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Nov 09, 2023

Para predecir los cambios ambientales, los investigadores crean una nueva generación de redes de sensores inalámbricos

16 de enero de 2023 Este

16 de enero de 2023

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por Andrew Nellis, Universidad de Chicago

El "internet de las cosas", una red cada vez mayor de dispositivos interconectados, que constituyen todo, desde bombillas inteligentes hasta robots de almacén, se postula como un pilar central de la "cuarta revolución industrial" debido a la forma en que mejora drásticamente la conectividad y el intercambio de información.

Ahora imagine que la red se expande más allá de los edificios y hacia el paisaje, formando una red sensorial que monitorea el aire, el suelo y el agua en busca de contaminación y contenido de nutrientes. Dicha red es el objetivo de Supratik Guha, profesor de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago y asesor principal del Laboratorio Nacional Argonne.

Él y su equipo están desarrollando "redes de sensores inalámbricos": conjuntos de sensores que vigilan extensiones de tierra y agua de un acre de ancho para rastrear la contaminación, los niveles de humedad y la composición química. Estos sistemas, cree Guha, desbloquearán datos muy necesarios sobre la composición rápidamente cambiante del planeta.

"Estas redes de sensores proporcionarán datos de alta densidad en tiempo real que son esenciales para crear una imagen precisa de un ecosistema", dijo Guha. "Queremos ver cómo se contaminan los ríos, cuánto fertilizante se elimina del suelo. Con mejores datos, los ecólogos terrestres pueden desarrollar mejores modelos de ciclos de nitrógeno y dióxido de carbono; los agricultores pueden usar exactamente la cantidad correcta de agua exactamente en el momento correcto". tiempo."

En la agricultura, los pequeños puntos de datos pueden tener implicaciones de gran alcance. El contenido volumétrico de agua (cuánta agua se absorbe en una mancha particular de tierra) dicta si un agricultor riega su campo hoy o lo pospone. Muy poca agua y las plantas pueden marchitarse. Demasiada agua exacerba la erosión del suelo, desperdicia un recurso cada vez más escaso y contamina el suministro río abajo.

Lo mismo puede decirse de la ecología terrestre: los datos mandan. Pero históricamente ha sido difícil obtener datos de calidad sobre los cambios ambientales a corto plazo hasta hace poco.

Aprovechando la llegada de sensores menos costosos y sistemas inalámbricos de baja potencia como Sigfox, el profesor Guha y su equipo han creado tres redes de sensores ambientales separadas bajo el nombre del proyecto Thoreau (en honor al famoso naturalista Henry David Thoreau). Una de esas redes monitorea la calidad del agua en varios ríos indios, otra registra la humedad del suelo alrededor del campus de la Universidad de Chicago, mientras que una tercera recopila información del suelo durante todo el año en una granja piloto cerca del Laboratorio Nacional Fermi en Batavia, Illinois.

Doctorado de cuarto año el estudiante Gregory Grant, que trabaja en el proyecto, explica su potencial más amplio.

"Al desplegar sensores discretamente en un campo o, digamos, un bosque nacional o una reserva natural, podemos monitorear la calidad del agua o la temperatura del suelo", dijo Grant. "En un lugar como California, esa es una herramienta poderosa para controlar los incendios forestales o ayudar a la gestión agrícola. Podemos tomar decisiones informadas sobre los peligros, el uso del agua, la escorrentía de fertilizantes, la contaminación; aprendemos mucho".

La tecnología de sensores evoluciona rápidamente y los componentes particulares utilizados en cada una de las redes de Thoreau han variado con el tiempo. La red agrícola de Fermi (Thoreau 2.0) utiliza un sensor de suelo relativamente económico conectado a una placa de circuito recubierta de plástico. Estos "nodos" se parecen a un pequeño teléfono inteligente sin pantalla con una antena puntiaguda que se extiende desde un extremo.

Cada uno de los 23 nodos de la granja están enterrados un pie y medio debajo de la superficie donde detectan el contenido volumétrico de agua, la temperatura y la conductividad eléctrica del suelo. Cuatro baterías AA de iones de litio alimentan los nodos, lo que les otorga una vida útil operativa de aproximadamente cuatro años y medio.

La clave para la longevidad de los sensores es su uso de hardware de red de área amplia de baja potencia (LPWAN), una tecnología que transmite pequeñas cantidades de datos a frecuencias más bajas, a veces denominadas redes "cero-G".

Una vez enterrados, los nodos recopilan información cada treinta minutos y la transmiten a una estación base de energía solar de 30 pies de altura situada en el medio del campo, que a su vez transmite la información al laboratorio de Guha. Una vez procesados, los datos se muestran públicamente en la página web del proyecto.

La red ha estado en funcionamiento desde 2019 y casi no ha requerido mantenimiento, lo que demuestra que puede funcionar durante años sin interferir con las operaciones diarias de la granja.

La primera red de sensores ambientales del profesor Guha para monitorear la contaminación de los ríos se desarrolló en 2017 en India. Desde entonces, él y su equipo se han unido a un esfuerzo de colaboración global para aplicar tecnología de punta hacia la sustentabilidad ambiental y la agricultura avanzada.

La NSF y el USDA apoyan la red piloto como parte del Instituto de Inteligencia Artificial para la Resiliencia, Gestión y Sostenibilidad Agrícolas del Futuro (AIFARMS). AIFARMS es un organismo multiinstitucional que promueve la IA fundamental para abordar los importantes desafíos que enfrenta la agricultura mundial.

Ese espíritu de colaboración, dice Guha, es esencial para abordar problemas tan grandes y una de las razones por las que se sintió atraído por UChicago.

"Una de las principales razones por las que vine a la Universidad de Chicago fue para explorar diferentes actividades y trabajar con esta red de expertos", dijo Guha. "De hecho, mi proyecto de agua comenzó a partir de una colaboración con Anup Malani de la Facultad de Derecho de UChicago, y luego creció aún más a través de interacciones con el Instituto de Política Energética (EPIC) y la oficina de Delhi de la Universidad de Chicago. Los problemas son multifacéticos. Hay socio -consideraciones económicas, consideraciones políticas, consideraciones regulatorias, consideraciones comerciales: para los complicados problemas ambientales de hoy, necesita esa red para tener un impacto real".

Mirando hacia el futuro, Guha tiene como objetivo reducir aún más el costo de sus unidades de sensores mientras simplifica el sistema en su conjunto.

"Las redes de sensores han recorrido un largo camino, ya que se puede armar un sistema integrando componentes estandarizados y fácilmente disponibles", dijo Guha. "La investigación futura en esta área se centrará en hacer que las redes sean asequibles para que puedan implementarse a escala, globalmente. También estamos trabajando para desarrollar nuevos sensores que puedan medir fácilmente muchos parámetros que no podemos medir de manera confiable hoy en día, como el contenido de nitrato. en el suelo y el contenido microbiano en el agua y el suelo".

Proporcionado por la Universidad de Chicago