新型野火看门狗

为什么当你醒来时，你想知道狗在叫吗?你闻到了一股烟味，当你试图打开床边的灯时，却发现没电了。然后你看到窗外:一堵橙色的火焰墙，爬上附近的山坡。你叫醒家人，跑向汽车。石器时代的预警系统拯救了你们的生命:你们的狗。

这是数百名加州人的经历。在2017年的塔布斯火灾、2018年的营火和2020年8月的复杂火灾中，清晨居民熟睡时，强风将火焰吹过人口密集地区。很多人都没能从床上爬起来，更不用说回到家了。在我们这个永远在线、布满传感器、连接互联网的世界里，科技难道不应该做得更好吗?

技术在顺风几英里处值班，随着与火灾的战斗持续了几天，甚至几周，湾区和萨克拉门托河三角洲地区的许多居民转向了空气质量传感器网络AirNow由美国政府维护，以及PurpleAir，通过众包商业传感器创建。亚博排列五投注网站来自这两个广泛的传感器网络的数据帮助居民决定是否戴口罩N95粒子掩模外出时，锻炼或让孩子在户外玩耍是否安全，室内空气过滤器要开多久，开车多远才能逃生。

这些特殊的网络使用传感器装置安装在建筑物上通过Wi-Fi传输数据到基于网络的地图程序。仅在更大的湾区分布几百个传感器单元就足以识别烟雾传播的显著局部差异。例如，传感器显示，圣克鲁斯山脉的地形亚博排列五投注网站保护了下风的沿海城镇不受烟雾的影响，而萨克拉门托河三角洲受到的影响要大得多，因为烟雾在其宽阔、低矮的地区停滞不前。

传感器能追踪到这些区域的烟雾，真亚博排列五投注网站是太棒了。但为什么他们不在真正需要他们的地方工作，在野火开始的地方，在火势蔓延之前发出警报?

主要原因是获得权力。亚博排列五投注网站安装在建筑物上的传感器只需插入墙上的插座即可。一个可以探测森林火灾的传感器系统没有这种奢侈。

它能不能改用电池，每个传感器节点至少一个电池?

加利福尼亚州瓦卡维尔的一名居民是2020年8月被迫逃离LNU闪电建筑群火灾的许多北加州人之一，此前一系列不寻常的雷暴引发了近400场火灾。菲利普·帕切科/彭博社/盖蒂图片社

停一会儿，看看你所在房间的烟雾探测器，想想你上次给它换电池是什么时候。有点痛苦，不是吗?一个可以监测整个森林、天然气管道或任何关键基础设施的传感器网络，将需要数千甚至数百万个传感器和电池。亚博排列五投注网站想想看，一群人需要四处走动来更换所有的电池，这让人筋疲力尽，而且真的这么做将是非常昂贵和不切实际的。

如果我们有一个传感器网络，很少或从不消耗电力，想象一下有多少重要的地方和事物可以被监控，有多少生命可以被拯救。考虑桥梁和大坝可以报告其结构完整性。或者想想城市街道上可能发生的风暴洪水，或者倒下的电线，可以确定破裂的确切位置和可能的火灾风险。

在我们讨论之前关于我们如何创建这样一个零功耗监测系统，让我们回顾一下分布式传感器网络的基本组件。除了电源和传感器本身，网络中的每个节点都需要一台计算机(以微处理器亚博排列五投注网站或微控制器芯片的形式)和一台无线电。通常情况下，计算机处于控制状态:它以特定的时间间隔积累传感器数据并处理数据。然后打开无线电传输数据。如果电源的容量有限，如电池，或可用性有限，如太阳能电池板，计算机也监测和管理功耗。

当我们在这里谈论管理功耗时，我们通常关注的是收音机使用的功率。收音机可能非常耗电;无线电信号需要传播的距离越远，它必须消耗的能量就越多。

对于PurpleAir和其他提到的安装在建筑物上的传感器，无线电信号只需要传输几米就可以到达基站，可能亚博排列五投注网站会使用低能量蓝牙或Zigbee等低能量无线电协议，或者使用Wi-Fi连接到互联网路由器。但在森林里，情况就不一样了。即使使用网状网络(一种允许消息在返回基地的途中以短跳的方式从一个节点传递到另一个节点的协议)，大面积网络也可能需要每个节点传输超过几公里。为了达到如此远的距离，每个无线电可能需要功率，而蓝牙低能量技术只需要毫瓦的功率。

节省电力的一种方法是对计算机进行编程，使其在固定的时间间隔内采样和传输，比如每小时一次。或者，它可以持续监控传感器的输出数据，只有当一些有趣的事情发生时才传输数据，比如当超过规定的传感器阈值水平时。但无论哪种情况，电脑都必须一直在运行，这意味着它最终会耗尽电池。

