利用開放的圖形化平臺創(chuàng)建綠色工程應用

引言
    在當前的經(jīng)濟危機下，各國政府紛紛出臺了一系列擴大內(nèi)需的政策，環(huán)境保護和技術是其中相當重要的一個方面：中國政府的十項措施中“加強生態(tài)環(huán)境建設”位列第五項，具體內(nèi)容包括“加快城鎮(zhèn)污水、垃圾處理設施建設和重點流域水污染防治”，“支持重點節(jié)能減排工程建設”； 美國總統(tǒng)奧巴馬也把清潔能源投資作為經(jīng)濟刺激方案的重點之一。
     其實在溫室效應日趨嚴重、環(huán)境問題日益嚴峻的今天，環(huán)境問題已經(jīng)成為了懸在人們頭上的達摩克利斯劍，研究地球環(huán)境變化的吉林大學地球探測科學與技術學院楊學祥教授在其博客中指出，長江水系已陷入深度危機，若不及時拯救，10年之內(nèi)，長江水系生態(tài)將瀕臨崩潰。長江中上游地區(qū)引進的眾多項目大都是污染嚴重的工業(yè)，完全可以用“企業(yè)林立，排污口密布，且大都直排入江”來形容。[1] 各國政府的擴大內(nèi)需、刺激經(jīng)濟政策正是適時地為環(huán)境治理、綠色能源安裝了強勁的推進器。
      如何加強生態(tài)環(huán)境建設，開發(fā)可行的清潔能源技術？科學家和工程師們是承擔這項任務的技術先鋒。綠色工程正是通過開放的圖形化開發(fā)平臺，為科學家和工程師們提供了測量、控制以及設計工具，幫助他們‘量化問題’，并進而‘解決問題’，降低產(chǎn)品的排污量，開發(fā)消耗更少能源的設備，創(chuàng)造可行的清潔能源技術，從而構建節(jié)約能源、保護環(huán)境的綠色應用。

什么是綠色工程 ？
     綠色工程包括開發(fā)新的清潔能源利用方式、提高現(xiàn)有產(chǎn)品的能源效率、以及環(huán)境和氣候變化的研究等等，其應用幾乎涉及各行各業(yè)。本質上進行綠色工程與進行任何其他類型的工程創(chuàng)新并沒有任何不同。首先，需要測量所關心的參數(shù)，例如電能質量和能耗；車輛以及工廠的排污量，例如水銀和氮氧化物等；環(huán)境數(shù)據(jù)，包括二氧化碳、溫度以及水質。這不僅是一個數(shù)據(jù)獲取和過程分析的過程，也是促使人們改變行為方式的契機。
  “我們發(fā)現(xiàn)對于能源和溫室氣體, 一旦你開始測量具體的數(shù)據(jù)，人們就會減少使用,” “測量不僅僅是簡單的任務, 一旦公司有一個合適的基準，他們就會開始考慮改變(使用能源的方式)”
- Linda Fisher, the chief sustainability officer at DuPont
- Excerpt from “A Change in Climate”, published in the January 2008 issue of the Economist
     通過‘量化問題’的過程，工程師們可以從數(shù)萬個可靠測量系統(tǒng)獲取前所未有的大量可靠精確數(shù)據(jù)，從而在此基礎上對產(chǎn)品和過程進行改進，創(chuàng)建更高效的技術與流程，設計并開發(fā)下一代產(chǎn)品和技術以‘解決問題’，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟上的利益。簡而言之，綠色工程可以概括為一個‘量化問題，解決問題’的過程。
通過開放的圖形化平臺創(chuàng)建綠色工程應用
   NI為綠色工程提供了開放的圖形化開發(fā)平臺，幫助工程師和科學家們進行測量、控制以及設計，圖形化系統(tǒng)設計是系統(tǒng)設計的一種新途徑，通過高效的軟件、高性能的硬件、軟硬件的無縫集成、可擴展的開放平臺，幫助工程師降低應用開發(fā)的復雜性，從而快速構建各類測試及控制應用。對于可再生能源、環(huán)境監(jiān)測、電能質量等專業(yè)應用領域，圖形化開發(fā)平臺讓設計人員能夠輕松將專業(yè)領域內(nèi)的前端設計轉化為實際的系統(tǒng)，從而設計并開發(fā)更高效、更環(huán)保的產(chǎn)品和技術。

