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Nov 09, 2023

Um Umweltveränderungen vorherzusagen, entwickeln Forscher eine neue Generation drahtloser Sensornetzwerke

16. Januar 2023 Dies

16. Januar 2023

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von Andrew Nellis, University of Chicago

Das „Internet der Dinge“, ein wachsendes Netz miteinander verbundener Geräte – von intelligenten Glühbirnen bis hin zu Lagerrobotern – gilt als zentrale Säule der „vierten industriellen Revolution“, da es die Konnektivität und den Informationsaustausch drastisch verbessert.

Stellen Sie sich nun vor, dass sich dieses Netz über Gebäude hinaus in die Landschaft ausdehnt und ein sensorisches Netzwerk bildet, das Luft, Boden und Wasser auf Verschmutzung und Nährstoffgehalt überwacht. Ein solches Netzwerk ist das Ziel von Supratik Guha, Professor an der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago und Senior Advisor am Argonne National Laboratory.

Er und sein Team entwickeln „drahtlose Sensornetzwerke“ – Sensoranordnungen, die mehrere Hektar große Land- und Wasserflächen überwachen, um Verschmutzung, Feuchtigkeitsgehalt und chemische Zusammensetzung zu verfolgen. Guha glaubt, dass diese Systeme dringend benötigte Daten über die sich schnell verändernde Zusammensetzung des Planeten freigeben werden.

„Diese Sensornetzwerke werden Echtzeitdaten mit hoher Dichte liefern, die für die Erstellung eines genauen Bildes eines Ökosystems unerlässlich sind“, sagte Guha. „Wir wollen sehen, wie Flüsse verschmutzt werden und wie viel Dünger aus dem Boden ausgewaschen wird. Mit besseren Daten können Landökologen bessere Modelle für den Stickstoff- und Kohlendioxidkreislauf entwickeln; Landwirte können genau die richtige Menge Wasser genau zum richtigen Zeitpunkt verwenden.“ Zeit."

In der Landwirtschaft können kleine Datenpunkte weitreichende Auswirkungen haben. Der volumetrische Wassergehalt – wie viel Wasser in einem bestimmten Schmutzfleck absorbiert wird – bestimmt, ob ein Landwirt sein Feld heute bewässert oder aufschiebt. Zu wenig Wasser kann dazu führen, dass die Pflanzen verdorren. Zu viel Wasser verstärkt die Bodenerosion, verschwendet eine immer knapper werdende Ressource und verunreinigt die flussabwärts gelegene Versorgung.

Das Gleiche gilt für die terrestrische Ökologie – Daten sind König. Bis vor Kurzem war es jedoch schwierig, qualitativ hochwertige Daten zu kurzfristigen Umweltveränderungen zu erhalten.

Prof. Guha und sein Team nutzten das Aufkommen kostengünstigerer Sensoren und stromsparender drahtloser Systeme wie Sigfox und schufen drei separate Umweltsensornetzwerke unter dem Projektnamen Thoreau (nach dem berühmten Naturforscher Henry David Thoreau). Ein solches Netzwerk überwacht die Wasserqualität in mehreren indischen Flüssen, ein anderes erfasst die Bodenfeuchtigkeit rund um den Campus der University of Chicago, während ein drittes das ganze Jahr über Bodeninformationen auf einer Pilotfarm in der Nähe des Fermi National Laboratory in Batavia, Illinois, sammelt.

Ph.D. im vierten Jahr Der Student Gregory Grant, der an dem Projekt arbeitet, erklärt sein umfassenderes Potenzial.

„Durch den unauffälligen Einsatz von Sensoren auf einem Feld oder beispielsweise in einem Staatswald oder einem Naturschutzgebiet können wir die Wasserqualität oder die Bodentemperatur überwachen“, sagte Grant. „An einem Ort wie Kalifornien ist das ein leistungsstarkes Instrument zur Überwachung von Waldbränden oder zur Unterstützung der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung. Wir können fundierte Entscheidungen über Gefahren, Wasserverbrauch, Düngemittelabfluss und Umweltverschmutzung treffen – wir lernen so viel.“

Die Sensortechnologie entwickelt sich rasant weiter und die einzelnen Komponenten, die in jedem der Thoreau-Netzwerke verwendet werden, haben sich im Laufe der Zeit verändert. Das Fermi-Farmnetzwerk (Thoreau 2.0) verwendet einen relativ kostengünstigen Bodensensor, der an eine mit Kunststoff ummantelte Leiterplatte angeschlossen ist. Diese „Knoten“ ähneln in etwa einem kleinen, bildschirmlosen Smartphone mit einer gezackten Antenne, die an einem Ende herausragt.

