利用開放的圖形化平臺(tái)創(chuàng)建綠色工程應(yīng)用

引言
    在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)下，各國(guó)政府紛紛出臺(tái)了一系列擴(kuò)大內(nèi)需的政策，環(huán)境保護(hù)和技術(shù)是其中相當(dāng)重要的一個(gè)方面：中國(guó)政府的十項(xiàng)措施中“加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)”位列第五項(xiàng)，具體內(nèi)容包括“加快城鎮(zhèn)污水、垃圾處理設(shè)施建設(shè)和重點(diǎn)流域水污染防治”，“支持重點(diǎn)節(jié)能減排工程建設(shè)”； 美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬也把清潔能源投資作為經(jīng)濟(jì)刺激方案的重點(diǎn)之一。
     其實(shí)在溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重、環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天，環(huán)境問題已經(jīng)成為了懸在人們頭上的達(dá)摩克利斯劍，研究地球環(huán)境變化的吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊學(xué)祥教授在其博客中指出，長(zhǎng)江水系已陷入深度危機(jī)，若不及時(shí)拯救，10年之內(nèi)，長(zhǎng)江水系生態(tài)將瀕臨崩潰。長(zhǎng)江中上游地區(qū)引進(jìn)的眾多項(xiàng)目大都是污染嚴(yán)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(lái)形容。[1] 各國(guó)政府的擴(kuò)大內(nèi)需、刺激經(jīng)濟(jì)政策正是適時(shí)地為環(huán)境治理、綠色能源安裝了強(qiáng)勁的推進(jìn)器。
      如何加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，開發(fā)可行的清潔能源技術(shù)？科學(xué)家和工程師們是承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)的技術(shù)先鋒。綠色工程正是通過開放的圖形化開發(fā)平臺(tái)，為科學(xué)家和工程師們提供了測(cè)量、控制以及設(shè)計(jì)工具，幫助他們‘量化問題’，并進(jìn)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(shè)備，創(chuàng)造可行的清潔能源技術(shù)，從而構(gòu)建節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的綠色應(yīng)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(yīng)用幾乎涉及各行各業(yè)。本質(zhì)上進(jìn)行綠色工程與進(jìn)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(cè)量所關(guān)心的參數(shù)，例如電能質(zhì)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(zhì)。這不僅是一個(gè)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(jī)。
  “我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于能源和溫室氣體, 一旦你開始測(cè)量具體的數(shù)據(jù)，人們就會(huì)減少使用,” “測(cè)量不僅僅是簡(jiǎn)單的任務(wù), 一旦公司有一個(gè)合適的基準(zhǔn)，他們就會(huì)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(wàn)個(gè)可靠測(cè)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(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品和過程進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)建更高效的技術(shù)與流程，設(shè)計(jì)并開發(fā)下一代產(chǎn)品和技術(shù)以‘解決問題’，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的利益。簡(jiǎn)而言之，綠色工程可以概括為一個(gè)‘量化問題，解決問題’的過程。
通過開放的圖形化平臺(tái)創(chuàng)建綠色工程應(yīng)用
   NI為綠色工程提供了開放的圖形化開發(fā)平臺(tái)，幫助工程師和科學(xué)家們進(jìn)行測(cè)量、控制以及設(shè)計(jì)，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種新途徑，通過高效的軟件、高性能的硬件、軟硬件的無(wú)縫集成、可擴(kuò)展的開放平臺(tái)，幫助工程師降低應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性，從而快速構(gòu)建各類測(cè)試及控制應(yīng)用。對(duì)于可再生能源、環(huán)境監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量等專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，圖形化開發(fā)平臺(tái)讓設(shè)計(jì)人員能夠輕松將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的前端設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的系統(tǒng)，從而設(shè)計(jì)并開發(fā)更高效、更環(huán)保的產(chǎn)品和技術(shù)。

 
     綠色工程的應(yīng)用涵蓋幾乎各個(gè)行業(yè)，盡管對(duì)這些綠色工程的應(yīng)用有許多分類方法，大部分應(yīng)用可以歸入以下五個(gè)類別：
1、可再生能源發(fā)電
2、電能質(zhì)量
3、環(huán)境監(jiān)測(cè)
4、機(jī)器與過程優(yōu)化
5、綠色產(chǎn)品與技術(shù)的開發(fā)和測(cè)試
下面的例子具體展示了綠色工程在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。
環(huán)境監(jiān)測(cè)
      隨著政府和工業(yè)界在努力減少溫室氣體的排放，科學(xué)界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機(jī)理、生態(tài)互動(dòng)以及全球變暖的影響，并對(duì)它們進(jìn)行建模。像這些復(fù)雜、混沌的系統(tǒng)需要十分精細(xì)的模型和仿真、大量超級(jí)計(jì)算機(jī)資源以及盡可能精確的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
     舉例而言，嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感中心（CENS）的研究員正在使用NI CompactRIO硬件平臺(tái)研究多種生態(tài)系統(tǒng)中碳的動(dòng)態(tài)交換過程。CO2的特性之一是它會(huì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)，因?yàn)樗軌蛭占t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(xué)濾波器和紅外探測(cè)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(zhǎng)，紅外探測(cè)器輸出就與CO2濃度成比例。研究員能夠方便地將這個(gè)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(cè)器等環(huán)境傳感器具有SDI-12串行數(shù)據(jù)接口，利用這個(gè)接口可以把傳感器通過一個(gè)簡(jiǎn)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(cè)量結(jié)果結(jié)合在一起，研究員就可以計(jì)算在森林頂蓋之間與其上方實(shí)際CO2的流量。其他CompactRIO系統(tǒng)測(cè)量在土壤表面下多個(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而可以同時(shí)采集并記錄來(lái)自多個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)正在研究的區(qū)域進(jìn)行特征提取，將數(shù)據(jù)通過蜂窩(cell)節(jié)點(diǎn)或無(wú)線鏈路周期性地傳送到中心在線數(shù)據(jù)庫(kù)（見圖3）。
 
圖3：在哥斯達(dá)黎加的熱帶雨林中，CENS研究員使用CompactRIO和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同步采集并記錄來(lái)自多個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算碳交換
CompactRIO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是作為原型系統(tǒng)所開發(fā)的，用于美國(guó)國(guó)家生態(tài)觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)（NEON），它是由美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)（NSF）所支持的洲際研究平臺(tái)。橫跨大洲的NEON工作站將會(huì)使用此系統(tǒng)測(cè)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(xué)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(xué)家進(jìn)行共享。目前，CompactRIO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在哥斯達(dá)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(hù)站中。
總結(jié)
   隨著社會(huì)的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)變化越來(lái)越嚴(yán)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(xué)家對(duì)世界進(jìn)行變革和改進(jìn)。綠色工程利用測(cè)量和控制技術(shù)對(duì)產(chǎn)品、技術(shù)和過程進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)和改進(jìn)，通過‘量化問題’‘解決問題’構(gòu)建綠色應(yīng)用，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)上的利益。