Новости

Nov 09, 2023

Чтобы предсказать изменения окружающей среды, исследователи создают новое поколение беспроводных сенсорных сетей.

16 января 2023 г. Это

16 января 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

Эндрю Неллис, Чикагский университет

«Интернет вещей», растущая сеть взаимосвязанных устройств, включающих в себя все — от умных лампочек до складских роботов, — считается центральной опорой «четвертой промышленной революции» из-за того, насколько радикально он улучшает возможности подключения и обмена информацией.

Теперь представьте, что эта сеть выходит за пределы зданий и проникает в ландшафт, образуя сенсорную сеть, которая контролирует воздух, почву и воду на предмет загрязнения и содержания питательных веществ. Создание такой сети является целью Супратика Гухи, профессора Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета и старшего консультанта Аргоннской национальной лаборатории.

Он и его команда разрабатывают «беспроводные сенсорные сети» — массивы датчиков, которые наблюдают за участками земли и воды шириной в акр, чтобы отслеживать загрязнение, уровень влажности и химический состав. Эти системы, по мнению Гуха, позволят получить крайне необходимые данные о быстро меняющемся составе планеты.

«Эти сенсорные сети будут предоставлять данные высокой плотности в режиме реального времени, которые необходимы для создания точной картины экосистемы», — сказал Гуха. «Мы хотим увидеть, как загрязняются реки, сколько удобрений вымывается из почвы. Располагая более точными данными, земные экологи могут разработать более совершенные модели круговорота азота и углекислого газа; фермеры могут использовать точно нужное количество воды в нужных количествах». время."

В сельском хозяйстве небольшие точки данных могут иметь далеко идущие последствия. Объемное содержание воды – сколько воды впитывается в конкретный участок земли – определяет, будет ли фермер орошать свое поле сегодня или отложит это. Слишком мало воды, и растения могут засохнуть. Слишком много воды усугубляет эрозию почвы, тратит впустую все более редкий ресурс и загрязняет воду, расположенную ниже по течению.

То же самое можно сказать и об экологии Земли: данные имеют решающее значение. Однако до недавнего времени исторически было трудно получить качественные данные о краткосрочных изменениях окружающей среды.

Воспользовавшись появлением менее дорогих датчиков и маломощных беспроводных систем, таких как Sigfox, профессор Гуха и его команда создали три отдельные сети датчиков окружающей среды под названием проекта «Торо» (в честь известного натуралиста Генри Дэвида Торо). Одна такая сеть контролирует качество воды в нескольких реках Индии, другая записывает влажность грунта вокруг кампуса Чикагского университета, а третья круглый год собирает информацию о почве на пилотной ферме возле Национальной лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс.

Доктор философии четвертого курса. Студент Грегори Грант, работающий над проектом, объясняет его более широкий потенциал.

«Незаметно размещая датчики на поле или, скажем, в национальном лесу или заповеднике, мы можем контролировать качество воды или температуру почвы», — сказал Грант. «В таком месте, как Калифорния, это мощный инструмент для мониторинга лесных пожаров или помощи в управлении сельским хозяйством. Мы можем принимать обоснованные решения об опасностях, использовании воды, стоках удобрений, загрязнении — мы многому учимся».

Сенсорные технологии быстро развиваются, и конкретные компоненты, используемые в каждой из сетей Торо, со временем менялись. Сеть фермы Fermi (Thoreau 2.0) использует относительно недорогой датчик почвы, подключенный к печатной плате в пластиковом корпусе. Эти «узлы» выглядят чем-то вроде маленького смартфона без экрана с штыревой антенной, выступающей с одного конца.

Каждый из 23 узлов фермы похоронен на глубине полутора футов под поверхностью земли, где они измеряют объемное содержание воды, температуру и электропроводность почвы. Четыре литий-ионных аккумулятора типа АА питают узлы, обеспечивая им срок службы примерно четыре с половиной года.