理想的传感器预警系统，就像晚上看家的宠物狗一样，通常会保持睡眠状态;然而，一定的噪音或气味阈值会使它醒来，并开始吠叫警告。

一个更好的节省电池电量的方法是，在系统真正有重要数据要传输之前，不要使用任何电量。在传感器检测到重要信号之前，系统将一直处于超低功耗休眠模式，甚至是开路模式，没有电流流过。

在这种设想中，受控制的是传感器，而不是计算机。传感器将触发计算机通电，处理数据并传输。然后，传输完成，触发刺激消失，系统将关闭并返回到睡眠或完全断电状态。睡眠模式，或类似的模式，已经出现在几乎所有现代集成电路中，尤其是那些用于移动设备的集成电路，在移动设备中，节省电池寿命是至关重要的。

理想的传感器预警系统，就像晚上看家的宠物狗一样，通常会保持睡眠状态;然而，一定的噪音或气味阈值会使它醒来，并开始吠叫警告。

传感器等效一个熟睡的狗被称为事件驱动传感器。在其最常见的形式中，它使用传入的刺激，在某个最小阈值下，移动并关闭机械开关，从而激活电子电路。一旦开关关闭，电路就会从电池中获取能量，然后执行更耗电的任务，如数据处理和无线电传输。

利用微机电系统(MEMS)技术，我们可以在只有毫米大小的硅芯片上制造这种事件驱动传感器。亚博排列五投注网站微小的力量可以驱动它们，从而为嵌入在硅中的电子电路提供动力。

在东北大学，在波士顿，Matteo Rinaldi的团队展示了一种事件驱动传感器，可以通过对热物体发出的红外光做出反应来帮助探测森林火灾。在传感器的表面，有一组纳米级的金属方块，可以选择性地吸收特定波长的光，使传感器升温。在预定的温度阈值下，吸收的热量会使金属手指变形，从而机械地关闭电气开关。该机制类似于旧的家庭恒温器，尽管规模要小得多。一旦刺激被移除，金属手指就会恢复到原来的形状，开关就会打开。

东北大学研究人员Matteo Rinaldi研制的这种传感器在超低功率模式下休眠，直到来自火或热物体的红外光将其唤醒。使用这种传感器的预警系统可以在不更换电池的情况下使用十年。Matthew Modoono/东北大学

通过改变吸收器和机械开关的几何形状，您可以定制这个传感器，以响应不同的波长和光强度。因此，它可以用于传感器网络，以观察森林火灾产生的热特征，或者在安全应用程序中，以寻找特定类型的车辆通过时产生的热排气。在它的非活动状态下，它消耗几乎为零的功率，只有纳安培的泄漏电流。在等待触发事件的过程中，这种传感器可以在原始电池的情况下使用数年。

在德克萨斯大学达拉斯分校，Siavash Pourkamali的团队采取了不同的方法。他们开发了一种事件驱动的直流加速度计，可以检测倾斜的变化。这可以用作安全设备，在物体移动时触发警报，或者用作包裹运输监视器，以确定包裹在运输过程中是否被倒置。部署在传感器网络中，它还可以检测大型结构(如围栏、管道、道路或桥梁)的微小角度变化，表明潜在的麻烦变形或裂缝。

这种运动事件触发传感器背后的想法并不新鲜。一百年前，厘米级的倾斜开关使用导电水银沿玻璃管滚动来关闭电路。当然，MEMS版本只有几毫米大小，它使用了悬浮的硅块而不是水银。当角度改变时，位移块闭合电路。该传感器可以定制到指定的倾斜阈值，并且在等待触发运动时不消耗功率。

两者都是事件驱动传感器在触发事件发亚博排列五投注网站生后仍然需要电池来为系统的其余部分供电。然后，被唤醒的计算机必须处理传感器数据，并根据其编程指令开始无线电传输。

如果使用得当，电池可以使用数年，但总有一天会耗尽。因此，最终的梦想是完全没有电池。

虽然听起来不可能，但无电池传感器已经存在。亚博排列五投注网站我们可以用一种常见的技术来创造它们:无线电频率识别。RFID标签可以是一个无源电子设备，本身没有电源。相反，它从一个叫做阅读器的外部设备感应式地获取电力。读卡器在一段距离内发射电磁能量，与RFID标签的天线耦合，并在RFID标签的电路内产生瞬态电流。读取器和标记的这种临时耦合可以传输少量信息，如序列号或帐户余额。RFID以这种方式的典型应用是电子收费;被动式RFID标签安装在汽车的挡风玻璃上，汽车在安装在头顶龙门架上的阅读器下行驶。

