UCLA 使用NI LabVIEW與NI CompactRIO 進行哥斯達黎加境內的雨林環境監控

作者:
Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA
Dr. Philip Rundel - Department of Ecology and Evolutionary Biology, UCLA

行業:
生命科學, 大學/教育, 科研

產品:
CompactRIO, LabVIEW, Compact FieldPoint控制器

挑戰:
使用同一平臺支持多種環境參數的無線測量，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。

解決方案:
通過NI LabVIEW 軟件與NI CompactRIO 平臺，我們開發了無線傳感系統，可搜集多種環境測量資料、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。

地球大氣層吸收了將近70%的太陽能量。 當地球表面以輻射熱能的方式釋放此能量，大氣層接著吸收并循環大部分的熱能，以維持地球的溫度。 此過程即為溫室效應。 在近幾年來，如二氧化碳（CO2）、甲烷，與一氧化二碳易于吸收輻射熱能的氣體排放量不斷提升，溫室效應亦愈行劇烈。

在哥斯達黎加雨林中進行碳通量（Carbon Flux）研究

為了進一步了解溫室氣體對環境的沖擊，研究者通過對哥斯達黎加雨林的La Selva 生態站進行相關研究，來測量CO2的變化（亦即碳通量），并了解大氣與雨林地之間的物質關系。 觀測范圍為3900 平方公尺的熱帶雨林區。 熱帶雨林可吸收的CO2量遠高于其他生態系統，也因此影響當地與全球的氣候。然而，由于雨林生態可分為多重結構層，因此其中的碳通量亦極為復雜。

CENS 使用NI 技術開發環境測量系統

布置在哥斯達黎加的環境測量平臺，是以LabVIEW 軟件與CompactRIO 硬件為架構的網絡化信息機械系統（Networkedinfomechanical system，簡稱NIMS），由加州大學洛杉磯分校（UCLA）的嵌入式網絡傳感中心（Center for EmbeddedNetworked Sensing，簡稱CENS）成功開發。 CENS針對重要的科學應用，專責開發嵌入式的網絡傳感系統。 CENS 是由美國國家科學基金會（NSF）的科學與技術中心所主導，跨學科、多機構的研究中心。

為了提升測量精確度，并了解不均勻碳通量的影響，我們開發了便攜式的懸掛無線機器人傳感系統，可測量碳和其他物質在大氣與地面之間的轉移狀態。 碳通量的測量作業必須搭配多種必要測量，包含溫度、CO2、濕度、精確的3D 風移動量、熱通量（Heatflux）、太陽輻射，以及光合作用有效能量（PAR）。 在過去，必須使用不同制造商的多種資料記錄器，才能夠進行所有測量作業。CENS選擇了模塊化的CompactRIO，以支持多種測量和傳感器。CompactRIO 可以通過單一平臺滿足現有測量需要，其靈活性又允許在需求變化時增加新的測量模塊。

無線傳感器的布署

在La Selva 生態站的第一階段現場測試中，將依序暫時布署3 組NIMS環境監控系統。CompactRIO系統將配合使用多種儀器，包含基礎氣象測量工具、音波風速計（Sonic anemometer）、紅外線傳感器，輻射計（Radiometer），獲取碳通量所需的所有環境資料。無線傳感器系統以點狀方式分布于雨林地面，通過懸掛式機器人穿梭機，建構可進行3D 測量的環境監控系統。

在初始的測試布署作業中，我們將雨林植披的范圍依高度橫切為3 個部分，并分別架設電纜線以構建可移動的無線傳感平臺。在布署期間，每個高度區間的穿梭機將以1 公尺為間隔，分別停留30秒，讓傳感器進行必要的測量作業。 每個高度區間完成一次循環均需要30 分鐘，并以24 小時連續執行。

以LabVIEW 為架構的系統優勢

系統以NI CompactRIO 做為中心測量單位，NI CompactFieldPoint 則用于分散式無線測量作業。NI 無線存取點WirelessAccess Point（WAP-3701）則用于傳輸分散式傳感器、觀測塔，與植披地面之間的資料。

LabVIEW 用于連接分布式無線測量平臺。 通過LabVIEW，我們可以使用不同的資料格式支持當地的研究者，讓他們進行后分析（Post-analysis）作業。 由于LabVIEW 的靈活性，我們可以設定測量類型、選擇所需通道，甚至從連接系統的筆記型電腦進行調整作業。

LabVIEW也具有實時嵌入式處理的高級分析工具，可讓遠端研究者執行當地的質量通量（Mass flux）分析與后處理作業。 此外，LabVIEW還提供HMI，讓使用者可看到即時測量作業。 在開發出此實時分析系統之前，研究者必須親至現場，耗費極長的時間搜集大量資料，并將數據帶回實驗室才能進行資料分析。

此外，我們并可通過網絡傳輸遠端資料，發送至未親臨現場的研究者與學生。 通過網絡瀏覽器與LabVIEW的網絡功能，研究者將可存取并下載即時或備份資料，以用于自己的分析作業。通過此研究，科學家可進一步了解碳吸收作用對雨林的沖擊，并計算出雨林所能吸收的碳最大值，找出地球所能處理的最佳碳含量。