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Nov 09, 2023

環境の変化を予測するために、研究者は新世代のワイヤレスセンサーネットワークを作成します

16 gennaio 2023 qui

2023 年 1 月 16 日

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アンドリュー・ネリス著、シカゴ大学

スマート電球から倉庫ロボットに至るまであらゆるものを構成する、相互接続されたデバイスの成長するウェブである「モノのインターネット」は、接続性と情報共有が大幅に改善されるため、「第 4 次産業革命」の中心的な柱として位置づけられています。

次に、その網が建物を超えて風景にまで広がり、空気、土壌、水の汚染と栄養分を監視する感覚ネットワークを形成していると想像してください。 このようなネットワークは、シカゴ大学プリツカー分子工学大学院（PME）の教授であり、アルゴンヌ国立研究所の上級顧問であるスープラティク・グハ氏の目標である。

彼と彼のチームは、「ワイヤレス センサー ネットワーク」、つまり、汚染、水分レベル、化学組成を追跡するために、エーカー幅の土地と水域を監視するセンサー アレイを開発しています。 これらのシステムは、急速に変化する地球の構成に関する切実に必要なデータを解き放つだろうとグハ氏は信じている。

「これらのセンサー ネットワークは、生態系の正確な画像を作成するために不可欠なリアルタイムの高密度データを提供します」とグハ氏は述べています。 「私たちは、川がどのように汚染されているか、土壌からどれだけの肥料が流れ出ているかを知りたいのです。より良いデータがあれば、陸上生態学者はより良い窒素と二酸化炭素の循環モデルを開発することができます。農家は、正確に適切な量の水を適切なタイミングで使用することができます。」時間。"

農業では、小さなデータポイントが広範囲に影響を与える可能性があります。 体積含水率、つまり特定の土の部分にどれだけの水が吸収されるかによって、農家が今日畑に灌漑をするか、それとも灌漑を延期するかが決まります。 水が少なすぎると植物が枯れてしまう可能性があります。 水が多すぎると土壌浸食が悪化し、ますます希少な資源が浪費され、下流の供給源が汚染されます。

陸上生態系にも同じことが言えます。データは王様です。 しかし、短期的な環境変化に関する質の高いデータは、歴史的に最近まで入手が困難でした。

グハ教授と彼のチームは、より安価なセンサーや Sigfox などの低電力無線システムの出現を利用して、ソロー (有名な博物学者ヘンリー・デイヴィッド・ソローにちなんで) というプロジェクト名で 3 つの別々の環境センサー ネットワークを作成しました。 そのようなネットワークの 1 つはインドのいくつかの河川の水質を監視し、もう 1 つはシカゴ大学のキャンパス周辺の地面の水分を記録し、3 つ目のネットワークはイリノイ州バタビアのフェルミ国立研究所近くのパイロット農場で年間を通じて土壌情報を収集しています。

博士課程4年このプロジェクトに取り組む学生のグレゴリー・グラントは、その幅広い可能性について説明します。

「野原全体、あるいは国有林や自然保護区などにセンサーを目立たないように設置することで、水質や土壌温度を監視できる」とグラント氏は語った。 「カリフォルニアのような場所では、これは山火事を監視したり、農業経営を支援したりするための強力なツールです。私たちは危険、水の使用、肥料の流出、汚染について情報に基づいた決定を下すことができます。私たちが学ぶことはたくさんあります。」

センサー技術は急速に進化しており、Thoreau の各ネットワークで使用される特定のコンポーネントは時間の経過とともに変化してきました。 フェルミ ファーム ネットワーク (Thoreau 2.0) は、プラスチックで覆われた回路基板に接続された比較的安価な土壌センサーを使用します。 これらの「ノード」は、一方の端から尖ったアンテナが伸びた、画面のない小型のスマートフォンに似ています。

農場の 23 個のノードはそれぞれ、地表から 1.5 フィート下に埋められており、そこで体積水分含有量、温度、土壌の電気伝導度を検出します。 4 本の AA リチウムイオン電池がノードに電力を供給し、ノードの動作寿命は約 4 年半です。

センサーの長寿命の鍵は、低電力ワイドエリア ネットワーク (LPWAN) ハードウェアの使用です。これは、「ゼロ G」ネットワークとも呼ばれる、低周波数で少量のデータを送信するテクノロジーです。

ノードは埋められると、30分ごとに情報を収集し、その情報を畑の真ん中にある高さ30フィートの太陽光発電基地局に中継し、そこから情報がグハの研究室に送信される。 処理されたデータは、プロジェクトの Web ページに公開されます。

このネットワークは 2019 年から稼働しており、メンテナンスはほとんど必要なく、日々の農場運営に支障をきたすことなく長年にわたって機能できることが実証されています。

グハ教授による河川汚染を監視する最初の環境センサーネットワークは、2017年にインドで開発された。 それ以来、彼と彼のチームは、環境の持続可能性と先進的な農業に最先端のテクノロジーを適用する世界的な共同作業に参加してきました。

NSF と USDA は、将来の農業のレジリエンス、管理、持続可能性のための人工知能 (AIFARMS) 研究所の一環としてパイロット ネットワークをサポートしています。 AIFARMS は、世界の農業が直面する重要な課題に対処するために基礎的な AI を推進する複数の機関からなる団体です。

グハ氏は、このような協力的な精神は、このような大きな問題に取り組むために不可欠であり、彼がシカゴに惹かれた理由の 1 つであると語ります。

「私がシカゴ大学に来た大きな理由は、さまざまな研究を探究し、この専門家のネットワークと協力することでした」とグハ氏は語った。 「実際、私の水プロジェクトはシカゴ大学ロースクールのアヌプ・マラニ氏との共同作業から始まり、エネルギー政策研究所（EPIC）やシカゴ大学デリー事務所との交流を通じてさらに成長しました。問題は多面的です。 -経済的考慮、政治的考慮、規制的考慮、ビジネス上の考慮 - 今日の複雑な環境問題に真の影響を与えるには、そのネットワークが必要です。」

グハ氏は将来を見据えて、システム全体を簡素化しながら、センサー ユニットのコストをさらに下げることを目指しています。

「簡単に入手でき、標準化されたコンポーネントを統合することでシステムを構築できるという点で、センサー ネットワークは大きな進歩を遂げてきました」とグハ氏は述べています。 「この分野の将来の研究は、世界中で大規模に展開できるように、ネットワークを手頃な価格にすることに焦点を当てます。また、硝酸塩含有量など、現在は確実に測定できない多くのパラメータを簡単に測定できる新しいセンサーの開発にも取り組んでいます。土壌中の微生物含有量と水と土壌中の微生物含有量。」

シカゴ大学提供