捕捉溫室氣體排量變化的蛛絲馬跡

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(tái)支持多種環(huán)境參數(shù)的無(wú)線測(cè)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。

The Solution:
   通過(guò)NI LabVIEW 軟件與NI CompactRIO 平臺(tái)，我們開(kāi)發(fā)了無(wú)線傳感系統(tǒng)，可搜集多種環(huán)境測(cè)量資料、遠(yuǎn)端設(shè)定功能、便于未來(lái)擴(kuò)充設(shè)備，并讓研究者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)于全世界的進(jìn)行測(cè)量。

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Kaiser 博士與懸掛在空中的可編程分布式“觀測(cè)站”

  近年來(lái)，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(cè)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(cè)結(jié)果，從而為全球變暖問(wèn)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(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(yīng)。近年來(lái)，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(kāi)展工作，測(cè)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(shuō)性解釋。它假設(shè)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(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行三維測(cè)量比較困難，二氧化碳的平衡通量很難監(jiān)測(cè)，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(cè)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(cè)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(tái)的可移動(dòng)無(wú)線自動(dòng)傳感系統(tǒng)，被稱為“SensorKit”，能夠測(cè)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(cè)量需要使用來(lái)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(cè)量，在單一平臺(tái)上就可以滿足該項(xiàng)目的測(cè)量需求，同時(shí)還為未來(lái)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(cè)量的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(guò)模塊化的方法進(jìn)行采集，系統(tǒng)以CompactRIO 作為中央測(cè)量單元，同時(shí)選用NICompact FieldPoint 進(jìn)行分布式無(wú)線測(cè)量，利用NI WAP無(wú)線接入點(diǎn)在分布式傳感器、觀測(cè)塔和地面之間傳送數(shù)據(jù)。

雨林中監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)，便于他們進(jìn)行后期分析?！癗I平臺(tái)的靈活性使我們可以通過(guò)連接到系統(tǒng)的便攜式電腦配置測(cè)量類型，選擇通道，甚至增加擴(kuò)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(xiàn)場(chǎng)的研究人員和學(xué)生提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(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，就可以訪問(wèn)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(cè)系統(tǒng)可以為證實(shí)“缺口理論”假說(shuō)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(cè)站”

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(jiān)測(cè)

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(wú)需斷開(kāi)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(guò)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(wú)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(guò)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(kù)中。工程師們無(wú)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(cè)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(lái)的1/4，據(jù)測(cè)算若更換全部燈管，每月能為公司節(jié)省電費(fèi)超過(guò)萬(wàn)元。在將來(lái)，Sensorkit 將被安裝到全公司，不僅檢測(cè)用電能耗，同時(shí)監(jiān)測(cè)公司的水流，號(hào)召員工做綠色環(huán)保的NI 人。