Jeder der 23 Knoten der Farm ist anderthalb Fuß unter der Oberfläche vergraben, wo sie den volumetrischen Wassergehalt, die Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit des Bodens messen. Vier AA-Lithium-Ionen-Batterien versorgen die Knoten mit Strom, was ihnen eine Betriebslebensdauer von etwa viereinhalb Jahren verleiht.

Der Schlüssel zur Langlebigkeit der Sensoren liegt in der Verwendung von Low-Power-Wide-Area-Network (LPWAN)-Hardware, einer Technologie, die kleine Datenmengen bei niedrigeren Frequenzen überträgt, manchmal auch als „Zero-G“-Netzwerke bezeichnet.

Sobald die Knoten vergraben sind, sammeln sie alle dreißig Minuten Informationen und leiten sie an eine 30 Fuß hohe solarbetriebene Basisstation in der Mitte des Feldes weiter, die die Informationen wiederum an Guhas Labor übermittelt. Nach der Verarbeitung werden die Daten öffentlich auf der Projektwebseite angezeigt.

Das Netzwerk ist seit 2019 in Betrieb und erfordert nahezu keine Wartung, was beweist, dass es jahrelang funktionieren kann, ohne den täglichen Betrieb auf dem Bauernhof zu beeinträchtigen.

Professor Guhas erstes Umweltsensornetzwerk zur Überwachung der Flussverschmutzung wurde 2017 in Indien entwickelt. Seitdem haben er und sein Team sich einer globalen Kooperation angeschlossen, um modernste Technologie für ökologische Nachhaltigkeit und fortschrittliche Landwirtschaft einzusetzen.

Die NSF und das USDA unterstützen das Pilotnetzwerk im Rahmen des Artificial Intelligence for Future Agricultural Resilience, Management, and Sustainability (AIFARMS) Institute. AIFARMS ist ein multi-institutionelles Gremium, das grundlegende KI vorantreibt, um wichtige Herausforderungen der Weltlandwirtschaft anzugehen.

Dieser kollaborative Geist, sagt Guha, sei für die Bewältigung derart großer Probleme unerlässlich und einer der Gründe, warum er sich zu UChicago hingezogen fühlte.

„Ein wichtiger Grund, warum ich an die University of Chicago gekommen bin, war die Möglichkeit, verschiedene Beschäftigungen zu erkunden und mit diesem Expertennetzwerk zusammenzuarbeiten“, sagte Guha. „Tatsächlich begann mein Wasserprojekt aus einer Zusammenarbeit mit Anup Malani von der UChicago Law School und wuchs dann durch Interaktionen mit dem Energy Policy Institute (EPIC) und dem Delhi-Büro der University of Chicago weiter. Probleme sind vielfältig. Es gibt soziale.“ - wirtschaftliche Überlegungen, politische Überlegungen, regulatorische Überlegungen, geschäftliche Überlegungen – für die heutigen komplizierten Umweltprobleme brauchen Sie dieses Netzwerk, um eine echte Wirkung zu erzielen.

Mit Blick auf die Zukunft möchte Guha die Kosten seiner Sensoreinheiten noch weiter senken und gleichzeitig das System als Ganzes vereinfachen.

„Sensornetzwerke haben einen langen Weg zurückgelegt, da man durch die Integration leicht verfügbarer und standardisierter Komponenten ein System zusammenstellen kann“, sagte Guha. „Die zukünftige Forschung in diesem Bereich wird sich darauf konzentrieren, die Netzwerke erschwinglich zu machen, damit sie weltweit in großem Maßstab eingesetzt werden können. Wir arbeiten auch an der Entwicklung neuer Sensoren, die viele Parameter, die wir heute nicht zuverlässig messen können, einfach messen können, wie zum Beispiel den Nitratgehalt.“ im Boden und Mikrobengehalt in Wasser und Boden.“

Zur Verfügung gestellt von der University of Chicago