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)境參數的無線測量，并達到機器人控制、遠端設定，與網絡資料分享的功能。 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，并讓研究者通過網絡于全世界的進行測量。

Enlarge

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絡，監(jiān)測二氧化碳和其他物質之間的流通轉變，并且利用LabVIEW 的網絡功能，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據資料。

  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”

  要研究碳通量的特性，需要對許多參數進行測量，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據記錄設備。NI CompactRIO 平臺支持NI 的C 系列模塊以及第三方廠商的模塊，可進行廣泛的數據測量，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)境數據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據。

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據

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據，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網為不在現場的研究人員和學生提供遠程數據訪問。世界各地的研究人員使用網頁瀏覽器和LabVIEW的網絡功能，就可以訪問和下載實時或存檔數據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”假說提供所需數據，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有的電路就能夠輕松獲取電流和電壓的信息。通過內置的藍牙發(fā)送器，傳感器能夠把數據信號無線發(fā)送到位于辦公室內的CompactRIO 主控制器中。在CompactRIO 中就可以進行數據的初步處理和分析，并通過Web Service技術，經由公司網絡發(fā)布到網絡數據庫中。工程師們無論在世界各地只要連上網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。