狗為什么一直叫？被驚醒的你感到不安。你注意到了煙味，試圖打開床頭燈時，你發現停電了。然后你向窗外望去：橙色的火焰像一堵墻一樣爬上了附近的山坡。你叫醒家人，跑去開車。挽救了你們生命的，是來自石器時代的預警系統，也就是你的狗。這是幾百名加州人的經歷。在2017年的塔布斯大火、2018年的坎普山火和2020年8月的大規模復合火災案例中，清晨的人們還在睡夢中時，大風就將山火吹向了居民區。很多人沒有從床上爬起來，更不用說離開家了。在我們這個始終在線、充滿傳感器和互聯網連接的世界里，技術不應該做得更好嗎？技術在下風向幾英里的地方發揮作用，在持續撲滅山火的數天甚至數周里，灣區和薩克拉門托河三角洲地區的許多居民開始使用空氣質量傳感器網絡，特別是由美國政府維護的AirNow，以及眾包商業傳感器創建的PurpleAir。這兩大傳感器網絡的數據可以幫助居民決定外出時是否需要佩戴N95口罩、戶外運動或讓孩子們在戶外玩耍是否安全、室內空氣過濾器需要運行多長時間，以及開車出逃多遠合適。這些特定網絡使用安裝在建筑物上的傳感器，通過Wi-Fi將數據傳輸給基于Web的地圖程序。分布在灣區的這幾百個傳感器就足以識別煙霧傳播的明顯地區差異。例如，傳感器顯示，圣克魯斯山脈的地形保護了下風向的沿海城鎮免受煙霧影響，而薩克拉門托河三角洲則因為煙霧停滯在寬闊的低洼地區而受到很大的影響。傳感器能夠跟蹤這些地區的煙霧是件好事。但是為什么不將它們用在真正需要的地方，也就是這些山火開始的地方，在火勢蔓延之前發出警報呢？主要原因是如何獲取電源。安裝在建筑物上的傳感器可以插入墻上的電源插座。但在森林中探測起火的傳感器系統卻沒有這個條件。那么是否可以使用電池呢，每個傳感器節點至少一塊電池？請暫停片刻，看看你所在房間的煙霧探測器，想想你上次更換電池是什么時候。有點苦惱，是不是？一個監測整片森林、天然氣管道或任何關鍵基礎設施的傳感器網絡將需要數萬個甚至數百萬個傳感器和電池。要一大群人長途跋涉更換電池，光是想想就讓人筋疲力盡了，而且實施起來會非常昂貴，且不切實際。如果我們有一個很少用電或完全不用電的傳感器網絡，想象一下它可以監測多少重要的地方和事件，挽救多少生命。在橋梁和大壩，它可以報告它們的結構完整性；在城市街道，它可以報告暴雨內澇，還可以在電力線墜落時確定斷線的確切位置以及可能的火災風險。在討論如何創建這樣一個零功耗監測系統之前，讓我們先回顧一下分布式傳感器網絡的基本組成。除了電源和傳感器本身外，網絡中的每個節點都需要一臺計算機（微處理器或微控制器芯片）和一臺無線通信設備。通常，計算機處于控制狀態，以特定的時間間隔積累和處理傳感器數據，然后打開無線通信設備傳輸數據。如果電源的容量有限，如電池；或可用性有限，如太陽能電池板，計算機會監測和管理電源功耗。本文談到管理電源功耗時，關注的是無線通信設備使用的功率。無線通信設備可能非常耗電；無線信號的傳輸距離越遠，消耗的功率就越大。對于上文提到的PurpleAir和其他安裝在樓宇上的傳感器，無線信號的傳輸距離只需要幾米，要到達基站，可以使用低功耗藍牙或Zigbee等低功耗無線協議，要到達互聯網路由器，可以使用Wi-Fi。然而，在森林里，情況卻并非如此。即使使用網狀網絡，一種在返回主基站的途中，消息可以短途跳躍方式由一節點傳送到另一節點的協議，一個大范圍網絡也可能需要每個節點傳輸數公里。要到達如此長的距離，每臺無線通信設備的功率可能需要幾瓦，而非低功耗藍牙設備的幾毫瓦。有一種省電的方式是通過編程使計算機以固定的時間間隔（比如每小時一次）進行采樣和傳輸。或者，它可以持續監測傳感器的輸出數據，并僅在發生需要關注的事件（例如傳感器閾值超過規定）時傳輸數據。