UCLA 使用NI LabVIEW与NI CompactRIO 进行哥斯达黎加境内的雨林环境监控

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。

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。