实现零功率传感器是非常值得的努力和费用;亚博排列五投注网站将它们用于森林大火预警本身就足以证明研发投资的合理性。

RFID技术可以用来返回传感器读数，而不仅仅是标签号码。事实上，多年来它已经被用于植入医疗传感器，例如亚博排列五投注网站CardioMEMS系统。在该系统中，主动脉瘤支架内的玻璃基MEMS电容式压力传感器允许心脏病专家通过将读取器放在患者躯干上来检查支架泄漏。

但是rfid风格的供电和读出还有很多事情可以做。

在清华大学在北京，郑友的团队开发了一种声波传感器，可以被动地精确检测温度变化。该设备依赖于压电结构的中心频率随温度变化而变化的事实，RFID阅读器的电路可以很容易地检测到微小的频率变化。

通过在压电表面添加化学选择性吸收涂层，传感器可以测量气体的浓度。当涂层吸收目标气体分子时，停留在压电材料上的质量会增加，再次改变谐振频率。

任何可以将物理现象转换为谐振频率变化的传感器都可以通过RFID读取，因此无需电池即可运行。在这种情况下，挑战在于让读取器足够接近网络中的每个传感器。很难想象一个森林火灾探测系统能做到这一点。在传感器和阅读器上安装更大的天线肯定会有所帮助，但即使在最好的情况下，我们也只能看到几米长的天线，就像电子收费站一样。

尽管如此，由于传输范围在几米左右，由无电池被动传感器组成的大面积传感器网络可以使用无人机读取，无人机在网络上空以某种模式飞行以收集数据。亚博排列五投注网站Eric Yeatman的小组在伦敦帝国理工学院一直在开发这种基于无人机的数据收集所需的硬件平台。无人机将导航到每个传感器节点的位置，为节点上电，然后收集数据。为了提供充足的电力，传感器网络采用了超级电容器，通过感应式无线电力传输充电。无人机最适合具有清晰空域的传感器网络，例如农场、渡槽、管道、桥梁或大坝上的传感器网络。

2018年11月，在加利福尼亚州比特县燃烧的营火(Camp Fire)向旧金山湾区(旧金山湾区)发射了浓厚的烟雾云(上)，由PurpleAir监测的传感器网络确定了空气中颗粒物的危险水平(下)。亚博排列五投注网站这场大火最终覆盖了超过15万英亩(6万公顷)的土地，摧毁了1.8万座建筑物，夺去了至少85人的生命。顶部:大卫·利特尔/水星报/盖蒂图片社;底部:PurpleAir

大面积的传感器网络在管理奥罗维尔坝2017年2月发生在加州，当时过量雨水的控制释放导致大坝溢洪道决口。由此产生的瀑布侵蚀了大坝的地基，可能会危及大坝的完整性。当地政府下令18万多名附近居民撤离，直到更详细的检查可以确定大坝是安全的。如果当时有一个大面积的结构监测传感器网络，有关部门就可以收集数据来确定大坝的状况，并就是否真的需要疏散做出及时和知情的决定。(最终，人们担心的崩溃并没有发生。)

同样的,2018年莫兰迪大桥坍塌在意大利热那亚，地震是由基础设施老化和恶劣天气共同造成的。这场造成43人死亡的灾难本来是可以避免的，如果安装的传感器网络能够及时检测到跨度的削弱，而不是零星和稀疏的检查。

是事件驱动的或者准备好检测偏远地区野火爆亚博排列五投注网站发的零功率传感器?我们还没到那一步，但已经越来越接近了。这种大面积传感器网络的所有基本部件都处于不同的技术成熟状态;再过几年的开发和产品集成将使它们成为现实。也许更困难的挑战将是激励地区和联邦政府在最有用的地方购买和部署这样的网络，或者实现类似PurpleAir的众包传感器网络。

实现零功率传感器是非常值得的努力和费用;亚博排列五投注网站将它们用于森林大火预警本身就足以证明研发投资的合理性。野火已经造成了如此巨大的损失，并继续威胁着数百万吸入烟雾的人的生命、财产、栖息地和长期健康。

想象一下未来加州的火灾季节。雷击使一棵远离房屋的树着火，火势愈演愈烈。但早在微弱的烟味能唤醒你的狗之前，森林里的传感器就会醒来，并向火灾监测站发出警报。亚博排列五投注网站最后，有足够的时间和信息来模拟火灾的发展，并向火灾路径上每个人的手机发出早期疏散警告。