Supratik Guha教授開創(chuàng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土壤和水質(zhì)，改善了氣候建模和準(zhǔn)確農(nóng)業(yè)的環(huán)境數(shù)據(jù)。如上所示，大型傳感器平臺(tái)用于測(cè)量葉綠素和色氨酸等水參數(shù)。分享：約翰·齊奇

“物聯(lián)網(wǎng)”是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的互聯(lián)設(shè)備網(wǎng)絡(luò) - 包括從智能燈泡到倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人的一切 - 被認(rèn)為是“第四次工業(yè)”的核心支柱，因?yàn)樗�改善了連接和信息共享。

現(xiàn)在想象一下，網(wǎng)絡(luò)從建筑物擴(kuò)展到景觀中，形成一個(gè)感官網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)空氣、土壤和水中的污染和營(yíng)養(yǎng)成分。這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（PME）教授、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室顧問Supratik Guha的目標(biāo)。

他和他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”——傳感器陣列，可以監(jiān)視一英畝寬的土地和水域，以跟蹤污染、濕度水平和化學(xué)成分。古哈認(rèn)為，這些系統(tǒng)將解鎖地球快速變化的組成急需的數(shù)據(jù)。

“這些傳感器網(wǎng)絡(luò)將提供實(shí)時(shí)、高密度的數(shù)據(jù)，這對(duì)于創(chuàng)建生態(tài)系統(tǒng)的準(zhǔn)確圖片至關(guān)重要，”Guha說�！拔覀兿肟纯春恿魇侨绾伪晃廴镜�，有多少肥料被沖出土壤。有了更好的數(shù)據(jù)，陸地生態(tài)學(xué)家可以開發(fā)更好的氮和二氧化碳循環(huán)模型;農(nóng)民可以在正確的時(shí)間使用適量的水。

在農(nóng)業(yè)中，小數(shù)據(jù)點(diǎn)可以產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。體積含水量 - 有多少水被吸收到特定的泥土中 - 決定了農(nóng)民今天是灌溉他的田地還是推遲灌溉。水太少，植物可能會(huì)枯萎。過多的水會(huì)加劇土壤侵蝕，浪費(fèi)資源，并污染下游供應(yīng)。

陸地生態(tài)學(xué)也是如此——數(shù)據(jù)為王。但是，直到近期，關(guān)于短期環(huán)境變化的質(zhì)量數(shù)據(jù)歷來很難獲得。

利用較便宜的傳感器和低功耗無線系統(tǒng)（如Sigfox）的出現(xiàn)，Guha教授和他的團(tuán)隊(duì)以梭羅（以博物學(xué)家亨利·大衛(wèi)·梭羅的名字命名）創(chuàng)建了三個(gè)獨(dú)立的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)幾條印度河流的水質(zhì)，另一個(gè)記錄芝加哥大學(xué)校園周圍的地面濕度，而第三個(gè)網(wǎng)絡(luò)在伊利諾伊州巴達(dá)維亞費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室附近的一個(gè)試點(diǎn)農(nóng)場(chǎng)全年收集土壤信息。

從事該項(xiàng)目的四年級(jí)博士生格雷戈里·格蘭特（Gregory Grant）解釋了其更廣泛的潛力。

“通過在田野或國(guó)家森林或自然保護(hù)區(qū)不顯眼地部署傳感器，我們可以監(jiān)測(cè)水質(zhì)或土壤溫度，”格蘭特說。“在像加利福尼亞這樣的地方，這是監(jiān)測(cè)野火或幫助農(nóng)業(yè)管理的有力工具。我們可以就危害、用水、肥料徑流、污染做出明智的決定——我們學(xué)到了很多東西。

網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點(diǎn)（上圖）封裝在透明防水塑料中，埋在地表以下一英尺半的地方。學(xué)分：古哈實(shí)驗(yàn)室

傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，每個(gè)梭羅網(wǎng)絡(luò)中使用的特定組件隨著時(shí)間的推移而變化。費(fèi)米農(nóng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)（梭羅2.0）使用相對(duì)便宜的土壤傳感器連接到塑料封裝的電路板。這些“節(jié)點(diǎn)”看起來類似于一個(gè)小型的無屏幕智能手機(jī)，其一端有一個(gè)尖頭天線。

農(nóng)場(chǎng)的 23 個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)都埋在地表以下一英尺半的地方，在那里它們檢測(cè)體積含水量、溫度和土壤電導(dǎo)率。四個(gè)AA鋰離子電池為節(jié)點(diǎn)供電，使其使用壽命約為四年半。

傳感器壽命的關(guān)鍵是它們使用低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）硬件，這是一種以較低頻率傳輸少量數(shù)據(jù)的技術(shù)，有時(shí)稱為“零G”網(wǎng)絡(luò)。

一旦被埋葬，節(jié)點(diǎn)每三十分鐘收集一次信息，將其中繼到位于場(chǎng)地中間的30英尺高的太陽(yáng)能基站，該基站又將信息傳輸?shù)紾uha的實(shí)驗(yàn)室。處理后，數(shù)據(jù)將公開顯示在項(xiàng)目網(wǎng)頁(yè)上。

該網(wǎng)絡(luò)自 2019 年開始運(yùn)營(yíng)，幾乎不需要維護(hù)，這表明它可以在不干擾日常農(nóng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的情況下運(yùn)行多年。

古哈教授的一個(gè)監(jiān)測(cè)河流污染的環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)于2017年在印度開發(fā)。從那時(shí)起，他和他的團(tuán)隊(duì)加入了一項(xiàng)全球合作努力，將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境可持續(xù)性和先進(jìn)農(nóng)業(yè)。

NSF和美國(guó)農(nóng)業(yè)部支持該試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，作為未來農(nóng)業(yè)復(fù)原力，管理和可持續(xù)性（AIFARMS）研究所的人工智能的一部分。AIFARMS是一個(gè)多機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)，致力于推進(jìn)基礎(chǔ)人工智能，以應(yīng)對(duì)世界農(nóng)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。

古哈說，這種合作精神對(duì)于解決如此巨大的問題至關(guān)重要，這也是他被芝加哥大學(xué)吸引的原因之一。

“我來到芝加哥大學(xué)的一個(gè)重要原因是探索不同的追求并與這個(gè)專家網(wǎng)絡(luò)合作，”古哈說。“事實(shí)上，我的水項(xiàng)目始于與芝加哥大學(xué)法學(xué)院的Anup Malani的合作，然后通過與能源政策研究所（EPIC）和芝加哥大學(xué)德里辦事處的互動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展。問題是多方面的。有社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，政治因素，監(jiān)管因素，商業(yè)因素 - 對(duì)于當(dāng)今復(fù)雜的環(huán)境問題，您需要該網(wǎng)絡(luò)才能產(chǎn)生影響。

展望未來，Guha的目標(biāo)是進(jìn)一步降低傳感器單元的成本，同時(shí)簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)。

“傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路，因?yàn)槟�可以通過集成易于獲得的標(biāo)準(zhǔn)化組件來組合系統(tǒng)，”Guha說�！霸擃I(lǐng)域的未來研究將集中在使網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)得起，以便它們可以在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署。我們還在努力開發(fā)新的傳感器，可以輕松測(cè)量我們今天無法可靠測(cè)量的許多參數(shù)：例如土壤中的硝酸鹽含量以及水和土壤中的微生物含量。