Author(s):
Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA
Dr. Philip Rundel - Department of Ecology and Evolutionary Biology, UCLA
Industry:
Biotechnology, Education, Research
Biotechnology, Education, Research
Products:
CompactRIO, LabVIEW, Compact FieldPoint Controllers
The Challenge:
使用同一平台支持多种环境参数的无线测量，并达到机器人控制、远端设定，与网络资料分享的功能。进一步使用该系统了解雨林的微气候(Microclimate)特性，以及雨林地面与大气之间的碳通量变化。
The Solution:
通过NI LabVIEW 软件与NI CompactRIO 平台，我们开发了无线传感系统，可搜集多种环境测量资料、远端设定功能、便于未来扩充设备，并让研究者通过网络于全世界的进行测量。
"在过去，必须使用不同制造商的多种资料记录器，才能够进行所有测量作业。?CompactRIO可以通过单一平台满足现有测量需要，其灵活性又允许在需求变化时增加新的测量模块。"
近年来，因全球变暖导致自然灾害频发。普遍观点认为，以二氧化碳为主的温室气体排放是引起全球变暖的罪魁祸首。
为了研究温室气体排放到底对环境会产生多大影响，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员利用NI PAC 平台在哥斯达黎加的热带雨林中部署了传感器网络，监测二氧化碳和其他物质之间的流通转变，并且利用LabVIEW 的网络功能，使世界各地的研究人员可以共享监测结果，从而为全球变暖问题的研究提供了第一手的数据资料。
地球表面以热辐射的形式释放吸收的太阳能，大气层会再吸收部分能量并进行循环，从而保持地球温暖。这个过程就是温室效应。近年来，随着二氧化碳、甲烷等能够吸收红外线辐射的气体排放量增加，导致全球变暖。为了更好地理解温室气体排放对环境的影响，UCLA的研究团队在哥斯达黎加东北部加勒比海沿岸的雨林中开展工作，测量在雨林地面和大气之间的碳通量（Carbon Flux，即二氧化碳以及其他含碳物质的流通交换）变化。热带雨林具有天然的生物多样性，并且较其他陆地生态系统吸收更多的二氧化碳，从而影响了本地乃至全球的气候。但是在雨林中，由于多层次丰富多变的森林结构，碳通量的变化特别复杂。“缺口理论”是对碳通量复杂变化的一种假说性解释。它假设由树木倒落等原因形成了森林树冠层中的小缺口，这些小缺口像烟囱一样将呼吸作用产生的二氧化碳排放到大气中。但由于在雨林地面以及树冠层中的对应点进行三维测量比较困难，二氧化碳的平衡通量很难监测，这一理论一直难以证实。
丛林中布下“天罗地网”
要研究碳通量的特性，需要对许多参数进行测量，包括温度、二氧化碳、湿度、精确的三维风力、热通量、太阳辐射以及光合有效辐射（PAR）等。为了提高测量精度，确定不均衡碳通量的影响，研究人员开发了基于NI PAC平台的可移动无线自动传感系统，被称为“SensorKit”，能够测量在大气和地面之间的碳元素以及其他物质的流通交换。
过去，要进行多种物理量的测量需要使用来自多个厂商的多种数据记录设备。NI CompactRIO 平台支持NI 的C 系列模块以及第三方厂商的模块，可进行广泛的数据测量，在单一平台上就可以满足该项目的测量需求，同时还为未来提供了扩展和升级空间。SensorKit系统被布置在森林地面的多个位置，有些则被悬挂在空中的可移动装置上，从而构成了一个能够进行三维测量的环境监测系统。所有进行碳通量研究所需要的环境数据都通过模块化的方法进行采集，系统以CompactRIO 作为中央测量单元，同时选用NICompact FieldPoint 进行分布式无线测量，利用NI WAP无线接入点在分布式传感器、观测塔和地面之间传送数据。
雨林中监测系统部署示意图
与全球科学工作者分享数据
研究人员利用LabVIEW 连接到这些分布式“观测站”，并且对CompactRIO控制器进行编程。LabVIEW能够为研究人员提供不同格式的测量数据，便于他们进行后期分析。“NI平台的灵活性使我们可以通过连接到系统的便携式电脑配置测量类型，选择通道，甚至增加扩展功能”，UCLA 的William Kaiser博士说。该研究小组还通过互联网为不在现场的研究人员和学生提供远程数据访问。世界各地的研究人员使用网页浏览器和LabVIEW的网络功能，就可以访问和下载实时或存档数据进行进一步的处理和分析。
使用该三维监测系统可以为证实“缺口理论”假说提供所需数据，同时帮助科学家们更好地理解碳吸收对雨林的影响。Kaiser 博士希望这项研究能最终为碳元素的变化提供一个量化的方法，从而为防止气候变暖提出更切实的办法。
Kaiser 博士与悬挂在空中的可编程分布式“观测站”
量化问题，解决问题，绿色就在身边
NI 办公室电力能源的实时监测
雨林，是不是离日常的生活与工作太远了呢？实际上，绿色并不仅仅在遥远的哥斯达黎加。在上海的NI 总部，Sensorkit 就帮助工程师们关注身边的绿色应用。
NI 上海的办公区域电耗一直居高不下，为了了解各种电器的耗电情况，工程师们决定在公司安装Sensorkit系统。系统被安装在总配电箱中，由于采用了非接触式的电流传感器，无需断开配电箱中现有的电路就能够轻松获取电流和电压的信息。通过内置的蓝牙发送器，传感器能够把数据信号无线发送到位于办公室内的CompactRIO 主控制器中。在CompactRIO 中就可以进行数据的初步处理和分析，并通过Web Service技术，经由公司网络发布到网络数据库中。工程师们无论在世界各地只要连上网络就能够实时观看公司用电情况。
初步的测试系统运行后，工程师们发现照明用灯的耗电与服务器的耗电量相当，当即决定更换节能灯管，更换之后每只灯管的耗电量下降到原来的1/4，据测算若更换全部灯管，每月能为公司节省电费超过万元。在将来，Sensorkit 将被安装到全公司，不仅检测用电能耗，同时监测公司的水流，号召员工做绿色环保的NI 人。
Author Information:
Dr. William Kaiser
Department of Electrical Engineering, UCLA
Los Angeles, CA 90095
United States
Kaiser@ee.ucla.edu