但無論哪種情況，計算機都必須始終運行，這意味著它最終會耗盡電池。還有一個更好的節約電池的方法是，在系統真正有重要數據需要傳輸之前，不使用任何電池。系統保持在超低功耗休眠模式甚至是電流開路模式，直到傳感器自己檢測到重要信號。在這種情況下，是傳感器在控制而不是計算機。傳感器將觸發計算機通電、處理數據和傳輸數據。然后，隨著傳輸完成，觸發狀態結束，系統關閉并返回休眠或完全斷電狀態。現在幾乎所有現代集成電路都有休眠或類似的模式，尤其是那些用于移動設備的集成電路，對它們來說，延長電池壽命至關重要。理想的傳感器預警系統，如夜間看家的寵物狗，通常會保持睡眠狀態；然而，一定的噪音或氣味閾值會讓它醒來并吠叫著發出警告。與睡覺的看家狗等價的傳感器被稱為“事件驅動型傳感器”（event-driven sensor）。在最常見的該形式傳感器中，它利用達到某個最小閾值的輸入移動并關閉機械開關，從而激活電路。一旦機械開關閉合，電路將從電池中獲取電力，然后執行更多的功率密集型任務，如數據處理和無線通信傳輸。利用微機電系統（MEMS）技術，我們可以在只有毫米大小的硅芯片上制造這樣的事件驅動型傳感器。只需微小的力就可以驅動它們，為嵌在硅芯片上的電子電路供電。在位于波士頓的美國東北大學，馬特奧?里納爾迪（Matteo Rinaldi）團隊演示了一種探測森林火災的事件驅動型傳感器，它可以對熱物體發出的紅外光做出反應。這種傳感器的表面有一個納米級金屬方形陣列，可以選擇性地吸收特定波長的光，使傳感器升溫。達到預定的溫度閾值時，金屬指針因吸收熱量產生變形，以機械方式閉合電氣開關。這個機制類似于老式家用恒溫器，但規模小得多。一旦刺激被移除，金屬指針就會恢復原來的形狀，開關打開。通過改變吸收器和機械開關的幾何形狀，我們可以定制這個傳感器，使其響應不同的波長和光強，可用在傳感器網絡中，密切注意森林火災產生的熱信號，或者用在安全應用中尋找某一類型車輛經過時產生的熱廢氣。在非活動狀態下，它的功耗幾乎為零，泄漏電流僅為幾毫微安。在等待觸發事件過程中，這款傳感器的原始電池可以使用數年。在位于達拉斯的得克薩斯大學，西亞瓦什?普爾卡馬利（Siavash Pourka-mali）團隊采取了不同的方法。他們開發了一種事件驅動型直流加速度計，能夠檢測傾斜度的變化。這可以用作一種安全裝置，當物體發生移動時可發出警報，或者用作包裹運輸監視器，測定包裹在運輸過程中是否發生翻轉。將它部署在傳感器網絡中，還可以檢測大型結構，如柵欄、管道、道路或橋梁的小角度變化，指示潛在的變形或開裂隱患。這種移動事件觸發傳感器的原理并不是新的。100年前，厘米級傾斜開關使用沿玻璃管滾動的導電水銀珠來閉合電路。當然，MEMS版的事件觸發傳感器尺寸只有幾毫米，替代水銀的是一塊懸掛的硅塊。當角度發生變化時，移位的硅塊會閉合電路。這種傳感器可以根據指定的傾斜閾值進行定制，并且在等待移動觸發時不消耗任何電源。這兩種事件驅動型傳感器在觸發事件發生后，仍需要電池為系統其余部分供電。被喚醒的計算機還必須處理傳感器數據，并根據其編程指令開始無線傳輸。如果節省使用，電池可以使用多年，但總有一天會耗盡。因此，最終的夢想是完全不用電池。雖然聽起來似乎不太可能實現，但無電池傳感器已經存在了。我們用一種常見的技術就可以制造它們：無線射頻識別（RFID）。RFID標簽可以是無源電子設備，沒有自己的電源，而是從一個叫做“讀卡器”的外部設備感應式獲取電源。讀卡器在一定距離內發射電磁能，與RFID標簽的天線進行耦合，并在RFID標簽的電路中產生瞬態電流。讀卡器和標簽的這種短暫耦合能夠傳輸少量信息，例如序列號或賬戶余額。