加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 的研究團隊使用 NI LabVIEW 與 NI CompactRIO，進行哥斯大黎加 (Costa Rican) 境內的雨林環境監控

Author(s):
Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA

Industry:
Life Science, University/Education, Research

Products:
CompactRIO, LabVIEW, Compact FieldPoint Controllers

The Challenge:
使用單一裝置支援多種無線環境量測，以達到機器人控制、遠端設定，與網路資料分享的功能。進一步使用該量測系統了解雨林的微氣候 (Microclimate) 特性，還有雨林地面與大氣之間的碳通量變化。

The Solution:
透過 NI LabVIEW 軟體與 NI CompactRIO 硬體，我們開發了無線感測系統，可蒐集多種環境量測資料、遠端設定功能、便於未來擴充設備，並讓研究者透過網路於全世界的進行量測。

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，大氣層接著吸收並循環大部分的熱能，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，與一氧化二碳易於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。在地球吸收越來越多輻射熱能的情況下，氣候亦跟著產生大家所熟知的全球暖化效應。

在哥斯大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衝擊，研究者正於哥斯大黎加雨林的 La Selva Biological Station 進行相關研究，以量測 CO2 的變化 (亦即碳通量)，並了解大氣與雨林地之間的物質關係。觀測範圍為 3,900 平方公尺的熱帶雨林區，年平均雨量為 13 英尺。地點位於哥斯大黎加東北方，加勒比海低地的 2 條主要河流匯流處。

由於雨林生態豐富且為碳匯 (Carbon sink) 之處，因此選定雨林進行研究。碳匯意指雨林以相反於人類肺臟的方式進行運作 – 吸收 CO2 並排放氧氣至環境中。熱帶雨林可吸收的 CO2 量遠高於其他生態系統，也因此影響當地與全球的氣候。然而，由於雨林生態可分為多重結構層，因此其中的碳通量亦極為複雜。

「裂口理論 (Gap Theory)」用以假設性解釋碳通量的複雜度。該理論則假設：若因為如樹木倒塌的自然過程，造成森林植披處出現某塊開放區域，則該區域將排放由土壤所產生的 CO2，並釋放至大氣層中。由於極難以在雨林地面的多個點，與其相對應的植披點進行量測，因此亦難以追蹤量測過去的 CO2 通量。

以 CENS 使用 NI 技術所開發的系統為架構，建置無線感測器

佈署於哥斯大黎加的無線量測技術，是以 LabVIEW 軟體 與 CompactRIO 硬體 為架構的 Networked infomechanical system (NIMS)。此 NIMS 應用，是由加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 的嵌入式網路連接感測中心 (Center for Embedded Networked Sensing，CENS) 所開發成功。CENS 針對重要的科學應用，專責開發嵌入式的網路感測系統。CENS 是由美國國家科學基金會 (NSF) 的科學與技術中心 (Science & Technology Center) 所主導，跨學科與多個機構所支援的研究中心，內有來自於全加州各合作機構的數百位職員、工程師、研究人員，與研究生。在過去 6 年中，CENS 每年均獲得 NSF 基金所補助 4 百萬 ~ 6 百萬補助經費，並於接下來 4 年中持續收到該組織的經費支持。

為了提升量測精確度，並了解不均勻碳通量的影響，我們開發了可攜式的懸掛無線機器人感測系統，可量測碳和其他物質在大氣與地面之間的轉移狀態。碳通量的量測作業必須搭配多種必要量測，包含溫度、CO2、濕度、精確的 3D 風移動量、熱通量 (Heat flux)、太陽輻射，與光合作用有效能量 (PAR)。

在過去，必須使用不同製造商的多種資料記錄器，才能夠進行所有量測作業。CENS 選擇了模組化的 CompactRIO 進行量測。CompactRIO 平台可使用 NI 與其他製造商的 C 系列模組，以支援多種量測。CompactRIO 的彈性可透過單一平台符合現有量測需要，並還有其他空間可增加新的量測模組。

佈署無線感測器

在 La Selva Biological Station 的第一階段現場測試中，將依序暫時佈署 3 組 NIMS 無線感測器應用。CompactRIO 系統將搭載多種儀器，包含基礎氣象量測工具、音波風速計 (Sonic anemometer)、紅外線感測器，與輻射計 (Radiometer)。透過模組化的技術，即可擷取碳通量所需的所有環境資料。無線感測器系統是以點狀方式分佈於雨林地面，還有懸掛式機器人穿梭機，建構可進行 3D 量測的環境監控系統。

在初始的測試佈署作業中，我們將雨林植披的範圍依高度橫切為 3 個部分，並分別架設電纜線以架構無線行動感測平台。在佈署期間，每個高度區間的穿梭機將以 1 公尺為間隔，分別停留 30 秒，讓感測器進行必要的量測作業。每個高度區間完成一次循環均需要 30 分鐘，並以 24 小時連續執行。

以 LabVIEW 為架構的系統優勢

使用 NI 模組化硬體與軟體所開發的彈性系統，可整合 LabVIEW 軟體的通訊與設定優點。CompactRIO 做為中心量測單位，NI Compact FieldPoint 網路介面則搭配 cFP-180x 控制器，用於分散式無線量測作業。NI 無線存取點 Wireless Access Point (WAP-3701) 則用於傳輸分散式感測器、觀測塔，與植披地面之間的資料。

LabVIEW 用於連接分散式無線量測平台，並進行嵌入式 CompactRIO 處理器的程式設計。透過 LabVIEW，我們可以使用不同的資料格式支援當地的研究者，讓他們進行後分析 (Post-analysis) 作業。由於LabVIEW 的彈性，我們可以設定量測類型、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 亦具有即時嵌入式處理的進階分析工具，可讓遠端研究者執行當地的質量通量 (Mass flux) 分析與後處理作業。此外，LabVIEW 亦提供 HMI，讓使用者可看到即時量測作業。在開發出此即時分析系統之前，研究者必須親至現場，耗費極長的時間蒐集大量資料，並將資訊帶回實驗室才能進行資料分析。

未來的擴增計畫

配合 CENS 的系統設計師，我們計畫於將來的幾個月中，依所開闢的植披步道，陸續新增高於雨林地面約 45 公尺的觀測塔，並增加量測系統的總數量。來自世界各地的學生均可到植披步道，體驗雨林的專屬氣氛與生態。

此外，我們並可透過網路傳輸遠端資料，發送至未親臨現場的研究者與學生。透過網路瀏覽器與 LabVIEW 的網路功能，研究者將可存取並下載即時或備份資料，以用於自己的分析作業。

若使用 3D 量測系統執行其他量測，將可獲得「裂口理論」假說的驗證資料，證實雨林中的碳傳導並非平均現象。雨林植披的裂口，即為碳溢散的出口。同時植披亦為重要的碳吸收源，因此當碳化物密度增加時，亦將溢散更多的碳。透過此研究，科學家可進一步了解碳吸收作用對雨林的衝擊，並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。

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Dr. William Kaiser
Department of Electrical Engineering, UCLA
United States
Kaiser@ee.ucla.edu

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