εταιρικά νέα για Καλιφόρνια ερευνητές αναπτύξτε \'Intelligent νερό υποδομών Initiative\»

Από τη Claire Swedberg

7 Νοεμβρίου 2011 — στην οροσειρά Νεβάδα, οι ασύρματοι κόμβοι αισθητήρων διαβιβάζουν τα στοιχεία που δείχνουν το ποσό χιονιού που έχει πέσει ή έχει λειώσει, καθώς επίσης και χώμα-επίπεδο. Τελικά, όλες αυτές οι πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογίσουν τον όγκο του νερού διαθέσιμο στις δεκάδες των εκατομμυρίων των κατοίκων και των επιχειρήσεων τοποθετημένων προς τα κάτω.

Ένα βήμα στην επίτευξη ότι ο στόχος είναι πρόγραμμα sierraNet-α που οργανώνεται από κοινού από τους ερευνητές Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας (UC) στις πανεπιστημιουπόλεις του Μπέρκλεϋ και Merced του σχολικού συστήματος. Το πρώτο πρόγραμμα SierraNet πραγματοποιείται στην πειραματική περιοχή υδροκρίτη ποταμών βασιλιάδων, και είναι μέρος της νότιας οροσειράς κρίσιμο παρατηρητήριο το (CZO) ζώνης της Νεβάδας — ένα περιβαλλοντικό εργαστήριο. Τα προγράμματα SierraNet οδηγούνται από το Steven Glaser, έναν καθηγητή UC Μπέρκλεϋ της αστικής και περιβαλλοντικής εφαρμοσμένης μηχανικής, και τα δέματα του Ρότζερ, έναν καθηγητή UC Merced της εφαρμοσμένης μηχανικής και το διευθυντή της οροσειράς ερευνητικό κέντρο το (SNRI) της Νεβάδας. Η ομάδα του Glaser προωθεί τώρα μια πολύ μεγαλύτερη εγκατάσταση των ασύρματων αισθητήρων, που διαδίδεται πέρα από τη λεκάνη του αμερικανικού ποταμού, με μια επιχορήγηση $2 εκατομμυρίων από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών το (NSF). Η επιχορήγηση, που απονέμεται το Σεπτέμβριο του 2011, θα διανέμει κατά τη διάρκεια τεσσάρων ετών.

Ο Steven Glaser καθορίζει ενός από τους κόμβους αισθητήρων που εγκαθίστανται στην οροσειρά Νεβάδα.

Η αμερικανική εγκατάσταση ποταμών θα παράσχει μια πολύ μεγαλύτερη άποψη στη μετακίνηση του νερού που οροσειράς Νεβάδα, προκειμένου να βοηθήσει να προβλέψει την παροχή νερού προς τα κάτω, όπου τα αστικά κέντρα χρησιμοποιούν το νερό που προέρχεται από αυτήν την περιοχή. Στην πραγματικότητα, Glaser λέει, θα είναι το μεγαλύτερο οικολογικό ασύρματο δίκτυο στον κόσμο.

Η νότια οροσειρά πρόγραμμα της Νεβάδας CZO είναι ένα μικρό μέρος ενός «Διαδικτύου του νερού» ότι οι ερευνητές σε τέσσερα UC πανεπιστημιούπολη-Μπέρκλεϋ και Merced, καθώς επίσης και ο Νταίηβις και Santa Cruz-προσπαθούν να δημιουργήσουν. Η μεγαλύτερη προσπάθεια, επίσημα γνωστή ως «ευφυής πρωτοβουλία υποδομών νερού,» σκοπεύει να ακολουθήσει τον όγκο και τη ροή του νερού στα βουνά, τα υδροφόρα στρώματα και το δέλτα ποταμών Σακραμέντο-SAN Joaquin Καλιφόρνιας, και να κάνει όλος ότι στοιχεία διαθέσιμα στο κοινό στο διαδίκτυο, σε πραγματικό - χρόνος.

