Forscher verwenden NI LabVIEW und NI CompactRIO zur Überwachung der Umwelt im Regenwald Costa Ricas

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:
Unterstützung einer Vielzahl drahtloser Messungen von Umgebungsdaten mittels eines einzigen Geräts, das Robotersteuerung, dezentrale Konfigurierung und Austausch von Daten über das Internet für ein Messsystem ermöglicht. Forscher setzen dies zur Charakterisierung des Mikroklimas der Strauchschicht und des Austauschs von Kohlenstoff zwischen der Bodenschicht des Regenwalds und der Atmosphäre ein.

The Solution:
Mithilfe der Software NI LabVIEW und der Hardware NI CompactRIO entwickelten wir ein drahtloses Sensorsystem, das verschiedene Umgebungsdaten erfasst, dezentrale Konfigurationsfunktionen bietet, Erweiterungen zulässt und Forschern weltweit über das Internet Zugriff auf die Messwerte ermöglicht.

Einleitung

Ungefähr 70 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie werden von der Erdatmosphäre absorbiert. Da die Erdoberfläche diese Energie in Form von thermischer Strahlung abgibt, nimmt die Atmosphäre einen großen Teil davon auf und verwertet diese, wodurch der Planet warm bleibt. Dieser Prozess ist als Treibhauseffekt bekannt. Seit geraumer Zeit wird dieser Treibhauseffekt durch erhöhte Emission von Gasen, die Infrarotstrahlung aufnehmen, künstlich verstärkt. Dazu gehören Kohlendioxid (CO₂), Methan und Stickoxide. Die erhöhte Aufnahme thermischer Strahlung kann zum Klimawandel auf der Erde, der so genannten globalen Erwärmung, beitragen.

Erforschung des Kohlenstoffaustauschs im Regenwald Costa Ricas

Um die Auswirkungen der Treibhausgasemissionen auf die Umwelt besser verstehen zu können, führen Forscher an der biologischen Station La Selva (Estación Biológica La Selva) im Regenwald Costa Ricas eine Studie durch, um den Austausch von CO₂ (auch als Kohlenstofffluss bekannt) und anderen Stoffen zwischen Bodenschicht und Atmosphäre zu messen. Das Beobachtungsgebiet befindet sich innerhalb eines knapp 1600 ha großen tropischen Regenwalds, in dem im Durchschnitt etwa 4 m Regen pro Jahr fallen und das sich am Zusammenfluss von zwei Strömen im karibischen Tiefland des Nordostens Costa Ricas befindet.

Dieser Bereich wurde deshalb für die Beobachtungen ausgewählt, weil Regenwälder eine reiche Biodiversität bieten und Kohlenstoffsenken sind, d. h. sie funktionieren genau umgekehrt zur menschlichen Lunge – sie nehmen CO₂ auf und geben Sauerstoff an die Umgebung ab. Tropische Regenwälder absorbieren mehr CO₂ als jedes andere Ökosystem der Erde und beeinflussen zudem sowohl das lokale als auch das globale Klima. Allerdings ist der Kohlenstofffluss in Regenwäldern ungewöhnlich komplex, was an der vielschichtigen, verschiedenartigen Waldstruktur liegt.

Die „Lückentheorie“ ist eine hypothetische Erklärung für die Komplexität des Kohlenstoffflusses. Sie postuliert, dass kleine, offene Bereiche im Kronendach des Waldes, die von natürlichen Vorgängen herrühren, wie etwa umgestürzte Bäume, gewissermaßen als Schornstein fungieren, CO₂ aus der Bodenatmung ziehen und es punktuell in die Atmosphäre entweichen lassen. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Durchführung von Messungen an mehreren Stellen der Bodenschicht und entsprechenden Punkten im Kronendach oder in dreidimensionaler Weise ist ein ausgeglichener Haushalt für den CO₂-Austausch seit jeher schwer zu messen.

