CN112927595A - 一种模拟降雨随机发生控制系统、方法、存储介质及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于人工模拟降雨技术领域，公开了一种模拟降雨随机发生控制系统、方法、存储介质及应用，基于单片机的仿真随机信号发生器与比例阀驱动模块连接，比例阀驱动模块与高精度电磁比例阀连接。基于单片机的仿真随机信号发生器上设置有人机对话控制面板、随机信号存储模块、无线通讯模块、软件支持系统。基于单片机的仿真随机信号发生器与太阳能供电系统、高精电磁比例阀、变频恒压水泵、流量即时测量系统和模拟降水出水装置等共同构成模拟降雨随机发生控制装置。本发明能够在野外或室内实验环境中实现：长时间、全自动、无人值守的降水格局模拟，能最大限度地模拟再现自然环境或预期中的降水统计特征，显著提高相关控制实验的准确度和可信度。

Description

一种模拟降雨随机发生控制系统、方法、存储介质及应用

技术领域

本发明属于人工模拟降雨技术领域，尤其涉及一种模拟降雨随机发生控制系统、方法、存储介质及应用。

背景技术

目前，气候变化已成为不争的事实，国内外科学界围绕该主题开展了大量的研究工作，其中生态系统如何响应气候变化等科学问题是近20年来最重要的科学命题之一。气候变化除了涉及温度变化还涉及降水格局，包括降水事件的平均水量、强度、频率。这些要素都极有可能在气候变化的大背景下发生改变，特别是在干旱半干旱环境中，有限的降水资源通常是生态系统最关键的限制因子，导致水分限制系统对降水特征、降水变异性的响应极为敏感。因此，在气候变化相关的科学实验中如何模拟真实的降水格局是实验能否成功的关键，目前多数相关研究是通过数学模型实现天气发生过程的构建，而在相关的长期生态学控制实验中只能通过简单的集水-截留装置改变降水事件的降水量，所以对降水的频率、强度等要素随机特征目前尚不能做到控制和模拟。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前多数相关研究是通过数学模型实现天气发生过程的构建，而在相关的长期生态学控制实验中只能通过简单的集水-截留装置改变降水事件的降水量，对降水的频率、强度等要素随机特征的控制和调节还几乎没有涉及，已有的自动化降雨模拟装置虽然能进行单次或数次降水事件的时长、强度等参数的精确控制，但并不能实现较长时间尺度上降水时间格局参数(如降水频率、发生时间等)的模拟。因此亟需一种新的模拟降雨随机发生控制装置和控制方法。

解决以上问题及缺陷的难度为：

①可通过模块化设计升级现有模拟降雨装置，借助已有的实验装置实现降水格局随机特征模拟，并将控制仪器的维护成本维持在合理区间内；②降雨随机发生过程控制装置的轻巧化和操作方式的简单化；③保证降雨随机发生过程控制方法的准确化和程序的容错能力；④保证输出信号的精度控制。

解决以上问题及缺陷的意义为：

①本装置采用单片机控制、低电设计，能够在野外或室内实验环境中实现：长时间、全自动、无人值守的降水格局模拟，同时体积小、结构轻巧，易于拆卸，设备建设、运行和维护成本都比较低廉，有利于中小项目的启动和现有降雨模拟设施的功能升级与普及。②由该装置模拟产生的降水事件发生时间、频率、单次事件的降水量，以及降水事件持续时长等特征参数能够符合预定的统计分布规律，可以反映干旱半干旱环境中自然或潜在的降水格局，能更好地满足科学研究对实验精度的要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟降雨随机发生控制系统、方法、存储介质及应用。本发明可以有效解决现有降水模拟装置不能模拟较长时间尺度上降水时间格局的问题，在原有的降水模拟器基础上，本发明为一种能够利用单片机生成符合某种分布规律的随机信号，并利用这种随机信号实现对模拟降水器的自动控制、产生在统计规律上逼近真实降水格局的装置。

本发明是一种模拟降雨随机发生控制系统，所述基于单片机的模拟降雨随机发生控制系统设置有：

基于单片机的仿真随机信号发生器、人机对话控制面板、随机信号存储模块、太阳能供电系统、高精电磁比例阀、比例阀驱动模块、变频恒压水泵、流量即时测量系统。

所述模拟降雨随机发生控制系统设置有基于单片机的仿真随机信号发生器；基于单片机的仿真随机信号发生器与比例阀驱动模块连接，比例阀驱动模块与高精度电磁比例阀连接。

进一步，所述基于单片机的仿真随机信号发生器上设置有人机对话控制面板、随机信号存储模块、无线通讯模块、软件支持系统。

进一步，所述基于单片机的仿真随机信号发生器分别与太阳能供电系统、高精电磁比例阀、变频恒压水泵、流量即时测量系统和模拟降水出水装置。

本发明另一目的在于提供一种所述模拟降雨随机发生控制系统的模拟降雨随机发生控制方法，所述模拟降雨随机发生控制方法，包括：

基于单片机的仿真随机信号发生器的驱动信号输出端与高精电磁比例阀驱动模块信号输入端连接，精确控制高精电磁比例阀的开度并配合变频恒压水泵获得相应强度的降水信号；

流量即时测量系统实时显示输出的模拟降水信号，随时检查发生器的工作状态；随机信号存储模块记录电信号与降水模拟信号的详细参数，并可以通过集成的无线通讯模块传输到电脑或远程设备以备后续分析；

