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UCLA 使用NI LabVIEW与NI CompactRIO 进行哥斯达黎加境内的雨林环境监控
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作者:
Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA
Dr. Philip Rundel - Department of Ecology and Evolutionary Biology, UCLA

行业:
生命科学, 大学/教育, 科研

产品:
CompactRIO, LabVIEW, Compact FieldPoint控制器

挑战:
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。

解决方案:
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。"

地球大气层吸收了将近70%的太阳能量。 当地球表面以辐射热能的方式释放此能量,大气层接着吸收并循环大部分的热能,以维持地球的温度。 此过程即为温室效应。 在近几年来,如二氧化碳(CO2)、甲烷,与一氧化二碳易于吸收辐射热能的气体排放量不断提升,温室效应亦愈行剧烈。

 在哥斯达黎加雨林中进行碳通量(Carbon Flux)研究

为了进一步了解温室气体对环境的冲击,研究者通过对哥斯达黎加雨林的La Selva 生态站进行相关研究,来测量CO2的变化(亦即碳通量),并了解大气与雨林地之间的物质关系。 观测范围为3900 平方公尺的热带雨林区。 热带雨林可吸收的CO2量远高于其他生态系统,也因此影响当地与全球的气候。然而,由于雨林生态可分为多重结构层,因此其中的碳通量亦极为复杂。

CENS 使用NI 技术开发环境测量系统

布置在哥斯达黎加的环境测量平台,是以LabVIEW 软件与CompactRIO 硬件为架构的网络化信息机械系统(Networkedinfomechanical system,简称NIMS),由加州大学洛杉矶分校(UCLA)的嵌入式网络传感中心(Center for EmbeddedNetworked Sensing,简称CENS)成功开发。 CENS针对重要的科学应用,专责开发嵌入式的网络传感系统。 CENS 是由美国国家科学基金会(NSF)的科学与技术中心所主导,跨学科、多机构的研究中心。

为了提升测量精确度,并了解不均匀碳通量的影响,我们开发了便携式的悬挂无线机器人传感系统,可测量碳和其他物质在大气与地面之间的转移状态。 碳通量的测量作业必须搭配多种必要测量,包含温度、CO2、湿度、精确的3D 风移动量、热通量(Heatflux)、太阳辐射,以及光合作用有效能量(PAR)。 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。CENS选择了模块化的CompactRIO,以支持多种测量和传感器。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。

 无线传感器的布署

在La Selva 生态站的第一阶段现场测试中,将依序暂时布署3 组NIMS环境监控系统。CompactRIO系统将配合使用多种仪器,包含基础气象测量工具、音波风速计(Sonic anemometer)、红外线传感器,辐射计(Radiometer),获取碳通量所需的所有环境资料。无线传感器系统以点状方式分布于雨林地面,通过悬挂式机器人穿梭机,建构可进行3D 测量的环境监控系统。

在初始的测试布署作业中,我们将雨林植披的范围依高度横切为3 个部分,并分别架设电缆线以构建可移动的无线传感平台。在布署期间,每个高度区间的穿梭机将以1 公尺为间隔,分别停留30秒,让传感器进行必要的测量作业。 每个高度区间完成一次循环均需要30 分钟,并以24 小时连续执行。

 以LabVIEW 为架构的系统优势

系统以NI CompactRIO 做为中心测量单位,NI CompactFieldPoint 则用于分散式无线测量作业。NI 无线存取点WirelessAccess Point(WAP-3701)则用于传输分散式传感器、观测塔,与植披地面之间的资料。

LabVIEW 用于连接分布式无线测量平台。 通过LabVIEW,我们可以使用不同的资料格式支持当地的研究者,让他们进行后分析(Post-analysis)作业。 由于LabVIEW 的灵活性,我们可以设定测量类型、选择所需通道,甚至从连接系统的笔记型电脑进行调整作业。

LabVIEW也具有实时嵌入式处理的高级分析工具,可让远端研究者执行当地的质量通量(Mass flux)分析与后处理作业。 此外,LabVIEW还提供HMI,让使用者可看到即时测量作业。 在开发出此实时分析系统之前,研究者必须亲至现场,耗费极长的时间搜集大量资料,并将数据带回实验室才能进行资料分析。

此外,我们并可通过网络传输远端资料,发送至未亲临现场的研究者与学生。 通过网络浏览器与LabVIEW的网络功能,研究者将可存取并下载即时或备份资料,以用于自己的分析作业。通过此研究,科学家可进一步了解碳吸收作用对雨林的冲击,并计算出雨林所能吸收的碳最大值,找出地球所能处理的最佳碳含量。


 

状 态: 离线

公司简介
产品目录
供应信息

公司名称: 美国国家仪器(NI)有限公司
联 系 人: 市场部
电  话: 021-50509800
传  真: 021-65556244
地  址: 上海浦东张江集电港二期张东路1387号第45幢
邮  编: 201203
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