Einsatz drahtloser Sensoren auf Basis von Systemen, die CENS mit NI-Technologie entwickelte

Die drahtlose Messtechnologie, die in Costa Rica eingesetzt wird, ist ein vernetztes NIMS (Networked Infomechanical System) auf Basis der Software NI LabVIEW und der Hardware NI CompactRIO. Die NIMS-Anwendung wurde an der University of California Los Angeles (UCLA) vom Center for Embedded Networked Sensing (CENS) entwickelt. CENS entwickelt eingebettete Systeme zur Erfassung von Daten für kritische wissenschaftliche und soziale Anwendungen. CENS ist ein von der National Science Foundation (einer unabhängigen Einrichtung der Regierung der Vereinigten Staaten) gefördertes Wissenschafts- und Technologiezentrum, das von einer interdisziplinären und institutsübergreifenden Struktur getragen wird und hunderte Fakultäten, Ingenieure, forschende Studenten im Hauptstudium und Studenten im Grundstudium von Partnerinstitutionen in ganz Kalifornien involviert. CENS erhielt von der NSF während der letzten sechs Jahre eine finanzielle Unterstützung in Höhe von 4 bis 6 Milliarden USD jährlich und wird auch für die nächsten vier Jahre Mittel von dieser Einrichtung bekommen.

Um die Genauigkeit der durchgeführten Messungen zu erhöhen und die Auswirkungen eines ungleichmäßigen Kohlenstoffflusses zu ermitteln, entwickelten wir ein mobiles, drahtloses Robotersensorsystem zum Aufhängen, das den Austausch von Kohlenstoff und anderen Stoffen zwischen Atmosphäre und Erde messen kann. Zur Charakterisierung des Kohlenstoffflusses ist eine große Bandbreite von Messungen erforderlich. Dazu gehören Messungen der Temperatur, der CO₂-Konzentration, der Feuchtigkeit, präziser dreidimensionaler Windbewegungen, der Wärmestromdichte, Sonnenstrahlung und Photosynthetic Active Radiation (PAR).

Bisher erforderte dieser Umfang an Messungen den Einsatz mehrerer Datenlogger unterschiedlicher Anbieter. CENS entschied sich für einen modularen Ansatz mithilfe von CompactRIO. Die CompactRIO-Plattform unterstützt eine breite Palette von Messungen und setzt dazu Module der C-Serie von National Instruments sowie von Drittanbietern ein. Die Flexibilität von CompactRIO kommt unseren derzeitigen Anforderungen an Messungen mit nur einer Plattform entgegen und bietet immer noch genug Raum, um neue Messmodule für zukünftige Applikationen hinzuzufügen.

Einsatz von drahtlosen Sensoren

Drei der drahtlosen NIMS-Sensorapplikationen wurden bzw. werden in Kürze für die erste Phase der Feldversuche an der biologischen Station La Selva eingesetzt. Die CompactRIO-Systeme sind mit verschiedenen Messgeräten ausgestattet, darunter Werkzeuge zur Durchführung einfacher meteorologischer Messungen, akustische Anemometer, Infrarotsensoren und Strahlungsmesser. Die gesamten Umgebungsdaten zur Durchführung der Studie werden mittels einer modularen Methode erfasst. Die drahtlosen Sensorsysteme befinden sich zum einen an bestimmten Stellen der Bodenschicht und zum anderen an hängenden Roboterschiffchen. So entstand das erste System zur Umgebungsüberwachung, das in der Lage ist, dreidimensionale Messungen durchzuführen.

In der Anfangsphase des Testeinsatzes bewegten sich die drahtlosen, mobilen Plattformen an Kabeln, die entlang drei separater Transekten der mittleren Waldschicht verliefen. Während des Einsatzes stoppte das Schiffchen entlang jeder Transekte in Intervallen von je 1 m jeweils 30 Sekunden, damit die Sensoren ausbalancieren und die erforderlichen Messungen vornehmen konnten. Jeder Lauf entlang einer Transekte dauerte 30 Minuten und jede Transekte wurde 24 Stunden befahren.