Τα ευφυή έργα πρωτοβουλίας υποδομών νερού υποστηρίζονται από το κέντρο για την έρευνα τεχνολογίας πληροφοριών προς όφελος της κοινωνίας (CITRIS), ένα διεπιστημονικό πρόγραμμα που εκτείνεται τις πανεπιστημιουπόλεις του Μπέρκλεϋ, του Νταίηβις, Merced και Santa Cruz UC, εκτός από περισσότερους από 60 βιομηχανικούς συνεργάτες.

Το ποσό χιονιού και νερού στα βουνά είναι ενδιαφέροντος σε πολλά αντιπροσωπείες Καλιφόρνιας και ιδιωτικά συμβαλλόμενα μέρη, συμπεριλαμβανομένων των διευθυντών περιοχής νερού, των αγροτών, των γεννητριών υδρενέργειας, των διευθυντών των πόρων άγριας φύσης και των βιομηχανικών αρμόδιων για το σχεδιασμό. Η κατανόηση του βάθους του χιονιού που πέφτει κάθε έτος στα βουνά, και όταν και πώς λειώνει εκείνο το χιόνι, έχει απαιτήσει τις χειρωνακτικές μετρήσεις που λαμβάνονται μόνο σποραδικά. Χαρακτηριστικά, ένας ερευνητής θα μετρούσε snowpack τα βάθη επί των διάφορων τόπων βουνών, καταγράφοντας με το χέρι τα αποτελέσματα, μέχρι τέσσερις φορές ετησίως. Εντούτοις, μια αυτοματοποιημένη λύση θα μπορούσε να παρέχει τις μετρήσεις κάθε 15 λεπτά καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Οι επιστήμονες δείχνουν ότι με τα περιορισμένα αποτελέσματα από τις χειρωνακτικές μετρήσεις snowpack, εκείνοι που πρέπει να υπολογίσουν την ποσότητα νερού επιλέγουν συχνά για να υποθέσουν τα χειρότερα σενάρια, τα οποία μπορούν να οδηγήσουν σε τέτοιο αντίκτυπο όπως αγρότες που φυτεύουν λιγότερα στρέμματα των συγκομιδών από μπόρεσαν εάν είχαν πρόσβαση στα ακριβέστερα στοιχεία των νερό-πόρων.

Με την ύπαρξη CZO, καθώς επίσης και άλλες NSF-χρηματοδοτημένες επεκτάσεις, οι ερευνητές χρησιμοποιούν τις ενεργές ετικέττες 2.4 Ghz που επικοινωνούν μέσω ενός πρωτοκόλλου δικτύων σκόνης που στηρίζεται στο σχέδιο IEEE 802.15.4e τα πρότυπα για τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα περιοχής. Το Glaser εξοικειώνεται καλά με τεχνολογία-αυτός ήταν μέρος της ομάδας UC Μπέρκλεϋ που το ανέπτυξε 10 έτη πριν, οδηγώντας τελικά στην καθιέρωση των δικτύων σκόνης.

Το CZO SierraNet πρόγραμμα-που βρίσκεται στον κολπίσκο πρόνοιας, νότος της λίμνης ξυριστικών μηχανών, και για μια ώρα δυτικά των Φρέσνο-εκτάσεων περισσότερα από 1.5 τετραγωνικά χιλιόμετρα (0.6 τετραγωνικό μίλι). Το δίκτυο πλέγματος σε ισχύ επί εκείνου του τόπου περιλαμβάνει συνολικά περίπου 60 ασύρματους κόμβους αισθητήρων (που χρησιμοποιούν τα στοιχεία από συνολικά 300 αισθητήρες που συλλαμβάνουν τα στοιχεία σχετικά με το χώμα και το χιόνι) που τοποθετούνται μέχρι 150 μέτρα (492 πόδια) χώρια.

