Новое поколение беспроводных сенсорных сетей для прогнозирования изменений окружающей среды

Исследователи создают сети беспроводных датчиков для мониторинга состояния почвы, воды и воздуха в реальном времени. Эти системы, разрабатываемые под руководством профессора Супратика Гухи из Притцкерской школы молекулярной инженерии Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории, призваны обеспечить сбор высокоплотных данных об экосистемах.

Цель проекта: получить точную картину экологических процессов — отслеживать загрязнение рек, вымывание удобрений из почвы, содержание влаги. Это позволит экологам создавать более точные модели круговорота азота и CO2, а фермерам — оптимизировать полив и использование ресурсов.

Три сети проекта Thoreau

Проект, названный в честь натуралиста Генри Дэвида Торо, включает три сети:

  1. Мониторинг качества воды в нескольких реках Индии (разработана в 2017 году).
  2. Измерение влажности почвы на территории кампуса Чикагского университета.
  3. Сбор данных о почве на опытной ферме близ Национальной лаборатории Ферми в Батавии, Иллинойс (Thoreau 2.0).

Как работает сеть на ферме

Сеть на ферме (Thoreau 2.0) состоит из 23 узлов, закопанных на глубину около 45 см. Каждый узел — это плата в пластиковом корпусе с датчиком, питаемая четырьмя AA литий-ионными батареями. Он измеряет:

  • Объемное содержание воды
  • Температуру
  • Электропроводность почвы

Ключевые технологии:

  • Низкое энергопотребление: Используется аппаратное обеспечение LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), передающее небольшие объемы данных на низких частотах ("zero-G" сети). Это обеспечивает срок службы узлов ~4,5 года.
  • Автономность: Данные собираются каждые 30 минут и передаются на 9-метровую солнечную базовую станцию в центре поля, а оттуда — в лабораторию. Система работает с 2019 года почти без обслуживания, не мешая сельхозработам.

Будущее и сотрудничество

Проект поддерживается NSF и USDA в рамках института AIFARMS (Artificial Intelligence for Future Agricultural Resilience, Management, and Sustainability), который занимается применением ИИ в сельском хозяйстве.

По словам Гухи, для решения сложных экологических проблем, имеющих социально-экономические, политические и регуляторные аспекты, необходимо междисциплинарное сотрудничество.

Планы на будущее:

  1. Снижение стоимости сенсорных блоков для массового глобального развертывания.
  2. Разработка новых датчиков для измерения параметров, которые сегодня отслеживать сложно, — например, содержания нитратов в почве или микробного состава в воде и почве.