Hurtigere fisk, der sporer gennem skyen

Den hurtigste måde at spore en fisk på er at bruge skyen, billedligt talt. En ny akustisk modtager, udviklet af forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og offentliggjort i IEEE Internet of Things Journal , sender nær-realtids fiskesporingsdata til den digitale sky og giver rettidig information til dæmningsoperatører og beslutningstagere om hvornår, hvor og hvor mange fisk der forventes at passere gennem dæmninger. I stedet for at stole på sæsonbestemte estimater af fiskevandring fra tidligere år, understøtter disse data fra mærkede fisk mere informerede beslutninger om dæmningsoperationer, der påvirker fiskepassage.

"Denne modtager leverer up-to-the-time data til dæmningsoperatører for at hjælpe med at træffe informerede dag-til-dag beslutninger til støtte for fiskepassage, som at justere vandstrømmen, når det er klart, at en stor gruppe unge fisk nærmer sig dæmningen ," sagde Jayson Martinez, en PNNL mekanisk ingeniør, der var med til at udvikle modtageren.

Vandkraftdæmninger er en vigtig kilde til pålidelig vedvarende energi, der genererer omkring seks procent af den samlede elektricitet i USA. At hjælpe fisk med at navigere dem sikkert er en vigtig del af at reducere dæmningers miljøpåvirkning. Den nye modtager er en vigtig brik i puslespillet i den igangværende bestræbelse på at forbedre fiskepassagen.

Opdateringer på timen

For at spore en fisk skal du bruge to stykker udstyr:en sender placeret på eller inde i selve fisken og en modtager i vandet til at opfange det transmitterede signal. Martinez og Daniel Deng, PNNL Laboratory Fellow og mekanisk ingeniør, udviklede den nye modtagerteknologi sammen med deres samarbejdspartnere som en del af en langsigtet indsats for at forbedre både sendere og modtagere.

"I de sidste to årtier har akustisk telemetri været forskernes foretrukne værktøj til at give høj nøjagtighed, fjernsporing af fisk," forklarede Deng. "Vi har arbejdet på at lave bedre, mindre sendere, der kan bruges til at studere flere fiskearter og livsstadier. Men at forbedre senderen er kun halvdelen af ​​udfordringen, den anden halvdel er at forbedre modtageren."

Aktuelt tilgængelige modtagere kommer med nogle væsentlige begrænsninger. Kabelførte modtagere kan transmittere data til land i realtid, men de skal være drevet af onshore-infrastruktur, hvilket begrænser deres placering til områder, hvor der er strøm tilgængelig. Autonome modtagere kan installeres på steder uden kabler og onshore-infrastruktur, men de skal gemme sporingsoplysninger lokalt, indtil de kan indsamles manuelt - hvilket betyder, at fiskesporingsdata ikke er tilgængelige i realtid. For at imødegå disse begrænsninger udviklede Martinez, Deng og deres samarbejdspartnere en autonom akustisk modtager, der trådløst kan uploade information til skyen, mens den er installeret under vandet på fjerntliggende eller svært tilgængelige steder langs vandløb og floder.

"Vores ultimative mål er at forsøge at levere realtidsinformation om fiskens placering og sundhed, og denne modtager er et stort skridt i retning af dette mål, idet den leverer dataopdateringer hver time til dæmningsoperatører," sagde Deng.

Computing på kanten

At transmittere data trådløst under vandet er en ekstremt langsom proces - op til 3 millioner gange langsommere end gennemsnitshastigheden på kabelinternet i hjemmet. For at omgå dette problem brugte forskere edge computing til at minimere, hvor meget data der skal overføres trådløst fra undervandet til skyen. Edge computing er en tilgang, der muliggør forbedret og effektiv databehandling ved at flytte computeren tættere på selve datakilden – i dette tilfælde behandles fiskesporingsdataene ved modtageren, før de transmitteres til skyen.

Typisk, når fisk mærket med akustiske sendere svømmer af autonome modtagere, bliver disse data indsamlet og gemt lokalt, indtil nogen besøger modtageren og downloader dataene. Dette tager ikke kun meget tid og penge, men det involverer også vigtige sikkerhedshensyn, fordi forskere ofte skal navigere til modtageren med båd. Derudover er den ikke idiotsikker.

"Hvad hvis du har brug for at lade en modtager stå ude i to måneder, før nogen kan indsamle dataene? Hvis noget går galt med modtageren i det tidsrum - som en sensor, der bliver oversvømmet med vand eller et batteri, der løber tør - er der ingen måde at vide det det, så du kan miste hele to måneders data," sagde Martinez.

Incorporating edge computing into the new receiver eliminates those issues. The new receiver collects data from fish transmitters as the fish swim by, then processes and compresses the data. Every hour, the compressed data is wirelessly sent to a small modem located onshore, which uploads the data directly to the cloud, where dam operators and decision-makers can access it. This provides near-real-time fish tracking and a heads up if something goes wrong with the receiver so any issues can be resolved quickly, minimizing data loss.

"There's a lot of energy saved during data transmission, which translates to more data that can be transmitted with less power, making the system more robust and efficient," explained Martinez. "You could even potentially run the onshore acoustic modem using renewable energy, like a solar-powered battery."

More than just a fish tracker

Another exciting aspect of the receiver is its potential to do much more than track fish—it's a flexible platform that could accommodate multiple sensors to collect a variety of data. These receiver platforms could provide simultaneous near-real-time data on water quality and environmental conditions along with fish location, answering valuable questions about fish and river health in a changing climate.

"Real-time information about fish location and environmental conditions, including in remote or difficult to access areas, are potentially very valuable for building environmental models to understand river habitats and fish populations in light of climate change," said Martinez.

Now that the receiver has been demonstrated in a controlled testing environment, the scientists plan to adapt it for a large-scale deployment in the future. In addition to Martinez and Deng, the team included PNNL researchers Yang Yang, Robbert Elsinghorst, Hongfei Hou, and Jun Lu. Deng holds a joint appointment at Virginia Tech. + Udforsk yderligere

Newly released data show how fish pass through dams