太阳能供电系统为整个控制系统供电，电源电路的信号输出端与单片机的电源信号输入端连接。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明是一种基于单片机产生的仿真随机信号，在试验条件下通过精确控制供水系统实现对降水频率、降水量、强度等降水过程随机特征进行真实再现，以模拟不同气候环境下天然降水时间格局的装置。该装置是对传统生态学、水文学、以及气候变化等研究的室内外控制试验中关于人工模拟降水过程的显著改进，能最大限度的模拟自然气候条件或预期的气候变化条件下真实或潜在的降水时间格局，大幅节约相关实验中实施人工模拟降水过程的劳动量，提高实验结果的可信程度。本发明结构简单、集成度高、成本低、输出信号精度好，具有良好的社会效益。

同时本发明在生态或水文学控制试验中基于单片机产生的随机仿真信号，精确控制供水时间、供水量和供水过程，实现对降水频率、降水量以及降水过程随机特征的真实模拟，产生在统计意义上高度逼近自然降水事件的装置。由该装置模拟产生的降水事件发生频率、单次事件的降水量以及降水事件的持续时间等特征参数能够符合特定的统计分布规律，可以反映不同气候环境包括干旱半干旱环境中自然或潜在的降水时间格局。本装置采用单片机控制、低电设计，能够在野外或室内实验环境中实现：长时间、全自动、无人值守的降水格局模拟，能最大限度地模拟再现自然环境或预期中真实的降水统计特征，大幅节约相关的中长期实验中实施人工模拟降水过程中的劳动量和经济成本，显著提高相关控制实验的准确度和可信度。

与现有技术相比，本发明还具有如下优点：

(1)本发明能够实现对降水时间格局、降水过程的逼真模拟。

(2)本发明适用于多种气候环境特别是干旱半干旱环境。

(3)本发明兼容性好，可通过简单改造现有的降水模拟设备整合本装置。

(4)本发明可用于室内或室外的控制实验，装置模块化设计、集约程度高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，但下文所描述的附图仅仅是本申请的部分实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的模拟降雨随机发生控制系统结构示意图。

图中：1、基于单片机的仿真随机信号发生器；2、人机对话控制面板；3、随机信号存储模块；4、无线信号传输模块；5、太阳能供电系统；6、高精度电磁比例阀；7、比例阀驱动模块；8、变频恒压水泵；9、流量即时测量系统；10、储水装置；11、模拟降水储水装置；12、远程客户端及软件支持系统。

图2是本发明实施例提供的模拟降雨随机发生控制系统软件支持系统界面示意图。

图3是本发明实施例提供的中国西北干旱区某地降水深的概率分布图(λ＝1/6)。

图4是本发明实施例提供的降水格局示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟降雨随机发生控制系统、方法、存储介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的模拟降雨随机发生控制系统中，基于单片机的仿真随机信号发生器1上设置有人机对话控制面板2、随机信号存储模块3、无线传输模块4以及软件支持系统12。

基于单片机的仿真随机信号发生器1与比例阀驱动模块7连接，比例阀驱动模块7与高精度电磁比例阀6、流量即时测量系统9连接，构成系统控制信号发送与反馈回路。

基于太阳能供电系统5分别与单片机的仿真随机信号发生器1、变频恒压水泵8、比例阀驱动模块7、流量即时测量系统9相连，构成控制系统核心电路；

储水装置10与变频恒压水泵8、高精度电磁比例阀6、流量即时测量系统9、模拟降水出水装置11通过管道连接，构成控制系统主要的供水-出水的水流通道。

基于单片机的仿真随机信号发生器1与随机信号存储模块3、无线信号传输模块4、远程客户端及软件支持系统12，构成信号采集-存储-传输-维护的数据传输通道。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明中基于单片机的仿真随机信号发生器1是一种集成了多种备选随机分布的电信号源发生器。

人机对话控制面板2是指被集成在信号发生器上的液晶显示板，在显示板上可通过单片机对应的键盘输入降水平均降水量、降水事件平均时间间隔等特征参数的期望值。

随机信号存储模块3同样被集成在信号发生器上，该模块可记录电信号与降水模拟信号的详细参数，并可以通过集成的无线信号传输模块4传输到外置电脑或远程设备12以备后续分析。

高精电磁比例阀6、比例阀驱动模块7、变频恒压水泵8是本发明中将电信号转换为降水事件的重要部件，单片机的驱动信号输出端与高精电磁比例阀驱动模块7的信号输入端连接，可精确控制高精电磁比例阀6的开度并配合变频恒压水泵获得相应强度的降水信号。

