作者:
Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA
Dr. Philip Rundel - Department of Ecology and Evolutionary Biology, UCLA

行業(yè):
生命科學(xué), 大學(xué)/教育, 科研

產(chǎn)品:
CompactRIO, LabVIEW, Compact FieldPoint控制器

挑戰(zhàn):
使用同一平臺(tái)支持多種環(huán)境參數(shù)的無線測(cè)量，并達(dá)到機(jī)器人控制、遠(yuǎn)端設(shè)定，與網(wǎng)絡(luò)資料分享的功能。 進(jìn)一步使用該系統(tǒng)了解雨林的微氣候(Microclimate)特性，以及雨林地面與大氣之間的碳通量變化。

解決方案:
通過NI LabVIEW 軟件與NI CompactRIO 平臺(tái)，我們開發(fā)了無線傳感系統(tǒng)，可搜集多種環(huán)境測(cè)量資料、遠(yuǎn)端設(shè)定功能、便于未來擴(kuò)充設(shè)備，并讓研究者通過網(wǎng)絡(luò)于全世界的進(jìn)行測(cè)量。

地球大氣層吸收了將近70%的太陽能量。 當(dāng)?shù)厍虮砻嬉暂椛錈崮艿姆绞结尫糯四芰?，大氣層接著吸收并循環(huán)大部分的熱能，以維持地球的溫度。 此過程即為溫室效應(yīng)。 在近幾年來，如二氧化碳（CO2）、甲烷，與一氧化二碳易于吸收輻射熱能的氣體排放量不斷提升，溫室效應(yīng)亦愈行劇烈。

在哥斯達(dá)黎加雨林中進(jìn)行碳通量（Carbon Flux）研究

為了進(jìn)一步了解溫室氣體對(duì)環(huán)境的沖擊，研究者通過對(duì)哥斯達(dá)黎加雨林的La Selva 生態(tài)站進(jìn)行相關(guān)研究，來測(cè)量CO2的變化（亦即碳通量），并了解大氣與雨林地之間的物質(zhì)關(guān)系。 觀測(cè)范圍為3900 平方公尺的熱帶雨林區(qū)。 熱帶雨林可吸收的CO2量遠(yuǎn)高于其他生態(tài)系統(tǒng)，也因此影響當(dāng)?shù)嘏c全球的氣候。然而，由于雨林生態(tài)可分為多重結(jié)構(gòu)層，因此其中的碳通量亦極為復(fù)雜。

CENS 使用NI 技術(shù)開發(fā)環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)

布置在哥斯達(dá)黎加的環(huán)境測(cè)量平臺(tái)，是以LabVIEW 軟件與CompactRIO 硬件為架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化信息機(jī)械系統(tǒng)（Networkedinfomechanical system，簡(jiǎn)稱NIMS），由加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感中心（Center for EmbeddedNetworked Sensing，簡(jiǎn)稱CENS）成功開發(fā)。 CENS針對(duì)重要的科學(xué)應(yīng)用，專責(zé)開發(fā)嵌入式的網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)。 CENS 是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的科學(xué)與技術(shù)中心所主導(dǎo)，跨學(xué)科、多機(jī)構(gòu)的研究中心。

為了提升測(cè)量精確度，并了解不均勻碳通量的影響，我們開發(fā)了便攜式的懸掛無線機(jī)器人傳感系統(tǒng)，可測(cè)量碳和其他物質(zhì)在大氣與地面之間的轉(zhuǎn)移狀態(tài)。 碳通量的測(cè)量作業(yè)必須搭配多種必要測(cè)量，包含溫度、CO2、濕度、精確的3D 風(fēng)移動(dòng)量、熱通量（Heatflux）、太陽輻射，以及光合作用有效能量（PAR）。 在過去，必須使用不同制造商的多種資料記錄器，才能夠進(jìn)行所有測(cè)量作業(yè)。CENS選擇了模塊化的CompactRIO，以支持多種測(cè)量和傳感器。CompactRIO 可以通過單一平臺(tái)滿足現(xiàn)有測(cè)量需要，其靈活性又允許在需求變化時(shí)增加新的測(cè)量模塊。

無線傳感器的布署

在La Selva 生態(tài)站的第一階段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，將依序暫時(shí)布署3 組NIMS環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。CompactRIO系統(tǒng)將配合使用多種儀器，包含基礎(chǔ)氣象測(cè)量工具、音波風(fēng)速計(jì)（Sonic anemometer）、紅外線傳感器，輻射計(jì)（Radiometer），獲取碳通量所需的所有環(huán)境資料。無線傳感器系統(tǒng)以點(diǎn)狀方式分布于雨林地面，通過懸掛式機(jī)器人穿梭機(jī)，建構(gòu)可進(jìn)行3D 測(cè)量的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

在初始的測(cè)試布署作業(yè)中，我們將雨林植披的范圍依高度橫切為3 個(gè)部分，并分別架設(shè)電纜線以構(gòu)建可移動(dòng)的無線傳感平臺(tái)。在布署期間，每個(gè)高度區(qū)間的穿梭機(jī)將以1 公尺為間隔，分別停留30秒，讓傳感器進(jìn)行必要的測(cè)量作業(yè)。 每個(gè)高度區(qū)間完成一次循環(huán)均需要30 分鐘，并以24 小時(shí)連續(xù)執(zhí)行。

以LabVIEW 為架構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)以NI CompactRIO 做為中心測(cè)量單位，NI CompactFieldPoint 則用于分散式無線測(cè)量作業(yè)。NI 無線存取點(diǎn)WirelessAccess Point（WAP-3701）則用于傳輸分散式傳感器、觀測(cè)塔，與植披地面之間的資料。

LabVIEW 用于連接分布式無線測(cè)量平臺(tái)。 通過LabVIEW，我們可以使用不同的資料格式支持當(dāng)?shù)氐难芯空?，讓他們進(jìn)行后分析（Post-analysis）作業(yè)。 由于LabVIEW 的靈活性，我們可以設(shè)定測(cè)量類型、選擇所需通道，甚至從連接系統(tǒng)的筆記型電腦進(jìn)行調(diào)整作業(yè)。

LabVIEW也具有實(shí)時(shí)嵌入式處理的高級(jí)分析工具，可讓遠(yuǎn)端研究者執(zhí)行當(dāng)?shù)氐馁|(zhì)量通量（Mass flux）分析與后處理作業(yè)。 此外，LabVIEW還提供HMI，讓使用者可看到即時(shí)測(cè)量作業(yè)。 在開發(fā)出此實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)之前，研究者必須親至現(xiàn)場(chǎng)，耗費(fèi)極長(zhǎng)的時(shí)間搜集大量資料，并將數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行資料分析。

此外，我們并可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)端資料，發(fā)送至未親臨現(xiàn)場(chǎng)的研究者與學(xué)生。 通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能，研究者將可存取并下載即時(shí)或備份資料，以用于自己的分析作業(yè)。通過此研究，科學(xué)家可進(jìn)一步了解碳吸收作用對(duì)雨林的沖擊，并計(jì)算出雨林所能吸收的碳最大值，找出地球所能處理的最佳碳含量。