 
     綠色工程的應用涵蓋幾乎各個行業(yè)，盡管對這些綠色工程的應用有許多分類方法，大部分應用可以歸入以下五個類別：
1、可再生能源發(fā)電
2、電能質量
3、環(huán)境監(jiān)測
4、機器與過程優(yōu)化
5、綠色產(chǎn)品與技術的開發(fā)和測試
下面的例子具體展示了綠色工程在環(huán)境監(jiān)測中的應用。
環(huán)境監(jiān)測
      隨著政府和工業(yè)界在努力減少溫室氣體的排放，科學界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機理、生態(tài)互動以及全球變暖的影響，并對它們進行建模。像這些復雜、混沌的系統(tǒng)需要十分精細的模型和仿真、大量超級計算機資源以及盡可能精確的基準數(shù)據(jù)。
     舉例而言，嵌入式網(wǎng)絡傳感中心（CENS）的研究員正在使用NI CompactRIO硬件平臺研究多種生態(tài)系統(tǒng)中碳的動態(tài)交換過程。CO2的特性之一是它會增強溫室效應，因為它能夠吸收紅外（IR）區(qū)域的光線。這種特性可以利用在包含紅外光源、光學濾波器和紅外探測器的光譜傳感器上。將濾波器調(diào)節(jié)到被CO2所吸收的紅外線波長，紅外探測器輸出就與CO2濃度成比例。研究員能夠方便地將這個傳感器的模擬輸出連接到例如CompactRIO等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓輸入或4至20 mA電流輸入。此外，許多如CO2探測器等環(huán)境傳感器具有SDI-12串行數(shù)據(jù)接口，利用這個接口可以把傳感器通過一個簡易適配器連接到CompactRIO上。將CO2濃度的數(shù)據(jù)與氣體流速的測量結果結合在一起，研究員就可以計算在森林頂蓋之間與其上方實際CO2的流量。其他CompactRIO系統(tǒng)測量在土壤表面下多個位置的CO2濃度和濕度，以便找出CO2的源頭。CompactRIO系統(tǒng)的分組使用了無線網(wǎng)絡，從而可以同時采集并記錄來自多個采樣點的數(shù)據(jù)，對正在研究的區(qū)域進行特征提取，將數(shù)據(jù)通過蜂窩(cell)節(jié)點或無線鏈路周期性地傳送到中心在線數(shù)據(jù)庫（見圖3）。
 
圖3：在哥斯達黎加的熱帶雨林中，CENS研究員使用CompactRIO和無線網(wǎng)絡同步采集并記錄來自多個采樣點的數(shù)據(jù)，并計算碳交換
CompactRIO監(jiān)測系統(tǒng)是作為原型系統(tǒng)所開發(fā)的，用于美國國家生態(tài)觀測站網(wǎng)絡（NEON），它是由美國國家自然基金會（NSF）所支持的洲際研究平臺。橫跨大洲的NEON工作站將會使用此系統(tǒng)測量在森林、土壤、大氣之間的CO2以及其他氣體的交換，以及植物、土壤、水體的物理、化學和微生物特性。數(shù)據(jù)將傳送到中央處理中心，并且與世界其他地區(qū)的科學家進行共享。目前，CompactRIO監(jiān)測系統(tǒng)正在哥斯達黎加的La Selva生物站持續(xù)工作， CompactRIO系統(tǒng)還被發(fā)布在加州的James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脈保護站中。
總結
   隨著社會的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)變化越來越嚴峻，我們比過去更加需要具備專業(yè)技能的創(chuàng)新工程師和科學家對世界進行變革和改進。綠色工程利用測量和控制技術對產(chǎn)品、技術和過程進行設計、開發(fā)和改進，通過‘量化問題’‘解決問題’構建綠色應用，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟上的利益。