Author(s):
Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA
Dr. Philip Rundel - Department of Ecology and Evolutionary Biology, UCLA

Industry:
Biotechnology, Education, Research

Products:
CompactRIO, LabVIEW, Compact FieldPoint Controllers

The Challenge:
  使用同一平臺支持多種環(huán)境參數(shù)的無線測量，并達到機器人控制、遠端設定，與網(wǎng)絡資料分享的功能。 進一步使用該系統(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。

The Solution:
   通過NI LabVIEW 軟件與NI CompactRIO 平臺，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、遠端設定功能、便于未來擴充設備，并讓研究者通過網(wǎng)絡于全世界的進行測量。

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Kaiser 博士與懸掛在空中的可編程分布式“觀測站”

  近年來，因全球變暖導致自然災害頻發(fā)。普遍觀點認為，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)境會產(chǎn)生多大影響，加利福尼亞大學洛杉磯分校（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，監(jiān)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)絡功能，使世界各地的研究人員可以共享監(jiān)測結果，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，大氣層會再吸收部分能量并進行循環(huán)，從而保持地球溫暖。這個過程就是溫室效應。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變化的一種假說性解釋。它假設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應點進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。

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(shù)進行測量，包括溫度、二氧化碳、濕度、精確的三維風力、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平臺的可移動無線自動傳感系統(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，要進行多種物理量的測量需要使用來自多個廠商的多種數(shù)據(jù)記錄設備。NI CompactRIO 平臺支持NI 的C 系列模塊以及第三方廠商的模塊，可進行廣泛的數(shù)據(jù)測量，在單一平臺上就可以滿足該項目的測量需求，同時還為未來提供了擴展和升級空間。SensorKit系統(tǒng)被布置在森林地面的多個位置，有些則被懸掛在空中的可移動裝置上，從而構成了一個能夠進行三維測量的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。所有進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行采集，系統(tǒng)以CompactRIO 作為中央測量單元，同時選用NICompact FieldPoint 進行分布式無線測量，利用NI WAP無線接入點在分布式傳感器、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CompactRIO控制器進行編程。LabVIEW能夠為研究人員提供不同格式的測量數(shù)據(jù)，便于他們進行后期分析?！癗I平臺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)場的研究人員和學生提供遠程數(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)絡功能，就可以訪問和下載實時或存檔數(shù)據(jù)進行進一步的處理和分析。

使用該三維監(jiān)測系統(tǒng)可以為證實“缺口理論”假說提供所需數(shù)據(jù)，同時幫助科學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量化的方法，從而為防止氣候變暖提出更切實的辦法。

Kaiser 博士與懸掛在空中的可編程分布式“觀測站”

量化問題，解決問題，綠色就在身邊

NI 辦公室電力能源的實時監(jiān)測

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

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)置的藍牙發(fā)送器，傳感器能夠把數(shù)據(jù)信號無線發(fā)送到位于辦公室內(nèi)的CompactRIO 主控制器中。在CompactRIO 中就可以進行數(shù)據(jù)的初步處理和分析，并通過Web Service技術，經(jīng)由公司網(wǎng)絡發(fā)布到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中。工程師們無論在世界各地只要連上網(wǎng)絡就能夠實時觀看公司用電情況。

初步的測試系統(tǒng)運行后，工程師們發(fā)現(xiàn)照明用燈的耗電與服務器的耗電量相當，當即決定更換節(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，同時監(jiān)測公司的水流，號召員工做綠色環(huán)保的NI 人。