Κάθε ασύρματος κόμβος στηρίζεται σε ένα κιβώτιο που τοποθετείται σε έναν πόδι-ψηλό πόλο 12. Το κιβώτιο περιέχει έναν αναμεταδότη 2.4 Ghz, που τροφοδοτούνται από μια μπαταρία AA, μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία πήκτωμα-κυττάρων (για να τροφοδοτήσουν τους αισθητήρες) και ένα τσιπ για την αποθήκευση των στοιχείων αισθητήρων. Οι αισθητήρες οι ίδιοι τοποθετούνται στον ίδιο πόλο, ή θάβονται στο περιβάλλον χώμα. Οι υπόγειοι αισθητήρες μετρούν την εδαφολογική υγρασία, τη θερμοκρασία και την αναρρόφηση μητρών (μια παράμετρος που χρησιμεύει να δείξει το ποσό νερού διαθέσιμο στις εγκαταστάσεις). Οι πόλος-τοποθετημένοι αισθητήρες, που τοποθετούνται σε ένα ύψος επαρκές για να παραμείνει επάνω από το ίδιο το snowpack, το βάθος χιονιού μέτρου, τη θερμοκρασία, την ηλιακή ακτινοβολία και τη σχετική υγρασία. Η μπαταρία αισθητήρων επαναφορτίζεται από ένα ηλιακό πλαίσιο που τοποθετείται σε έναν βραχίονα που επεκτείνεται από τον πόλο, πάνω από τον οποίο είναι μια κεραία για τη διαβίβαση των στοιχείων.

Κάθε 15 λεπτά, κάθε αναμεταδότης διαβιβάζει τις μετρήσεις των αισθητήρων, μαζί με το μοναδικό προσδιοριστικό του, μέσω συγχρονισμένου πρωτοκόλλου το (TSMP) πλέγματος των δικτύων σκόνης του χρόνος, το οποίο στηρίζεται στα πρότυπα σχεδίων 802.14.5e. Εκείνες οι πληροφορίες συλλαμβάνονται από τους παρακείμενους αναμεταδότες, που βρίσκονται μέχρι περίπου 150 μέτρα μακριά, ή από μια «χοάνη» — ένας πομποδέκτης που προορίζεται για να διαβιβάσει τα στοιχεία όταν η δύναμη σημάτων μεταξύ των αναμεταδοτών «δεν είναι αρκετά ισχυρή να διαβιβάσει εκείνες τις μεταδόσεις. Το στοιχείο στέλνεται έπειτα σε μια πύλη, που εγκαθίσταται σε έναν κεντρικό σταθμό που συνδέεται με έναν μετρητής-ψηλό (164-πόδι-ψηλό) πύργο 50, επάνω από το επίπεδο δέντρων. Η πύλη λαμβάνει τις πληροφορίες και χρησιμοποιεί μια κυψελοειδή σύνδεση για να τις διαβιβάσει λογισμικό πίσω των ερευνητών», σε έναν κεντρικό υπολογιστή προσιτό μέσω ενός υπολογιστή ή ενός iPhone της Apple. Το λογισμικό αποθηκεύει και ερμηνεύει τις μετρήσεις, και οι ερευνητές μπορούν να δουν εκείνα τα αποτελέσματα προκειμένου να καθοριστούν οι λεπτομέρειες σχετικά με το νερό και snowpack στα βουνά.


