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(fā)現(xiàn)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(yù)警系統(tǒng)，也就是你的狗。這是幾百名加州人的經(jīng)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(guī)模復(fù)合火災(zāi)案例中，清晨的人們還在睡夢中時，大風(fēng)就將山火吹向了居民區(qū)。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(lián)網(wǎng)連接的世界里，技術(shù)不應(yīng)該做得更好嗎？技術(shù)在下風(fēng)向幾英里的地方發(fā)揮作用，在持續(xù)撲滅山火的數(shù)天甚至數(shù)周里，灣區(qū)和薩克拉門托河三角洲地區(qū)的許多居民開始使用空氣質(zhì)量傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別是由美國政府維護(hù)的AirNow，以及眾包商業(yè)傳感器創(chuàng)建的PurpleAir。這兩大傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)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(nèi)空氣過濾器需要運行多長時間，以及開車出逃多遠(yuǎn)合適。這些特定網(wǎng)絡(luò)使用安裝在建筑物上的傳感器，通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)傳輸給基于Web的地圖程序。分布在灣區(qū)的這幾百個傳感器就足以識別煙霧傳播的明顯地區(qū)差異。例如，傳感器顯示，圣克魯斯山脈的地形保護(hù)了下風(fēng)向的沿海城鎮(zhèn)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(qū)而受到很大的影響。傳感器能夠跟蹤這些地區(qū)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(fā)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(tǒng)卻沒有這個條件。那么是否可以使用電池呢，每個傳感器節(jié)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(jiān)測整片森林、天然氣管道或任何關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的傳感器網(wǎng)絡(luò)將需要數(shù)萬個甚至數(shù)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(wǎng)絡(luò)，想象一下它可以監(jiān)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(jié)構(gòu)完整性；在城市街道，它可以報告暴雨內(nèi)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(zāi)風(fēng)險。在討論如何創(chuàng)建這樣一個零功耗監(jiān)測系統(tǒng)之前，讓我們先回顧一下分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成。除了電源和傳感器本身外，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)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(shè)備。通常，計算機處于控制狀態(tài)，以特定的時間間隔積累和處理傳感器數(shù)據(jù)，然后打開無線通信設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。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(jiān)測和管理電源功耗。本文談到管理電源功耗時，關(guān)注的是無線通信設(shè)備使用的功率。無線通信設(shè)備可能非常耗電；無線信號的傳輸距離越遠(yuǎn)，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(dá)基站，可以使用低功耗藍(lán)牙或Zigbee等低功耗無線協(xié)議，要到達(dá)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，一種在返回主基站的途中，消息可以短途跳躍方式由一節(jié)點傳送到另一節(jié)點的協(xié)議，一個大范圍網(wǎng)絡(luò)也可能需要每個節(jié)點傳輸數(shù)公里。要到達(dá)如此長的距離，每臺無線通信設(shè)備的功率可能需要幾瓦，而非低功耗藍(lán)牙設(shè)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(jìn)行采樣和傳輸?；蛘撸梢猿掷m(xù)監(jiān)測傳感器的輸出數(shù)據(jù)，并僅在發(fā)生需要關(guān)注的事件（例如傳感器閾值超過規(guī)定）時傳輸數(shù)據(jù)。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(jié)約電池的方法是，在系統(tǒng)真正有重要數(shù)據(jù)需要傳輸之前，不使用任何電池。系統(tǒng)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(fā)計算機通電、處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。然后，隨著傳輸完成，觸發(fā)狀態(tài)結(jié)束，系統(tǒng)關(guān)閉并返回休眠或完全斷電狀態(tài)。現(xiàn)在幾乎所有現(xiàn)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(shè)備的集成電路，對它們來說，延長電池壽命至關(guān)重要。理想的傳感器預(yù)警系統(tǒng)，如夜間看家的寵物狗，通常會保持睡眠狀態(tài)；然而，一定的噪音或氣味閾值會讓它醒來并吠叫著發(fā)出警告。與睡覺的看家狗等價的傳感器被稱為“事件驅(qū)動型傳感器”（event-driven sensor）。在最常見的該形式傳感器中，它利用達(dá)到某個最小閾值的輸入移動并關(guān)閉機械開關(guān)，從而激活電路。一旦機械開關(guān)閉合，電路將從電池中獲取電力，然后執(zhí)行更多的功率密集型任務(wù)，如數(shù)據(jù)處理和無線通信傳輸。利用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，我們可以在只有毫米大小的硅芯片上制造這樣的事件驅(qū)動型傳感器。只需微小的力就可以驅(qū)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(xué)，馬特奧?里納爾迪（Matteo Rinaldi）團隊演示了一種探測森林火災(zāi)的事件驅(qū)動型傳感器，它可以對熱物體發(fā)出的紅外光做出反應(yīng)。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(dá)到預(yù)定的溫度閾值時，金屬指針因吸收熱量產(chǎn)生變形，以機械方式閉合電氣開關(guān)。這個機制類似于老式家用恒溫器，但規(guī)模小得多。一旦刺激被移除，金屬指針就會恢復(fù)原來的形狀，開關(guān)打開。通過改變吸收器和機械開關(guān)的幾何形狀，我們可以定制這個傳感器，使其響應(yīng)不同的波長和光強，可用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，密切注意森林火災(zāi)產(chǎn)生的熱信號，或者用在安全應(yīng)用中尋找某一類型車輛經(jīng)過時產(chǎn)生的熱廢氣。