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Nov 09, 2023

Para prever mudanças ambientais, pesquisadores criam uma nova geração de redes de sensores sem fio

16 de janeiro de 2023 Este

16 de janeiro de 2023

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por Andrew Nellis, Universidade de Chicago

A "internet das coisas", uma rede crescente de dispositivos interconectados - constituindo tudo, desde lâmpadas inteligentes a robôs de armazéns - é considerada um pilar central da "quarta revolução industrial" por causa de como melhora drasticamente a conectividade e o compartilhamento de informações.

Agora imagine essa teia se expandindo para além dos edifícios e na paisagem, formando uma rede sensorial que monitora o ar, o solo e a água em busca de poluição e teor de nutrientes. Essa rede é o objetivo de Supratik Guha, professor da Pritzker School of Molecular Engineering (PME) da Universidade de Chicago e consultor sênior do Argonne National Laboratory.

Ele e sua equipe estão desenvolvendo "redes de sensores sem fio" - matrizes de sensores que monitoram faixas de terra e água de um acre para rastrear a poluição, os níveis de umidade e a composição química. Esses sistemas, acredita Guha, revelarão dados extremamente necessários sobre a composição em rápida mudança do planeta.

“Essas redes de sensores fornecerão dados de alta densidade em tempo real, essenciais para criar uma imagem precisa de um ecossistema”, disse Guha. "Queremos ver como os rios estão sendo poluídos, quanto fertilizante está sendo lavado do solo. Com melhores dados, os ecologistas terrestres podem desenvolver melhores modelos de ciclagem de nitrogênio e dióxido de carbono; os agricultores podem usar exatamente a quantidade certa de água exatamente na hora certa. tempo."

Na agricultura, pequenos pontos de dados podem ter implicações de longo alcance. O conteúdo volumétrico de água - quanta água é absorvida em um determinado pedaço de terra - determina se um agricultor irriga seu campo hoje ou adia. Pouca água e as plantas podem murchar. O excesso de água agrava a erosão do solo, desperdiça um recurso cada vez mais raro e contamina o abastecimento a jusante.

O mesmo pode ser dito para a ecologia terrestre – os dados são rei. Mas dados de qualidade sobre mudanças ambientais de curto prazo têm sido historicamente difíceis de obter até recentemente.

Aproveitando o advento de sensores mais baratos e sistemas sem fio de baixa potência, como o Sigfox, o Prof. Guha e sua equipe criaram três redes de sensores ambientais separadas sob o nome de projeto Thoreau (em homenagem ao famoso naturalista Henry David Thoreau). Uma dessas redes monitora a qualidade da água em vários rios indianos, outra registra a umidade do solo ao redor do campus da Universidade de Chicago, enquanto uma terceira coleta informações do solo durante o ano todo em uma fazenda piloto perto do Fermi National Laboratory em Batavia, Illinois.

Ph.D. do quarto ano o estudante Gregory Grant, que trabalha no projeto, explica seu potencial mais amplo.

"Ao implantar sensores discretamente em um campo ou, digamos, uma floresta nacional ou uma reserva natural, podemos monitorar a qualidade da água ou a temperatura do solo", disse Grant. "Em um lugar como a Califórnia, essa é uma ferramenta poderosa para monitorar incêndios florestais ou ajudar no gerenciamento agrícola. Podemos tomar decisões informadas sobre perigos, uso de água, escoamento de fertilizantes, poluição - aprendemos muito."

A tecnologia de sensores evolui rapidamente e os componentes específicos usados ​​em cada uma das redes Thoreau variaram ao longo do tempo. A rede de fazendas Fermi (Thoreau 2.0) usa um sensor de solo relativamente barato conectado a uma placa de circuito revestida de plástico. Esses "nós" parecem algo semelhante a um pequeno smartphone sem tela com uma antena pontiaguda que se estende de uma extremidade.

Cada um dos 23 nós da fazenda está enterrado 30 centímetros abaixo da superfície, onde detectam o conteúdo volumétrico de água, temperatura e condutividade elétrica do solo. Quatro baterias AA de íon-lítio alimentam os nós, dando a eles uma vida útil operacional de aproximadamente quatro anos e meio.