格陵兰岛已经建立了一个移动环境观测站,它提供来自位于北极大陆的许多无线连接传感器的几乎实时数据。
同时实时数据从空气、冰、地面、河流和海洋环境中收集,并传输给在丹麦奥胡斯大学北极研究中心工作的气候科学家。
为了使数据持续可用,已经克服了许多挑战,尤其是在北极冬季期间产生能量的需要,以便为仪器提供来自在极低温度下运行的电池的可靠电力。
希望该项目的成功将为全球远程环境数据采集和卫星传输提供一个模型。
远程移动天文台
ARC-MO北极研究中心移动观测站是一个在格陵兰岛建立两个可远程操作的集装箱气象站的项目。2 米长的风能和太阳能绝缘容器配备连续测量大量温度、湿度、化学、辐射和生物相关数据。每天对记录的数据进行平均和传输——主要传输给奥胡斯大学的北极研究团队。来自该站的数据可在Gios.org上提供给感兴趣的各方
屋顶上的两块太阳能电池板和每个集装箱朝南的墙壁上的另外两块太阳能电池板在夏季提供充足的电力。之所以选择 380W 双串面板,是因为它们可以抵抗“阴影效应”,因为雪堆经常会遮挡其表面的一部分。在实践中,当被 85-90 厘米的雪堆遮挡时,垂直面板仍可提供其额定输出的 50%……而传统面板在覆盖深度为 20 厘米时无法收集能量。
全年电力
在没有阳光的北极冬季,当太阳能输出降至零时,电力由 Superwind 353 风力涡轮机提供。这些装置的切入风速为 3.5 米/秒,感觉就像微风 (Beaufort F3) ……没有风速上限。在 12.5m/s (Beaufort F6) 时,24V 涡轮机的功率输出为 350W。当电池充满电时,隔热容器将被涡轮调节器散热器的翅片加热。目前每个集装箱有一个涡轮机,但计划有两个。
电力装置由丹麦公司设计建造和提供:MG Solar;Solar Polaris 和 Scanpotec,包括以下设备和地形:
- 2 个SmartSolar MPPT 150/35
- 赛博GX
- GX 触控 50
- 智能分流器500A/50mV
- Lynx 分流器 VE.Can
- 山猫经销商
- 电池保护12/24V-65A
- 32 x Hoppecke Grid Xtreme VR 12-165FT
- 4 x REC Alpha REC370AA – 370 Wp
- 2 x Superwind SW 353 带充电调节器
63kWh 的电池存储被关在笼子里,并通过直升飞机从一艘丹麦海军舰艇(将设备运送到现场)转移到气象站的位置。
远程控制
由于该位置在一年中的很多个月都无法实际访问,因此必须通过称为BatteryProtect的设备保护电池免受过度耗尽 ——如果电池低于 40% 的充电状态,该设备将降低负载( SoC),从而避免电池损坏甚至失效。当再次接收到充电电流并且电池爬升超过预定的 SoC 阈值时,服务将恢复。
Cerbo GX协调系统充电/放电周期并将功率数据报告给免费使用的在线平台VRM,从该平台可以查看系统数据并根据需要从世界任何地方更改编程。
电池能量提供给综合部署测量温度、风速、湿度和辐射等气候数据的科学仪器;气体分析仪、超声波、无线电、热和光测量设备读数——所有这些设备的数据都由数据记录器记录。摄影器材记录了夏季昆虫和植物生命的到来和生长。
数据存储
关于这个远见卓识的项目的各个方面,一篇广泛的文章已经公开发表。它是由 Søren Rysgaard 等人撰写的——我们引用他们的话:
来自 ARC-MO 装置的大气和地面数据直接收集在配备 16 GB 工业级 microSD 存储卡的 CR6 数据记录器上。海洋数据存储在顶部单元中。每天,所有数据都与位于容器内的本地计算机(Lenovo T 550)同步 HF 数据通过 ftp 协议直接从记录器存储卡收集,LF 数据使用具有内置计划收集功能的 LoggerNet 软件同步. 所有数据都保存在联想T550电脑的内置硬盘上。本地计算机每天启动 Iridium 连接并将单个 LF 数据文件传输到数据服务器。
Lenovo T 550 计算机用于两个容器(海洋、陆地)中的数据处理、FTP 和应用程序服务器。该型号具有适合在极端环境(低温、高湿、低功耗)下工作的标准操作规范。它还设计用于在电源故障后重新启动。来自数据记录器和摄像头系统的平均数据和高频数据都存储在 2 Tb SSD 硬盘上。
在这两个容器中,服务器运行一个预定的作业,用于通过 Iridium 卫星系统 (Iridium Sailor 4300) 传输数据。该作业打开继电器为 Iridium 调制解调器供电,压缩数据文件,等待互联网连接建立,然后通过 FTP 传输数据。然后连接关闭,调制解调器断电。数据文件目前传输到奥胡斯大学的 FTP 服务器。如果未建立连接和/或数据文件未成功传输,计算机将稍后尝试发送数据文件。也可以选择通过外部 FTP 连接访问站点并下载数据或上传新应用程序或设置文件(通过静态 IP 地址和使用端口转发)。仅发送平均结果文件和状态文件,目前每天低于 100 Kb。最大传输速度为 172 Kb/s。来自相机系统的原始文件(高频数据等)和图片保存在硬盘上(只要空间可用,也保存在 Campbell 数据记录器上)。为了使遥测成本保持在可接受的范围内,需要在访问该站时收集这些文件。
无线网络连接
在两个容器之间,Ubiquiti Rockets (Prism 5AC 5 GHz) 和 Ubiquiti airMax 圆盘天线通过远程 Wi-Fi 连接建立数据链路。两个集装箱之间的距离为 25 公里。此外,可以在站内传输数据。更具体地说,在陆地容器 (Zackenberg) 和摄像头系统以及湖泊站点之间。在那里,TP Link CPE 210 建立了 Wi-Fi 连接。我们选择了 2.4GHz 的系统,因为树莓派电脑也是通过 Wi-Fi 连接的,不支持 5GHz。摄像头系统仅在夏季(5 月 1 日至 8 月 31 日)运行。在今年余下的时间里,Wi-Fi 系统将关闭。
数据访问
存储在 FTP 服务器上的数据通过在本地服务器上运行的下载脚本自动传输到本地 PostgreSQL 数据库。在那里,处理脚本从测量结果中生成派生值,以计算参数,例如海冰厚度以及系统和系统组件的状态。然后将数据库与 Grafana 仪表板链接,以可视化系统中选定的测量值、派生值和健康参数。此链的每个链接都通过 Docker 容器本地部署在服务器上,这允许安装可重现和可扩展。编码是在 Python 编程环境中完成的,这使得大量用户易于阅读和重用。
Grafana 仪表板允许动态更改可视化的时间范围并概览所有可用数据。我们在 Grafana 仪表板中结合使用标准绘图工具和自定义插件(plotly,Grafana Labs)来显示声学多普勒电流剖面仪 (ADCP) 的时间序列数据和剖面数据。不同数据图之间的视觉链接可以通过所有图表上显示的重复光标来建立。此外,Grafana 允许根据接收到的数据生成警报,这允许用户通过系统状态的变化或传感器检测到的环境变化来通知用户。
所有显示的数据(原始数据、过滤数据和派生数据)都可以通过应用程序以 csv 格式直接下载。这包括传感器生成的原始数据、过滤数据和派生数据。数据块可以通过链接、快照共享,也可以通过自动生成的 html 代码嵌入。