Vorteile eines auf LabVIEW basierenden Systems

Durch die Implementierung des Systems mittels modularer Hard- und Software von National Instruments konnten wir ein flexibles System entwickeln, das die zusätzlichen Kommunikations- und Konfigurationsvorteile der LabVIEW-Software bietet. CompactRIO wurde als zentrale Messeinheit und die Netzwerkschnittstelle NI Compact FieldPoint mit cFP-180x-Controllern für die verteilten drahtlosen Messungen ausgewählt. Der NI Wireless Access Point (WAP-3701) diente der Übertragung von Daten zwischen den verteilten Sensoren, den Türmen und der Unterseite des Kronendachs.

Wir verwendeten LabVIEW, um diese verteilten drahtlosen Messplattformen miteinander zu verbinden und den eingebetteten CompactRIO-Prozessor zu programmieren. Dank LabVIEW können wir lokalen Forschern Messungen in unterschiedlichen Datenformaten zur Verfügung stellen, damit sie anschließend Analysen durchführen können. Aufgrund der Flexibilität von LabVIEW können wir Messungen konfigurieren, Kanäle auswählen und sogar Skalierungen von einem Laptop aus hinzufügen, der mit dem System verbunden ist.

LabVIEW bietet zudem erweiterte Analysewerkzeuge, die eine Embedded-Verarbeitung in Echtzeit ermöglichen, um lokale Massenflussanalysen durchzuführen und Forschern, die nicht vor Ort sind, Nachbearbeitungen zu ermöglichen. Überdies ist LabVIW mit einer HMI ausgestattet, so dass wir Echtzeitmessungen sehen können. Vor der Entwicklung dieses Echtzeitanalysesystems verbrachten Forscher gewöhnlich viel Zeit damit, zahlreiche Daten vor Ort zu sammeln, um diese dann im jeweiligen Labor zu untersuchen.

Erweiterungspläne

In Zusammenarbeit mit Systementwicklern bei CENS wollen wir das System erweitern und dazu hohe Türme von etwa 45 m Höhe über der Bodenschicht errichten, die über Stege im Kronendach verbunden sind. Zudem soll die Gesamtzahl der Messsysteme erhöht werden. Studenten aus der ganzen Welt können diese Stege im Kronendach des Regenwaldes nutzen, um die einzigartige Atmosphäre und Artenvielfalt hautnah zu erleben.

Außerdem planen wir, Forschern und Studenten, die nicht vor Ort sein können, einen dezentralen Datenzugriff über das Internet zu ermöglichen. Mithilfe eines Web-Browsers und den Internetfunktionen von LabVIEW werden Forscher überall in der Lage sein, Live- und archivierte Daten für ihre eigenen Analysen einzusehen und herunterzuladen.

Die Durchführung weiterer Messungen mithilfe eines 3D-Messsystems wird die Daten bereitstellen, die zur Validierung unserer Hypothese der „Lückentheorie“ benötigt werden, die besagt, dass der Kohlenstoffaustausch im Regenwald ungleichmäßig erfolgt. Lücken im Kronendach des Waldes sind Ursachen für den Kohlenstoffverlust, wohingegen das Blätterdach eine Quelle der Kohlenstoffaufnahme ist. Diese Absorption erhöht sich, je dichter die Vegetation der Kronenschicht ist. Mithilfe dieser Forschungen werden Wissenschaftler den Einfluss der Kohlenstoffaufnahme von Regenwäldern besser verstehen und möglicherweise berechnen können, wie hoch diese Kohlenstoffabsorption eines Hektars Wald ist. So könnten sie letztendlich eine Methode zur Bewertung von Emissionszertifikaten zur Verfügung stellen.

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For more information on this Case Study, contact:
Dr. William Kaiser
Department of Electrical Engineering, UCLA
Los Angeles, CA 90095
United States
Kaiser@ee.ucla.edu

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