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)行測量。

      近年來，因全球變暖導(dǎo)致自然災(zāi)害頻發(fā)。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，以二氧化碳為主的溫室氣體排放是引起全球變暖的罪魁禍?zhǔn)住?/P>

      為了研究溫室氣體排放到底對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生多大影響，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員利用NI PAC 平臺(tái)在哥斯達(dá)黎加的熱帶雨林中部署了傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測二氧化碳和其他物質(zhì)之間的流通轉(zhuǎn)變，并且利用LabVIEW 的網(wǎng)絡(luò)功能，使世界各地的研究人員可以共享監(jiān)測結(jié)果，從而為全球變暖問題的研究提供了第一手的數(shù)據(jù)資料。

      地球表面以熱輻射的形式釋放吸收的太陽能，大氣層會(huì)再吸收部分能量并進(jìn)行循環(huán)，從而保持地球溫暖。這個(gè)過程就是溫室效應(yīng)。近年來，隨著二氧化碳、甲烷等能夠吸收紅外線輻射的氣體排放量增加，導(dǎo)致全球變暖。為了更好地理解溫室氣體排放對(duì)環(huán)境的影響，UCLA的研究團(tuán)隊(duì)在哥斯達(dá)黎加?xùn)|北部加勒比海沿岸的雨林中開展工作，測量在雨林地面和大氣之間的碳通量（Carbon Flux，即二氧化碳以及其他含碳物質(zhì)的流通交換）變化。熱帶雨林具有天然的生物多樣性，并且較其他陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收更多的二氧化碳，從而影響了本地乃至全球的氣候。但是在雨林中，由于多層次豐富多變的森林結(jié)構(gòu)，碳通量的變化特別復(fù)雜。“缺口理論”是對(duì)碳通量復(fù)雜變化的一種假說性解釋。它假設(shè)由樹木倒落等原因形成了森林樹冠層中的小缺口，這些小缺口像煙囪一樣將呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳排放到大氣中。但由于在雨林地面以及樹冠層中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行三維測量比較困難，二氧化碳的平衡通量很難監(jiān)測，這一理論一直難以證實(shí)。

叢林中布下“天羅地網(wǎng)”

      要研究碳通量的特性，需要對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行測量，包括溫度、二氧化碳、濕度、精確的三維風(fēng)力、熱通量、太陽輻射以及光合有效輻射（PAR）等。為了提高測量精度，確定不均衡碳通量的影響，研究人員開發(fā)了基于NI PAC平臺(tái)的可移動(dòng)無線自動(dòng)傳感系統(tǒng)，被稱為“SensorKit”，能夠測量在大氣和地面之間的碳元素以及其他物質(zhì)的流通交換。

      過去，要進(jìn)行多種物理量的測量需要使用來自多個(gè)廠商的多種數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。NI CompactRIO 平臺(tái)支持NI 的C 系列模塊以及第三方廠商的模塊，可進(jìn)行廣泛的數(shù)據(jù)測量，在單一平臺(tái)上就可以滿足該項(xiàng)目的測量需求，同時(shí)還為未來提供了擴(kuò)展和升級(jí)空間。SensorKit系統(tǒng)被布置在森林地面的多個(gè)位置，有些則被懸掛在空中的可移動(dòng)裝置上，從而構(gòu)成了一個(gè)能夠進(jìn)行三維測量的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。所有進(jìn)行碳通量研究所需要的環(huán)境數(shù)據(jù)都通過模塊化的方法進(jìn)行采集，系統(tǒng)以CompactRIO 作為中央測量單元，同時(shí)選用NICompact FieldPoint 進(jìn)行分布式無線測量，利用NI WAP無線接入點(diǎn)在分布式傳感器、觀測塔和地面之間傳送數(shù)據(jù)。

雨林中監(jiān)測系統(tǒng)部署示意圖

與全球科學(xué)工作者分享數(shù)據(jù)

       研究人員利用LabVIEW 連接到這些分布式“觀測站”，并且對(duì)CompactRIO控制器進(jìn)行編程。LabVIEW能夠?yàn)檠芯咳藛T提供不同格式的測量數(shù)據(jù)，便于他們進(jìn)行后期分析。“NI平臺(tái)的靈活性使我們可以通過連接到系統(tǒng)的便攜式電腦配置測量類型，選擇通道，甚至增加擴(kuò)展功能”，UCLA 的William Kaiser博士說。該研究小組還通過互聯(lián)網(wǎng)為不在現(xiàn)場的研究人員和學(xué)生提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。世界各地的研究人員使用網(wǎng)頁瀏覽器和LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能，就可以訪問和下載實(shí)時(shí)或存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

    使用該三維監(jiān)測系統(tǒng)可以為證實(shí)“缺口理論”假說提供所需數(shù)據(jù)，同時(shí)幫助科學(xué)家們更好地理解碳吸收對(duì)雨林的影響。Kaiser 博士希望這項(xiàng)研究能最終為碳元素的變化提供一個(gè)量化的方法，從而為防止氣候變暖提出更切實(shí)的辦法。

Kaiser 博士與懸掛在空中的可編程分布式“觀測站”

ni.com/compactrio/zhs

ni.com/compactfieldpoint/zhs

ni.com/green/zhs

量化問題，解決問題，綠色就在身邊

NI 辦公室電力能源的實(shí)時(shí)監(jiān)測

      雨林，是不是離日常的生活與工作太遠(yuǎn)了呢？實(shí)際上，綠色并不僅僅在遙遠(yuǎn)的哥斯達(dá)黎加。在上海的NI 總部，Sensorkit 就幫助工程師們關(guān)注身邊的綠色應(yīng)用。

      NI 上海的辦公區(qū)域電耗一直居高不下，為了了解各種電器的耗電情況，工程師們決定在公司安裝Sensorkit系統(tǒng)。系統(tǒng)被安裝在總配電箱中，由于采用了非接觸式的電流傳感器，無需斷開配電箱中現(xiàn)有的電路就能夠輕松獲取電流和電壓的信息。通過內(nèi)置的藍(lán)牙發(fā)送器，傳感器能夠把數(shù)據(jù)信號(hào)無線發(fā)送到位于辦公室內(nèi)的CompactRIO 主控制器中。在CompactRIO 中就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理和分析，并通過Web Service技術(shù)，經(jīng)由公司網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中。工程師們無論在世界各地只要連上網(wǎng)絡(luò)就能夠?qū)崟r(shí)觀看公司用電情況。

      初步的測試系統(tǒng)運(yùn)行后，工程師們發(fā)現(xiàn)照明用燈的耗電與服務(wù)器的耗電量相當(dāng)，當(dāng)即決定更換節(jié)能燈管，更換之后每只燈管的耗電量下降到原來的1/4，據(jù)測算若更換全部燈管，每月能為公司節(jié)省電費(fèi)超過萬元。在將來，Sensorkit 將被安裝到全公司，不僅檢測用電能耗，同時(shí)監(jiān)測公司的水流，號(hào)召員工做綠色環(huán)保的NI 人。