Investigadores utilizan NI LabVIEW y NI CompactRIO para llevar a cabo Monitoreo Ambiental en la Selva Tropical de Costa Rica

""Debido a la flexibilidad de LabVIEW, podemos configurar los tipos de medición, seleccionar canales, e incluso añadir la aplicación desde una computadora portátil conectada a la red. "" - Dr. William Kaiser, Department of Electrical Engineering, UCLA

El Reto: Respaldar una gran variedad de mediciones ambientales inalámbricas utilizando un dispositivo que proporcione control robótico, configuración remota, y datos compartidos en la Web para un sistema de medición utilizado por los investigadores para caracterizar el microclima subterráneo del bosque y flujos de carbón entre el suelo de la selva tropical y la atmósfera.

La Solución: Utilizando el software de NI LabVIEW y el hardware NI CompactRIO, hemos desarrollado un sistema de sensor inalámbrico que almacena una gran variedad de mediciones ambientales, ofrece capacidades de configuración remota, permite expansión futura, y da a los investigadores de todo el mundo acceso a las mediciones a través de internet. Aproximadamente 70 por ciento de la energía solar es absorbida por la atmósfera de la tierra. A medida que la Tierra emite esta energía en forma de radiación térmica, la atmósfera naturalmente captura y recicla una gran parte de ella, manteniendo el planeta caliente. Este proceso se conoce como el efecto invernadero. Recientemente, el efecto invernadero ha sido artificialmente incrementado por la mayor emisión de gases que absorben la radiación infrarroja, tales como el dióxido de carbono (CO2), metano y óxido nitroso. El aumento de la absorción de la radiación térmica puede contribuir al cambio climático de la Tierra conocido como calentamiento global. Autor(es): Dr. William Kaiser - Department of Electrical Engineering, UCLA Dr. Philip Rundel - Department of Ecology and Evolutionary Biology, UCLA Investigación Realizada sobre el Flujo de Carbono en la Selva de Costa Rica Para comprender mejor el impacto de las emisiones de gases de efecto invernadero sobre el medio ambiente, los investigadores están llevando a cabo un estudio en la Estación Biológica La Selva en la selva tropical de Costa Rica para medir el intercambio de CO2 (también conocido como el flujo de carbono) y otros materiales entre el suelo del bosque y la atmósfera. El área bajo observación se encuentra en un radio de 3,900 acres de selva tropical, la cual tiene un promedio de 13 pies de lluvias por año, y está situado entre dos grandes ríos del lado del Caribe, en las tierras bajas del noreste de Costa Rica.

Esta área fue seleccionada para la observación debido a que las selvas tropicales son muy ricas en biodiversidad y son sumideros de carbón, lo que significa que funcionan de una manera opuesta al pulmón humano- absorbiendo CO2 y liberando oxígeno al medio ambiente. Las selvas tropicales absorben más CO2 que cualquier otro ecosistema terrestre y afectan al clima local y globalmente. Sin embargo, en las selvas tropicales, el flujo de carbón es excepcionalmente complejo a causa de la estructura de diversas capas que tiene el bosque.

La "Teoría del Vacío" es una explicación hipotética para la complejidad de flujos de carbón. Ésta hipótesis formula que los pequeños espacios abiertos en la cubierta forestal son causados por procesos naturales, tales como caídas de árboles, las cuales funcionan como chimeneas, sacando CO2 producido por la respiración del suelo y fugas de la atmósfera en puntos específicos. Debido a la dificultad para realizar mediciones desde distintos puntos del suelo de la selva y de los correspondientes puntos en el dosel, o de una manera tridimensional, hacer un presupuesto equilibrado de los flujos de CO2 ha sido históricamente difícil de medir.

Utilizando Sensores Inalámbricos Basados en Sistemas Desarrollados por CENS con la Tecnología de NI La tecnología de medición inalámbrica desplegada en Costa Rica es un sistema de red infomecánico (SRIF) basados en el software de LabVIEW y el hardware CompactRIO. La aplicación de SRIF fue desarrollada en la Universidad de Los Ángeles California (UCLA) por el Centro para Redes Sensoriales Embebidas (CRSE). CRSE desarrolla sistemas de redes sensoriales embebidas para aplicaciones críticas, científicas y sociales. Es una Fundación Nacional de Ciencias (FNC) Científicas y Centro de Tecnología con una estructura interdisciplinaria y multi-institucional de apoyo que involucra a cientos de facultades, ingenieros, investigadores, estudiantes de posgrado, y estudiantes no graduados de Universidades asociadas a lo largo de California. CENS ha recibido entre $4 y $6 millones en fondos FNC por año durante los últimos seis años, y continuará recibiendo soporte financiero a través de la organización durante los próximos cuatro años.

Para aumentar la exactitud de las mediciones que se han tomado y para determinar los efectos del flujo desigual de carbón, hemos desarrollado un sistema móvil de sensores robóticos inalámbricos suspendidos de forma aérea capaces de medir la transferencia de carbono y otros materiales entre la atmósfera y la Tierra. Existe una amplia gama de mediciones necesarias para caracterizar el flujo de carbono entre ellos la temperatura, CO2, humedad, movimiento tridimensional del viento, flujo de calor, radiación solar y la radiación fotosintética activa (RFA).