Το αμερικανικό πρόγραμμα ποταμών θα περιλάβει ένα δίκτυο των αισθητήρων που καλύπτουν τα τμήματα ενός τομέα 2.000 τετραγωνικός-μιλι'ου του αμερικανικού υδροκρίτη ποταμών στην οροσειρά Νεβάδα. Το Glaser λέει ότι οι ερευνητές θα εγκαταστήσουν 25 διαφορετικά δίκτυα αισθητήρων (κάθε ένα που καλύπτει περίπου 1 τετραγωνικό χιλιόμετρο) στα χωριστά μέρη της λεκάνης ποταμών, συμπεριλαμβανομένου του Βορρά και των στραμμένων προς το νότο κλίσεων, δασώδης και των ανοιχτών περιοχών, και των επίπεδων και λοφωδών εδαφών, σε ποικίλες ανυψώσεις. Κάθε δίκτυο θα περιλάβει μια πύλη και 25 TSMP-βασισμένους ασύρματους κόμβους με τους πολλαπλάσιους αισθητήρες που συνδέονται με το. Κάθε σταθμός βάσης θα επικοινωνήσει με το λογισμικό οπίσθιου μέρους με τη βοήθεια είτε ενός διπλής κατεύθυνσης συστήματος μετάδοσης ραδιοφώνων VHF, είτε μέσω κυψελοειδής είτε δορυφορικός σύνδεση-αν και εκείνοι με τις δορυφορικές συνδέσεις θα είναι σε θέση μόνο να στείλουν τις μεταδόσεις, να μην τους λάβουν.

Σε αυτήν την περίπτωση, Glaser λέει, ο αναμεταδότης κάθε κόμβου θα ενσωματωθεί σε έναν «πίνακα εγκεφάλου» που θα επιτρέψει στους ερευνητές για να αλλάξει μακρινά τις οδηγίες σε οποιαδήποτε από τα συστήματα αισθητήρων, με τη διαβίβαση των στοιχείων πίσω στον αναμεταδότη. Αυτήν την περίοδο, λέει, εργάζεται στο σχεδιασμό και την εφαρμογή του πίνακα εγκεφάλου, καθώς επίσης και στη βελτίωση του υλικού αισθητήρων, όπως ο καθορισμός της καλύτερης θέσης για την καλωδίωση των αισθητήρων στον αναμεταδότη, και τη βελτιστοποίηση του σχεδιαγράμματος σχεδίου κάθε δικτύου πλέγματος. Επιπλέον, λέει, «θα κάνουμε ένα δίκαιο ποσό του χαμηλού επιπέδου προγραμματισμού,» για να βελτιωθούμε στο λογισμικό για το μεγάλο όγκο των στοιχείων που το σύστημα θα παραγάγει. Οι ερευνητές πρέπει επίσης να συνεργαστούν με την Υπηρεσία του ΑΜΕΡΙΚΑΝΙΚΟΥ Δασικού Εφαρμογής για την έγκριση για να εγκατασταθεί η τεχνολογία στο ομοσπονδιακό έδαφος.

Μόλις λειώσει το χιόνι, την άνοιξη το 2012, οι ερευνητές και οι φοιτητές πανεπιστημίου προγραμματίζουν να εγκαταστήσουν τους κόμβους και τους αισθητήρες, οι οποίοι αναμένονται για να αρχίσουν αμέσως και τα στοιχεία. Οι επιστήμονες προσδοκούν τις πληροφορίες αρχικά με τη δημοτική περιοχή χρησιμότητας του Σακραμέντο, η οποία θα είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει τις πληροφορίες για να βελτιστοποιήσει τη στρατηγική της για τα λειτουργούντα τοπικά φράγματα. Το κοινό και άλλες οντότητες θα είναι σε θέση επίσης να έχουν πρόσβαση στα στοιχεία μέσω του ιστοχώρου SierraNet.

Μακροπρόθεσμα, Glaser λέει, η ερευνητική ομάδα σκοπεύει να εγκαταστήσει τα δίκτυα αισθητήρων σε άλλα υδροφόρα στρώματα, προκειμένου να δημιουργηθεί ένα εθνικό σύστημα τον όγκο νερού έτσι ώστε εκείνοι που χρησιμοποιούν το νερό μπορούν καλύτερα να προγραμματίσουν τις δραστηριότητές τους. Όταν το εθνικό σύστημα θα ήταν σε ισχύ πρέπει να καθοριστεί ακόμα.