場在偏遠高山，采用太陽能供電。為解決圖片遠程傳輸丟包的問題，采用圖片分段轉發的方式，同時利用4G 網絡傳輸速度快,適合大數據量的高速傳輸等優點，采用4G-DTU 進行遠程傳輸,實驗效果優于國內同類型產品。系統后續可改進升級的方向為實時視頻回傳，4G-DTU 也為系統的后續改進提供了可能性。