En el pasado, la adquisición de todas estas mediciones requería el uso de múltiples bases de datos de diferentes proveedores. CRSE seleccionó un enfoque modular usando CompactRIO. La plataforma de CompactRIO soporta un amplio rango de mediciones usando módulos de series C de National Instruments y de otros fabricantes. La flexibilidad de CompactRIO soluciona nuestras necesidades actuales de medición con una sola plataforma al mismo tiempo que deja espacio para agregar nuevos módulos para mediciones futuras. Nuestro sistema llamado “SensorKit”, está diseñado para proporcionar flexibilidad, robustez, movilidad y facilidad de uso mediante el uso de la tecnología de LabVIEW y CompactRIO

Instalando los Sensores Inalámbricos Tres de los sistemas de “SensorKit” han sido desplegados en la Estación Biológica La Selva para la primera fase de pruebas de campo. Los SensorKits están equipados con una variedad de instrumentos, incluyendo herramientas para realizar mediciones meteorológicas básicas, anemómetros sónicos, sensores infrarrojos y radiómetros. Todos los datos ambientales necesarios para realizar el estudio de flujo de carbón se adquieren por medio de una solución modular. Los sistemas de sensores inalámbricos están colocados en ciertos puntos del suelo del bosque y suspendidos en el aire por transbordadores robóticos los cuales crean el primer sistema ambiental de vigilancia que es capaz de tomar mediciones tridimensionales.

En la primera prueba de despliegue, las plataformas sensoriales móviles inalámbricas atraviesan calves a lo largo de tres trayectos separados de la parte baja del bosque. Durante la prueba de despliegue, el transbordador se detuvo a intervalos de 1 a lo largo de cada trayecto de 30 s para permitir a los sensores equilibrar y tomar las mediciones necesarias. Cada paso del trayecto requirió de 30 minutos y cada trayecto corrió durante 24 horas.

Ventajas de un Sistema Basado en LabVIEW

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Ventajas de un Sistema Basado en LabVIEW Mediante la implementación del sistema utilizando el hardware y el software modular de National Instruments, hemos desarrollado un sistema flexible con comunicación adicional y ventajas de configuración del software de LabVIEW. CompactRIO fue seleccionado como la unidad de medición central y la red de interface de NI Compact FieldPoint (http://www.ni.com/compactfieldpoint/) con los controladores cFP-180x fueron seleccionados para mediciones inalámbricas distribuidas. EL Punto de Acceso Inalámbrico de NI (WAP-3701) fue seleccionado para la transferencia de datos entre los sensores distribuidos, las torres, la cubierta y el suelo.

Hemos seleccionado LabVIEW para conectar las plataformas de medición inalámbrica distribuidas y programar el procesador embebido de CompactRIO. Utilizando LabVIEW, podemos suministrar mediciones a investigadores locales en diferentes formatos de datos para que ellos después puedan realizar un análisis posterior. Debido a la flexibilidad de LabVIEW podemos configurar los tipos de medición, seleccionar canales, e incluso añadir la ampliación de una computadora portátil conectada a la red.

LabVIEW también proporciona avanzadas herramientas de análisis en tiempo real embebido para llevar a cabo el procesamiento local de flujo de masa y el análisis de post-procesamiento para investigadores remotos. Además, LabVIEW está equipado con una interfaz humano-máquina “HMI”, por lo que podemos ver en tiempo real las mediciones. Antes del desarrollo de este sistema en tiempo real, los investigadores invertían mucho tiempo recolectando grandes cantidades de datos en sitio para poder llevar la información a sus laboratorios para su posterior análisis.

Planes de Expansión a Futuro En conjunto con los diseñadores del sistema CRSE, tenemos previsto ampliar el sistema mediante la adición de torres de 45 mts sobre el nivel del suelo de la selva con pasos por el dosel e incrementar el número total de los sistemas de medición en los próximos meses. Estudiantes de todo el mundo tienen acceso a los pasos de dosel para experimentar la atmósfera y la biodiversidad del dosel de la selva tropical.

Adicionalmente, planeamos brindar datos de acceso remoto a través de la Web a los investigadores y estudiantes que no están en sitio. Utilizando un navegador Web y las capacidades de la Web de LabVIEW, los investigadores de todo el mundo podrán tener acceso, descargar en vivo y archivar datos de sus propios análisis. Al realizar mediciones adicionales usando un sistema de medición tridimensional se proporcionarán los datos necesarios para validar nuestra hipótesis “Teoría de Vacío”, en que la transferencia de carbono se produce de manera desigual a través de la selva tropical. Los vacíos en el dosel del bosque son fuentes de absorción de carbono, el cual incrementa al mismo tiempo que la densidad de la vegetación del dosel incrementa. Con esta investigación, los científicos comprenderán mejor el impacto de la absorción del carbono en las selvas tropicales y calcularán el valor de la absorción del carbono de un acre de bosque proporcionando un método de créditos de cuantificación de carbono.

Información del Autor: Dr. William Kaiser Department of Electrical Engineering, UCLA Los Angeles, CA 90095 Estados Unidos [email protected] (mailto:[email protected])

La unidad medida de NIMS que utiliza CompactRIO y LabVIEW atraviesa en un cable entre torres en La Selva Estación Biológica.

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Utilizando sistemas inalámbricos de medida basados en LabVIEW y la tecnología de NI, los investigadores de La Selva esperan comprender mejor cómo el carbono es absorbido y emitido en selvas tropicales.

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La niebla que sube de vacíos en el bosque en La Selva Estación Biológica en Costa Rica.

El NIMS se basó en la tecnología de NI ayudará a investigadores toman mejores medidas en La Selva Estación Biológica.

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Este esquema muestra cómo investigadores pueden reunir mediciones utilizando los sistemas inalámbricos de medida conectados entre torres en el dosel del bosque.

Los científicos despliegan nuevas tecnologías de medida para comprender mejor y para calcular la transferencia de carbono y otras materias entre la atmósfera y los bosques. Legal Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO "COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.

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