利用开放的图形化平台创建绿色工程应用

引言
在当前的经济危机下，各国政府纷纷出台了一系列扩大内需的政策，环境保护和技术是其中相当重要的一个方面：中国政府的十项措施中“加强生态环境建设”位列第五项，具体内容包括“加快城镇污水、垃圾处理设施建设和重点流域水污染防治”，“支持重点节能减排工程建设”； 美国总统奥巴马也把清洁能源投资作为经济刺激方案的重点之一。
其实在温室效应日趋严重、环境问题日益严峻的今天，环境问题已经成为了悬在人们头上的达摩克利斯剑，研究地球环境变化的吉林大学地球探测科学与技术学院杨学祥教授在其博客中指出，长江水系已陷入深度危机，若不及时拯救，10年之内，长江水系生态将濒临崩溃。长江中上游地区引进的众多项目大都是污染严重的工业，完全可以用“企业林立，排污口密布，且大都直排入江”来形容。[1] 各国政府的扩大内需、刺激经济政策正是适时地为环境治理、绿色能源安装了强劲的推进器。
如何加强生态环境建设，开发可行的清洁能源技术？科学家和工程师们是承担这项任务的技术先锋。绿色工程正是通过开放的图形化开发平台，为科学家和工程师们提供了测量、控制以及设计工具，帮助他们‘量化问题’，并进而‘解决问题’，降低产品的排污量，开发消耗更少能源的设备，创造可行的清洁能源技术，从而构建节约能源、保护环境的绿色应用。

什么是绿色工程 ？
绿色工程包括开发新的清洁能源利用方式、提高现有产品的能源效率、以及环境和气候变化的研究等等，其应用几乎涉及各行各业。本质上进行绿色工程与进行任何其他类型的工程创新并没有任何不同。首先，需要测量所关心的参数，例如电能质量和能耗；车辆以及工厂的排污量，例如水银和氮氧化物等；环境数据，包括二氧化碳、温度以及水质。这不仅是一个数据获取和过程分析的过程，也是促使人们改变行为方式的契机。
“我们发现对于能源和温室气体, 一旦你开始测量具体的数据，人们就会减少使用,” “测量不仅仅是简单的任务, 一旦公司有一个合适的基准，他们就会开始考虑改变(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
通过‘量化问题’的过程，工程师们可以从数万个可靠测量系统获取前所未有的大量可靠精确数据，从而在此基础上对产品和过程进行改进，创建更高效的技术与流程，设计并开发下一代产品和技术以‘解决问题’，最终获得环境以及经济上的利益。简而言之，绿色工程可以概括为一个‘量化问题，解决问题’的过程。
通过开放的图形化平台创建绿色工程应用
NI为绿色工程提供了开放的图形化开发平台，帮助工程师和科学家们进行测量、控制以及设计，图形化系统设计是系统设计的一种新途径，通过高效的软件、高性能的硬件、软硬件的无缝集成、可扩展的开放平台，帮助工程师降低应用开发的复杂性，从而快速构建各类测试及控制应用。对于可再生能源、环境监测、电能质量等专业应用领域，图形化开发平台让设计人员能够轻松将专业领域内的前端设计转化为实际的系统，从而设计并开发更高效、更环保的产品和技术。

绿色工程的应用涵盖几乎各个行业，尽管对这些绿色工程的应用有许多分类方法，大部分应用可以归入以下五个类别：
1、可再生能源发电
2、电能质量
3、环境监测
4、机器与过程优化
5、绿色产品与技术的开发和测试
下面的例子具体展示了绿色工程在环境监测中的应用。
环境监测
随着政府和工业界在努力减少温室气体的排放，科学界也在不断努力以求更完全地理解世界气候、碳交换机理、生态互动以及全球变暖的影响，并对它们进行建模。像这些复杂、混沌的系统需要十分精细的模型和仿真、大量超级计算机资源以及尽可能精确的基准数据。
举例而言，嵌入式网络传感中心（CENS）的研究员正在使用NI CompactRIO硬件平台研究多种生态系统中碳的动态交换过程。CO2的特性之一是它会增强温室效应，因为它能够吸收红外（IR）区域的光线。这种特性可以利用在包含红外光源、光学滤波器和红外探测器的光谱传感器上。将滤波器调节到被CO2所吸收的红外线波长，红外探测器输出就与CO2浓度成比例。研究员能够方便地将这个传感器的模拟输出连接到例如CompactRIO等数据采集系统的电压输入或4至20 mA电流输入。此外，许多如CO2探测器等环境传感器具有SDI-12串行数据接口，利用这个接口可以把传感器通过一个简易适配器连接到CompactRIO上。将CO2浓度的数据与气体流速的测量结果结合在一起，研究员就可以计算在森林顶盖之间与其上方实际CO2的流量。其他CompactRIO系统测量在土壤表面下多个位置的CO2浓度和湿度，以便找出CO2的源头。CompactRIO系统的分组使用了无线网络，从而可以同时采集并记录来自多个采样点的数据，对正在研究的区域进行特征提取，将数据通过蜂窝(cell)节点或无线链路周期性地传送到中心在线数据库（见图3）。

图3：在哥斯达黎加的热带雨林中，CENS研究员使用CompactRIO和无线网络同步采集并记录来自多个采样点的数据，并计算碳交换
CompactRIO监测系统是作为原型系统所开发的，用于美国国家生态观测站网络（NEON），它是由美国国家自然基金会（NSF）所支持的洲际研究平台。横跨大洲的NEON工作站将会使用此系统测量在森林、土壤、大气之间的CO2以及其他气体的交换，以及植物、土壤、水体的物理、化学和微生物特性。数据将传送到中央处理中心，并且与世界其他地区的科学家进行共享。目前，CompactRIO监测系统正在哥斯达黎加的La Selva生物站持续工作， CompactRIO系统还被发布在加州的James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脉保护站中。
总结
随着社会的环境和能源挑战变化越来越严峻，我们比过去更加需要具备专业技能的创新工程师和科学家对世界进行变革和改进。绿色工程利用测量和控制技术对产品、技术和过程进行设计、开发和改进，通过‘量化问题’‘解决问题’构建绿色应用，最终获得环境以及经济上的利益。