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Supratik Guha教授開創了無線傳感器網絡，該系統能夠實時監測土壤和水質，改善了氣候建模和準確農業的環境數據。如上所示，大型傳感器平臺用于測量葉綠素和色氨酸等水參數。分享：約翰·齊奇

“物聯網”是一個不斷增長的互聯設備網絡 - 包括從智能燈泡到倉庫機器人的一切 - 被認為是“第四次工業”的核心支柱，因為它改善了連接和信息共享。

現在想象一下，網絡從建筑物擴展到景觀中，形成一個感官網絡，監測空氣、土壤和水中的污染和營養成分。這樣一個網絡是芝加哥大學普利茲克分子工程學院（PME）教授、阿貢國家實驗室顧問Supratik Guha的目標。

他和他的團隊正在開發“無線傳感器網絡”——傳感器陣列，可以監視一英畝寬的土地和水域，以跟蹤污染、濕度水平和化學成分。古哈認為，這些系統將解鎖地球快速變化的組成急需的數據。

“這些傳感器網絡將提供實時、高密度的數據，這對于創建生態系統的準確圖片至關重要，”Guha說。“我們想看看河流是如何被污染的，有多少肥料被沖出土壤。有了更好的數據，陸地生態學家可以開發更好的氮和二氧化碳循環模型;農民可以在正確的時間使用適量的水。

在農業中，小數據點可以產生深遠的影響。體積含水量 - 有多少水被吸收到特定的泥土中 - 決定了農民今天是灌溉他的田地還是推遲灌溉。水太少，植物可能會枯萎。過多的水會加劇土壤侵蝕，浪費資源，并污染下游供應。

陸地生態學也是如此——數據為王。但是，直到近期，關于短期環境變化的質量數據歷來很難獲得。

利用較便宜的傳感器和低功耗無線系統（如Sigfox）的出現，Guha教授和他的團隊以梭羅（以博物學家亨利·大衛·梭羅的名字命名）創建了三個獨立的環境傳感器網絡。一個這樣的網絡監測幾條印度河流的水質，另一個記錄芝加哥大學校園周圍的地面濕度，而第三個網絡在伊利諾伊州巴達維亞費米國家實驗室附近的一個試點農場全年收集土壤信息。

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

“通過在田野或國家森林或自然保護區不顯眼地部署傳感器，我們可以監測水質或土壤溫度，”格蘭特說。“在像加利福尼亞這樣的地方，這是監測野火或幫助農業管理的有力工具。我們可以就危害、用水、肥料徑流、污染做出明智的決定——我們學到了很多東西。

網絡的通信節點（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。學分：古哈實驗室

傳感器技術發展迅速，每個梭羅網絡中使用的特定組件隨著時間的推移而變化。費米農場網絡（梭羅2.0）使用相對便宜的土壤傳感器連接到塑料封裝的電路板。這些“節點”看起來類似于一個小型的無屏幕智能手機，其一端有一個尖頭天線。

農場的 23 個節點中的每一個都埋在地表以下一英尺半的地方，在那里它們檢測體積含水量、溫度和土壤電導率。四個AA鋰離子電池為節點供電，使其使用壽命約為四年半。

傳感器壽命的關鍵是它們使用低功耗廣域網（LPWAN）硬件，這是一種以較低頻率傳輸少量數據的技術，有時稱為“零G”網絡。

一旦被埋葬，節點每三十分鐘收集一次信息，將其中繼到位于場地中間的30英尺高的太陽能基站，該基站又將信息傳輸到Guha的實驗室。處理后，數據將公開顯示在項目網頁上。

該網絡自 2019 年開始運營，幾乎不需要維護，這表明它可以在不干擾日常農場運營的情況下運行多年。

古哈教授的一個監測河流污染的環境傳感器網絡于2017年在印度開發。從那時起，他和他的團隊加入了一項全球合作努力，將先進的技術應用于環境可持續性和先進農業。

NSF和美國農業部支持該試點網絡，作為未來農業復原力，管理和可持續性（AIFARMS）研究所的人工智能的一部分。AIFARMS是一個多機構機構，致力于推進基礎人工智能，以應對世界農業面臨的重要挑戰。

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

“我來到芝加哥大學的一個重要原因是探索不同的追求并與這個專家網絡合作，”古哈說。“事實上，我的水項目始于與芝加哥大學法學院的Anup Malani的合作，然后通過與能源政策研究所（EPIC）和芝加哥大學德里辦事處的互動進一步發展。問題是多方面的。有社會經濟因素，政治因素，監管因素，商業因素 - 對于當今復雜的環境問題，您需要該網絡才能產生影響。

展望未來，Guha的目標是進一步降低傳感器單元的成本，同時簡化整個系統。

“傳感器網絡已經走了很長一段路，因為您可以通過集成易于獲得的標準化組件來組合系統，”Guha說。“該領域的未來研究將集中在使網絡負擔得起，以便它們可以在全球范圍內大規模部署。我們還在努力開發新的傳感器，可以輕松測量我們今天無法可靠測量的許多參數：例如土壤中的硝酸鹽含量以及水和土壤中的微生物含量。