流量即时测量系统9用于实时显示输出的模拟降水信号，以方便随时检查发生器的工作状态。

太阳能供电系统5为整个控制系统和变频恒压水泵8供电，其电源电路的信号输出端与单片机的电源信号输入端连接。

软件支持系统12(图2)，与外置电脑或远程终端通讯实现数据下载和在线浏览。

本发明基于单片机的仿真随机信号发生器1的驱动信号输出端与高精电磁比例阀驱动模块7信号输入端连接，精确控制高精电磁比例阀6的开度并配合变频恒压水泵获得相应强度的降水信号。流量即时测量系统9实时反馈输出的模拟降水信号，随时检查发生器的工作状态。随机信号存储模块3记录电信号与降水模拟信号的详细参数，并可以通过集成的无线信号传输模块4传输到外置电脑或远程设备以备后续分析。太阳能供电系统4为整个控制系统和变频恒压水泵8供电，其电源电路的信号输出端与单片机的电源信号输入端连接。事实上，基于单片机的仿真随机信号发生器1可以同时控制多套上文所述及的水流通道(既6-11)，能方便的实现多个不同处理的降水模拟，极大的节约劳动和材料成本。

图2模拟降雨随机发生控制系统软件支持系统界面。

具体案例：以我国西北干旱区某地为例，该地区多年生长季(4-10月)平均降水量约为90mm，平均降水频率约为15次，单次降水平均降水量约为6mm，基于长期气象数据的统计结果表明，该地区降水特征参数服从某种分布函数(图3)。根据IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会，Intergovernmental Panel on Climate Change)未来气候情景分析以及其它相关研究结果，我国西北干旱区气候未来将变暖变湿，同时异常气候事件的发生将更加频繁。为了研究干旱区植物在上述气候变化情景下，特别是降水格局改变的条件下植被生态系统如何响应，需要通过模拟降水创造相应的控制实验条件，但传统的模拟降水装置多数均只能实现单次降水过程的模拟，无法实现对自然条件下或变化情景下降水格局进行真实模拟，通过本发明或整合本发明中述及的模拟降雨随机发生控制系统则可以在室内或室外方便的实现该功能，如：可通过图1所示的人机对话界面2，控制3套本发明中提及的配套供水装置，并设置降水频率λ＝10,15,25次/年、平均降水量α＝9,6,4mm/次和降水持续时间t＝30分钟(图4)，即可简单方便地实现3种不同降水格局的模拟。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟降雨随机发生控制系统，其特征在于，所述模拟降雨随机发生控制系统设置有：

基于单片机的仿真随机信号发生器；

基于单片机的仿真随机信号发生器与比例阀驱动模块连接，比例阀驱动模块与高精电磁比例阀连接。

2.如权利要求1所述的模拟降雨随机发生控制系统，其特征在于，所述基于单片机的仿真随机信号发生器上设置有人机对话控制面板、随机信号存储模块、无线通讯模块、软件支持系统。

3.如权利要求1所述的模拟降雨随机发生控制系统，其特征在于，所述基于单片机的仿真随机信号发生器分别与太阳能供电系统、高精电磁比例阀、变频恒压水泵、流量即时测量系统和模拟降水出水装置相连接。

4.一种如权利要求1～3任意一项所述模拟降雨随机发生控制系统的模拟降雨随机发生控制方法，其特征在于，所述模拟降雨随机发生控制方法包括：

基于单片机的仿真随机信号发生器的驱动信号输出端与高精电磁比例阀驱动模块信号输入端连接，精确控制高精电磁比例阀的开度并配合变频恒压水泵获得相应强度的降水信号；

流量即时测量系统实时显示输出的模拟降水信号，随时检查发生器的工作状态；随机信号存储模块记录电信号与降水模拟信号的详细参数，并可以通过集成的无线通讯模块传输到外置电脑或远程设备以备后续分析；

太阳能供电系统为整个控制系统供电，电源电路的信号输出端与单片机的电源信号输入端连接。

5.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

基于单片机的仿真随机信号发生器的驱动信号输出端与高精电磁比例阀驱动模块信号输入端连接，精确控制高精电磁比例阀的开度并配合变频恒压水泵获得相应强度的降水信号；

流量即时测量系统实时显示输出的模拟降水信号，随时检查发生器的工作状态；随机信号存储模块记录电信号与降水模拟信号的详细参数，并可以通过集成的无线通讯模块传输到外置电脑或远程设备以备后续分析；

太阳能供电系统为整个控制系统供电，电源电路的信号输出端与单片机的电源信号输入端连接。

6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

基于单片机的仿真随机信号发生器的驱动信号输出端与高精电磁比例阀驱动模块信号输入端连接，精确控制高精电磁比例阀的开度并配合变频恒压水泵获得相应强度的降水信号；

流量即时测量系统实时显示输出的模拟降水信号，随时检查发生器的工作状态；随机信号存储模块记录电信号与模拟降水信号的详细参数，并可以通过集成的无线通讯模块传输到外置电脑或远程设备以备后续分析；

太阳能供电系统为整个控制系统供电，电源电路的信号输出端与单片机的电源信号输入端连接。

7.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现4所述的模拟降雨随机发生控制方法。

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