在非活動狀態(tài)下，它的功耗幾乎為零，泄漏電流僅為幾毫微安。在等待觸發(fā)事件過程中，這款傳感器的原始電池可以使用數(shù)年。在位于達(dá)拉斯的得克薩斯大學(xué)，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(fā)了一種事件驅(qū)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(dāng)物體發(fā)生移動時可發(fā)出警報，或者用作包裹運輸監(jiān)視器，測定包裹在運輸過程中是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)。將它部署在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，還可以檢測大型結(jié)構(gòu)，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(fā)傳感器的原理并不是新的。100年前，厘米級傾斜開關(guān)使用沿玻璃管滾動的導(dǎo)電水銀珠來閉合電路。當(dāng)然，MEMS版的事件觸發(fā)傳感器尺寸只有幾毫米，替代水銀的是一塊懸掛的硅塊。當(dāng)角度發(fā)生變化時，移位的硅塊會閉合電路。這種傳感器可以根據(jù)指定的傾斜閾值進(jìn)行定制，并且在等待移動觸發(fā)時不消耗任何電源。這兩種事件驅(qū)動型傳感器在觸發(fā)事件發(fā)生后，仍需要電池為系統(tǒng)其余部分供電。被喚醒的計算機還必須處理傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)其編程指令開始無線傳輸。如果節(jié)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(xiàn)，但無電池傳感器已經(jīng)存在了。我們用一種常見的技術(shù)就可以制造它們：無線射頻識別（RFID）。RFID標(biāo)簽可以是無源電子設(shè)備，沒有自己的電源，而是從一個叫做“讀卡器”的外部設(shè)備感應(yīng)式獲取電源。讀卡器在一定距離內(nèi)發(fā)射電磁能，與RFID標(biāo)簽的天線進(jìn)行耦合，并在RFID標(biāo)簽的電路中產(chǎn)生瞬態(tài)電流。讀卡器和標(biāo)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(yīng)用是電子收費：無源RFID標(biāo)簽放在汽車擋風(fēng)玻璃上，汽車駛過安裝了讀卡器的高架門。RFID技術(shù)可以用來返回傳感器讀數(shù)，而不僅僅是標(biāo)簽號。事實上，它已經(jīng)在植入式醫(yī)療傳感器中使用多年，如心臟MEMS系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，在主動脈瘤支架內(nèi)有玻璃基MEMS電容式壓力傳感器，心臟病科醫(yī)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(xué)，尤政團隊開發(fā)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(shè)備的原理是：壓電結(jié)構(gòu)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(xué)選擇性吸收涂層，傳感器可以測量氣體濃度。當(dāng)涂層吸收了目標(biāo)氣體分子后，壓電材料上面的質(zhì)量會增加，重新改變共振頻率。任何能夠?qū)⑽锢憩F(xiàn)象轉(zhuǎn)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(zhàn)是如何使讀卡器足夠靠近網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器。很難想象要為森林火災(zāi)探測系統(tǒng)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(yuǎn)，按特定路線在網(wǎng)絡(luò)上空飛行的無人機就可讀取無電池?zé)o源傳感器組成的大范圍傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。在倫敦帝國理工學(xué)院，埃里克?耶特曼（Eric Yeatman）團隊一直在為這種無人機數(shù)據(jù)收集開發(fā)所需的硬件平臺。無人機飛到每個傳感器節(jié)點位置，給節(jié)點供電，然后收集數(shù)據(jù)。為了提供充足的電源，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用超級電容器，通過感應(yīng)無線電源傳送進(jìn)行充電。無人機最適合空曠空間的傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如農(nóng)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(dǎo)致大壩溢洪道被破壞，如果當(dāng)時有大范圍傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以在大壩管理方面發(fā)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(xì)的檢查，確定大壩是安全的。如果當(dāng)時有一個大范圍結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)局就可以收集數(shù)據(jù)，確定大壩的狀態(tài)，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(dān)憂的潰壩并未發(fā)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(chǔ)設(shè)施和惡劣天氣共同造成的。如果安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)致43人喪生的災(zāi)難本來是可以避免的。事件驅(qū)動型或零功率傳感器是否準(zhǔn)備好用于探測偏遠(yuǎn)地區(qū)的山火爆發(fā)了呢？我們還沒有到那一步，但我們已經(jīng)越來越接近。這種大范圍傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有關(guān)鍵部件都處于不同的技術(shù)成熟狀態(tài)；再經(jīng)過幾年的開發(fā)和產(chǎn)品集成，它們將變成現(xiàn)實。也許更大的挑戰(zhàn)將是如何鼓動地區(qū)和聯(lián)邦政府購買這種網(wǎng)絡(luò)，并部署在最有用的地方，或者實現(xiàn)類似PurpleAir的眾包傳感器網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)零功率傳感器付出努力和經(jīng)費是非常值得的；僅部署它們用于山火預(yù)警，就值得研發(fā)投資。山火已經(jīng)造成了如此巨大的損失，并繼續(xù)威脅著生命、財產(chǎn)、棲息地和吸入煙霧的數(shù)百萬人的長期健康。想象一下加州未來的火災(zāi)季節(jié)。在遠(yuǎn)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(zāi)監(jiān)測站發(fā)出警報。最后，有充足的時間和信息來模擬火勢的發(fā)展，并向火勢蔓延路徑上的每部手機發(fā)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(jiān)測預(yù)警助力山區(qū)泥石流防災(zāi)減災(zāi)“從發(fā)現(xiàn)到發(fā)生”：實時監(jiān)測預(yù)警助力特大滑坡防災(zāi)減災(zāi) 查看全文