這種RFID的典型應用是電子收費：無源RFID標簽放在汽車擋風玻璃上，汽車駛過安裝了讀卡器的高架門。RFID技術可以用來返回傳感器讀數，而不僅僅是標簽號。事實上，它已經在植入式醫療傳感器中使用多年，如心臟MEMS系統。在這個系統中，在主動脈瘤支架內有玻璃基MEMS電容式壓力傳感器，心臟病科醫師可將讀卡器放在患者軀干上，檢查支架泄漏。此外，利用RFID的供電和讀出方式，我們還可以做很多事情。在北京清華大學，尤政團隊開發了一種聲波傳感器，可以無源的方式精確地檢測溫度變化。這款設備的原理是：壓電結構的中心頻率隨著溫度變化，RFID讀卡器的電路可容易地檢測到微小的頻率變化。通過在壓電材料表面添加化學選擇性吸收涂層，傳感器可以測量氣體濃度。當涂層吸收了目標氣體分子后，壓電材料上面的質量會增加，重新改變共振頻率。任何能夠將物理現象轉化為諧振頻率變化的傳感器都可以通過RFID讀取，無需電池即可操作。在這種情況下，面臨的挑戰是如何使讀卡器足夠靠近網絡中的每個傳感器。很難想象要為森林火災探測系統這樣做。在傳感器和讀卡器上安裝一個大天線肯定會有所幫助，但即使在最好的情況下，我們也只能看到幾米的距離，就像在電子收費站一樣。盡管如此，只要傳輸范圍還有幾米遠，按特定路線在網絡上空飛行的無人機就可讀取無電池無源傳感器組成的大范圍傳感器網絡中的數據。在倫敦帝國理工學院，埃里克?耶特曼（Eric Yeatman）團隊一直在為這種無人機數據收集開發所需的硬件平臺。無人機飛到每個傳感器節點位置，給節點供電，然后收集數據。為了提供充足的電源，傳感器網絡采用超級電容器，通過感應無線電源傳送進行充電。無人機最適合空曠空間的傳感器網絡，例如農場、溝渠、管道、橋梁或大壩。2017年2月，加州奧羅維爾大壩因控制排放的雨水過多導致大壩溢洪道被破壞，如果當時有大范圍傳感器網絡，就可以在大壩管理方面發揮作用。傾瀉水流侵蝕了大壩的地基，可能破壞了大壩的完整性。地方政府命令附近18萬多名居民撤離，直到完成更詳細的檢查，確定大壩是安全的。如果當時有一個大范圍結構監測傳感器網絡，當局就可以收集數據，確定大壩的狀態，做出及時和明智的決定，明確是否確實需要撤離。（最后，令人擔憂的潰壩并未發生。）同樣，2018年意大利熱那亞莫蘭迪大橋坍塌也是由老化的基礎設施和惡劣天氣共同造成的。如果安裝了傳感器網絡，可及時檢測到橋跨的老化，而不是零星和稀疏的檢查，這場導致43人喪生的災難本來是可以避免的。事件驅動型或零功率傳感器是否準備好用于探測偏遠地區的山火爆發了呢？我們還沒有到那一步，但我們已經越來越接近。這種大范圍傳感器網絡的所有關鍵部件都處于不同的技術成熟狀態；再經過幾年的開發和產品集成，它們將變成現實。也許更大的挑戰將是如何鼓動地區和聯邦政府購買這種網絡，并部署在最有用的地方，或者實現類似PurpleAir的眾包傳感器網絡。為實現零功率傳感器付出努力和經費是非常值得的；僅部署它們用于山火預警，就值得研發投資。山火已經造成了如此巨大的損失，并繼續威脅著生命、財產、棲息地和吸入煙霧的數百萬人的長期健康。想象一下加州未來的火災季節。在遠離房屋的地方，閃電擊中并點燃了一棵樹，火勢開始蔓延。在微弱的煙味喚醒你的狗之前，森林中的傳感器就被喚醒并向火災監測站發出警報。最后，有充足的時間和信息來模擬火勢的發展，并向火勢蔓延路徑上的每部手機發出撤離警報。作者：Alissa M. FitzgeraldIEEE Spectrum《科技縱覽》官方微信公眾平臺往期推薦火警探測無人機智能化監測預警助力山區泥石流防災減災“從發現到發生”：實時監測預警助力特大滑坡防災減災 查看全文
