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:

　　使用同一平臺支持多種環(huán)境參數的無(wú)線(xiàn)測量，并達到機器人控制、遠端設定，與網(wǎng)絡(luò )資料分享的功能。 進(jìn)一步使用該系統了解雨林的微氣候（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(guò)NI LabVIEW 軟件與NI CompactRIO 平臺，我們開(kāi)發(fā)了無(wú)線(xiàn)傳感系統，可搜集多種環(huán)境測量資料、遠端設定功能、便于未來(lái)擴充設備，并讓研究者通過(guò)網(wǎng)絡(luò )于全世界的進(jìn)行測量。

　　"在過(guò)去，必須使用不同制造商的多種資料記錄器，才能夠進(jìn)行所有測量作業(yè)。CompactRIO可以通過(guò)單一平臺滿(mǎn)足現有測量需要，其靈活性又允許在需求變化時(shí)增加新的測量模塊。"

　　近年來(lái)，因全球變暖導致自然災害頻發(fā)。普遍觀(guān)點(diǎn)認為，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首。

　　為了研究溫室氣體排放到底對環(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 平臺在哥斯達黎加的熱帶雨林中部署了傳感器網(wǎng)絡(luò )，監測二氧化碳和其他物質(zhì)之間的流通轉變，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測結果，從而為全球變暖問(wèn)題的研究提供了第一手的數據資料。

　　地球表面以熱輻射的形式釋放吸收的太陽(yáng)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(guò)程就是溫室效應。近年來(lái)，隨著(zhù)二氧化碳、甲烷等能夠吸收紅外線(xiàn)輻射的氣體排放量增加，導致全球變暖。為了更好地理解溫室氣體排放對環(huán)境的影響，UCLA的研究團隊在哥斯達黎加東北部加勒比海沿岸的雨林中開(kāi)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構，碳通量的變化特別復雜?！叭笨诶碚摗笔菍μ纪繌碗s變化的一種假說(shuō)性解釋。它假設由樹(shù)木倒落等原因形成了森林樹(shù)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(shù)冠層中的對應點(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，需要對許多參數進(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(yáng)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(kāi)發(fā)了基于NI PAC平臺的可移動(dòng)無(wú)線(xiàn)自動(dòng)傳感系統，被稱(chēng)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(guò)去，要進(jìn)行多種物理量的測量需要使用來(lái)自多個(gè)廠(chǎng)商的多種數據記錄設備。NI CompactRIO 平臺支持NI 的C 系列模塊以及第三方廠(chǎng)商的模塊，可進(jìn)行廣泛的數據測量，在單一平臺上就可以滿(mǎn)足該項目的測量需求，同時(shí)還為未來(lái)提供了擴展和升級空間。SensorKit系統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，從而構成了一個(gè)能夠進(jìn)行三維測量的環(huán)境監測系統。所有進(jìn)行碳通量研究所需要的環(huán)境數據都通過(guò)模塊化的方法進(jìn)行采集，系統以CompactRIO 作為中央測量單元，同時(shí)選用NICompact FieldPoint 進(jìn)行分布式無(wú)線(xiàn)測量，利用NI WAP無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)在分布式傳感器、觀(guān)測塔和地面之間傳送數據。

              

                               雨林中監測系統部署示意圖

    與全球科學(xué)工作者分享數據

　　研究人員利用LabVIEW 連接到這些分布式“觀(guān)測站”，并且對CompactRIO控制器進(jìn)行編程。LabVIEW能夠為研究人員提供不同格式的測量數據，便于他們進(jìn)行后期分析?！癗I平臺的靈活性使我們可以通過(guò)連接到系統的便攜式電腦配置測量類(lèi)型，選擇通道，甚至增加擴展功能”，UCLA 的William Kaiser博士說(shuō)。該研究小組還通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為不在現場(chǎng)的研究人員和學(xué)生提供遠程數據訪(fǎng)問(wèn)。世界各地的研究人員使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器和LabVIEW的網(wǎng)絡(luò )功能，就可以訪(fǎng)問(wèn)和下載實(shí)時(shí)或存檔數據進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

　　使用該三維監測系統可以為證實(shí)“缺口理論”假說(shuō)提供所需數據，同時(shí)幫助科學(xué)家們更好地理解碳吸收對雨林的影響。Kaiser 博士希望這項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(guān)測站”

　　ni.com/compactrio/zhs

　　ni.com/compactfieldpoint/zhs

　　ni.com/green/zhs

　　量化問(wèn)題，解決問(wèn)題，綠色就在身邊

    NI 辦公室電力能源的實(shí)時(shí)監測

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

　　NI 上海的辦公區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。系統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(wú)需斷開(kāi)配電箱中現有的電路就能夠輕松獲取電流和電壓的信息。通過(guò)內置的藍牙發(fā)送器，傳感器能夠把數據信號無(wú)線(xiàn)發(fā)送到位于辦公室內的CompactRIO 主控制器中。在CompactRIO 中就可以進(jìn)行數據的初步處理和分析，并通過(guò)Web Service技術(shù)，經(jīng)由公司網(wǎng)絡(luò )發(fā)布到網(wǎng)絡(luò )數據庫中。工程師們無(wú)論在世界各地只要連上網(wǎng)絡(luò )就能夠實(shí)時(shí)觀(guān)看公司用電情況。

　　初步的測試系統運行后，工程師們發(fā)現照明用燈的耗電與服務(wù)器的耗電量相當，當即決定更換節能燈管，更換之后每只燈管的耗電量下降到原來(lái)的1/4，據測算若更換全部燈管，每月能為公司節省電費超過(guò)萬(wàn)元。在將來(lái)，Sensorkit 將被安裝到全公司，不僅檢測用電能耗，同時(shí)監測公司的水流，號召員工做綠色環(huán)保的NI 人。