|
作者:
Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA
Dr. Philip Rundel - Department of Ecology and Evolutionary Biology, UCLA
行業:
生命科學, 大學/教育, 科研
產品:
CompactRIO, LabVIEW, Compact FieldPoint控製器
挑戰:
使用同一平台支持多種環境參數的無線測量，並達到機器人控製、遠端設定，與網絡資料分享的功能。 進一步使用該係統了解雨林的微氣候(Microclimate)特性，以及雨林地麵與大氣之間的碳通量變化。
解決方案:
通過NI LabVIEW 軟件與NI CompactRIO 平台，我們開發了無線傳感係統，可搜集多種環境測量資料、遠端設定功能、便於未來擴充設備，並讓研究者通過網絡於全世界的進行測量。
"在過去，必須使用不同製造商的多種資料記錄器，才能夠進行所有測量作業。⋯CompactRIO可以通過單一平台滿足現有測量需要，其靈活性又允許在需求變化時增加新的測量模塊。"
地球大氣層吸收了將近70%的太陽能量。 當地球表麵以輻射熱能的方式釋放此能量，大氣層接著吸收並循環大部分的熱能，以維持地球的溫度。 此過程即為溫室效應。 在近幾年來，如二氧化碳（CO2）、甲烷，與一氧化二碳易於吸收輻射熱能的氣體排放量不斷提升，溫室效應亦愈行劇烈。
在哥斯達黎加雨林中進行碳通量（Carbon Flux）研究
為了進一步了解溫室氣體對環境的衝擊，研究者通過對哥斯達黎加雨林的La Selva 生態站進行相關研究，來測量CO2的變化（亦即碳通量），並了解大氣與雨林地之間的物質關係。 觀測範圍為3900 平方公尺的熱帶雨林區。 熱帶雨林可吸收的CO2量遠高於其他生態係統，也因此影響當地與全球的氣候。然而，由於雨林生態可分為多重結構層，因此其中的碳通量亦極為複雜。
CENS 使用NI 技術開發環境測量係統
布置在哥斯達黎加的環境測量平台，是以LabVIEW 軟件與CompactRIO 硬件為架構的網絡化信息機械係統（Networkedinfomechanical system，簡稱NIMS），由加州大學洛杉磯分校（UCLA）的嵌入式網絡傳感中心（Center for EmbeddedNetworked Sensing，簡稱CENS）成功開發。 CENS針對重要的科學應用，專責開發嵌入式的網絡傳感係統。 CENS 是由美國國家科學基金會（NSF）的科學與技術中心所主導，跨學科、多機構的研究中心。
為(wei)了(le)提(ti)升(sheng)測(ce)量(liang)精(jing)確(que)度(du)，並(bing)了(le)解(jie)不(bu)均(jun)勻(yun)碳(tan)通(tong)量(liang)的(de)影(ying)響(xiang)，我(wo)們(men)開(kai)發(fa)了(le)便(bian)攜(xie)式(shi)的(de)懸(xuan)掛(gua)無(wu)線(xian)機(ji)器(qi)人(ren)傳(chuan)感(gan)係(xi)統(tong)，可(ke)測(ce)量(liang)碳(tan)和(he)其(qi)他(ta)物(wu)質(zhi)在(zai)大(da)氣(qi)與(yu)地(di)麵(mian)之(zhi)間(jian)的(de)轉(zhuan)移(yi)狀(zhuang)態(tai)。 碳通量的測量作業必須搭配多種必要測量，包含溫度、CO2、濕度、精確的3D 風移動量、熱通量（Heatflux）、太陽輻射，以及光合作用有效能量（PAR）。 在過去，必須使用不同製造商的多種資料記錄器，才能夠進行所有測量作業。CENS選擇了模塊化的CompactRIO，以支持多種測量和傳感器。CompactRIO 可以通過單一平台滿足現有測量需要，其靈活性又允許在需求變化時增加新的測量模塊。
無線傳感器的布署
在La Selva 生態站的第一階段現場測試中，將依序暫時布署3 組NIMS環境監控係統。CompactRIO係統將配合使用多種儀器，包含基礎氣象測量工具、音波風速計（Sonic anemometer）、紅外線傳感器，輻射計（Radiometer），獲取碳通量所需的所有環境資料。無線傳感器係統以點狀方式分布於雨林地麵，通過懸掛式機器人穿梭機，建構可進行3D 測量的環境監控係統。
在初始的測試布署作業中，我們將雨林植披的範圍依高度橫切為3 個部分，並分別架設電纜線以構建可移動的無線傳感平台。在布署期間，每個高度區間的穿梭機將以1 公尺為間隔，分別停留30秒，讓傳感器進行必要的測量作業。 每個高度區間完成一次循環均需要30 分鍾，並以24 小時連續執行。
以LabVIEW 為架構的係統優勢
係統以NI CompactRIO 做為中心測量單位，NI CompactFieldPoint 則用於分散式無線測量作業。NI 無線存取點WirelessAccess Point（WAP-3701）則用於傳輸分散式傳感器、觀測塔，與植披地麵之間的資料。
LabVIEW 用於連接分布式無線測量平台。 通過LabVIEW，我們可以使用不同的資料格式支持當地的研究者，讓他們進行後分析（Post-analysis）作業。 由於LabVIEW 的靈活性，我們可以設定測量類型、選擇所需通道，甚至從連接係統的筆記型電腦進行調整作業。
LabVIEW也具有實時嵌入式處理的高級分析工具，可讓遠端研究者執行當地的質量通量（Mass flux）分析與後處理作業。 此外，LabVIEW還提供HMI，讓使用者可看到即時測量作業。 在開發出此實時分析係統之前，研究者必須親至現場，耗費極長的時間搜集大量資料，並將數據帶回實驗室才能進行資料分析。
此外，我們並可通過網絡傳輸遠端資料，發送至未親臨現場的研究者與學生。 通過網絡瀏覽器與LabVIEW的de網wang絡luo功gong能neng，研yan究jiu者zhe將jiang可ke存cun取qu並bing下xia載zai即ji時shi或huo備bei份fen資zi料liao，以yi用yong於yu自zi己ji的de分fen析xi作zuo業ye。通tong過guo此ci研yan究jiu，科ke學xue家jia可ke進jin一yi步bu了le解jie碳tan吸xi收shou作zuo用yong對dui雨yu林lin的de衝chong擊ji，並bing計ji算suan出chu雨yu林lin所suo能neng吸xi收shou的de碳tan最zui大da值zhi，找zhao出chu地di球qiu所suo能neng處chu理li的de最zui佳jia碳tan含han量liang。
|
