狗为什么一直叫？被惊醒的你感到不安。你注意到了烟味，试图打开床头灯时，你发现停电了。然后你向窗外望去：橙色的火焰像一堵墙一样爬上了附近的山坡。你叫醒家人，跑去开车。挽救了你们生命的，是来自石器时代的预警系统，也就是你的狗。这是几百名加州人的经历。在2017年的塔布斯大火、2018年的坎普山火和2020年8月的大规模复合火灾案例中，清晨的人们还在睡梦中时，大风就将山火吹向了居民区。很多人没有从床上爬起来，更不用说离开家了。在我们这个始终在线、充满传感器和互联网连接的世界里，技术不应该做得更好吗？技术在下风向几英里的地方发挥作用，在持续扑灭山火的数天甚至数周里，湾区和萨克拉门托河三角洲地区的许多居民开始使用空气质量传感器网络，特别是由美国政府维护的AirNow，以及众包商业传感器创建的PurpleAir。这两大传感器网络的数据可以帮助居民决定外出时是否需要佩戴N95口罩、户外运动或让孩子们在户外玩耍是否安全、室内空气过滤器需要运行多长时间，以及开车出逃多远合适。这些特定网络使用安装在建筑物上的传感器，通过Wi-Fi将数据传输给基于Web的地图程序。分布在湾区的这几百个传感器就足以识别烟雾传播的明显地区差异。例如，传感器显示，圣克鲁斯山脉的地形保护了下风向的沿海城镇免受烟雾影响，而萨克拉门托河三角洲则因为烟雾停滞在宽阔的低洼地区而受到很大的影响。传感器能够跟踪这些地区的烟雾是件好事。但是为什么不将它们用在真正需要的地方，也就是这些山火开始的地方，在火势蔓延之前发出警报呢？主要原因是如何获取电源。安装在建筑物上的传感器可以插入墙上的电源插座。但在森林中探测起火的传感器系统却没有这个条件。那么是否可以使用电池呢，每个传感器节点至少一块电池？请暂停片刻，看看你所在房间的烟雾探测器，想想你上次更换电池是什么时候。有点苦恼，是不是？一个监测整片森林、天然气管道或任何关键基础设施的传感器网络将需要数万个甚至数百万个传感器和电池。要一大群人长途跋涉更换电池，光是想想就让人筋疲力尽了，而且实施起来会非常昂贵，且不切实际。如果我们有一个很少用电或完全不用电的传感器网络，想象一下它可以监测多少重要的地方和事件，挽救多少生命。在桥梁和大坝，它可以报告它们的结构完整性；在城市街道，它可以报告暴雨内涝，还可以在电力线坠落时确定断线的确切位置以及可能的火灾风险。在讨论如何创建这样一个零功耗监测系统之前，让我们先回顾一下分布式传感器网络的基本组成。除了电源和传感器本身外，网络中的每个节点都需要一台计算机（微处理器或微控制器芯片）和一台无线通信设备。通常，计算机处于控制状态，以特定的时间间隔积累和处理传感器数据，然后打开无线通信设备传输数据。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，计算机会监测和管理电源功耗。本文谈到管理电源功耗时，关注的是无线通信设备使用的功率。无线通信设备可能非常耗电；无线信号的传输距离越远，消耗的功率就越大。对于上文提到的PurpleAir和其他安装在楼宇上的传感器，无线信号的传输距离只需要几米，要到达基站，可以使用低功耗蓝牙或Zigbee等低功耗无线协议，要到达互联网路由器，可以使用Wi-Fi。然而，在森林里，情况却并非如此。即使使用网状网络，一种在返回主基站的途中，消息可以短途跳跃方式由一节点传送到另一节点的协议，一个大范围网络也可能需要每个节点传输数公里。要到达如此长的距离，每台无线通信设备的功率可能需要几瓦，而非低功耗蓝牙设备的几毫瓦。有一种省电的方式是通过编程使计算机以固定的时间间隔（比如每小时一次）进行采样和传输。或者，它可以持续监测传感器的输出数据，并仅在发生需要关注的事件（例如传感器阈值超过规定）时传输数据。但无论哪种情况，计算机都必须始终运行，这意味着它最终会耗尽电池。还有一个更好的节约电池的方法是，在系统真正有重要数据需要传输之前，不使用任何电池。系统保持在超低功耗休眠模式甚至是电流开路模式，直到传感器自己检测到重要信号。在这种情况下，是传感器在控制而不是计算机。传感器将触发计算机通电、处理数据和传输数据。然后，随着传输完成，触发状态结束，系统关闭并返回休眠或完全断电状态。现在几乎所有现代集成电路都有休眠或类似的模式，尤其是那些用于移动设备的集成电路，对它们来说，延长电池寿命至关重要。理想的传感器预警系统，如夜间看家的宠物狗，通常会保持睡眠状态；然而，一定的噪音或气味阈值会让它醒来并吠叫着发出警告。与睡觉的看家狗等价的传感器被称为“事件驱动型传感器”（event-driven sensor）。在最常见的该形式传感器中，它利用达到某个最小阈值的输入移动并关闭机械开关，从而激活电路。一旦机械开关闭合，电路将从电池中获取电力，然后执行更多的功率密集型任务，如数据处理和无线通信传输。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样的事件驱动型传感器。只需微小的力就可以驱动它们，为嵌在硅芯片上的电子电路供电。在位于波士顿的美国东北大学，马特奥•里纳尔迪（Matteo Rinaldi）团队演示了一种探测森林火灾的事件驱动型传感器，它可以对热物体发出的红外光做出反应。这种传感器的表面有一个纳米级金属方形阵列，可以选择性地吸收特定波长的光，使传感器升温。达到预定的温度阈值时，金属指针因吸收热量产生变形，以机械方式闭合电气开关。这个机制类似于老式家用恒温器，但规模小得多。一旦刺激被移除，金属指针就会恢复原来的形状，开关打开。通过改变吸收器和机械开关的几何形状，我们可以定制这个传感器，使其响应不同的波长和光强，可用在传感器网络中，密切注意森林火灾产生的热信号，或者用在安全应用中寻找某一类型车辆经过时产生的热废气。在非活动状态下，它的功耗几乎为零，泄漏电流仅为几毫微安。在等待触发事件过程中，这款传感器的原始电池可以使用数年。在位于达拉斯的得克萨斯大学，西亚瓦什•普尔卡马利（Siavash Pourka-mali）团队采取了不同的方法。他们开发了一种事件驱动型直流加速度计，能够检测倾斜度的变化。这可以用作一种安全装置，当物体发生移动时可发出警报，或者用作包裹运输监视器，测定包裹在运输过程中是否发生翻转。将它部署在传感器网络中，还可以检测大型结构，如栅栏、管道、道路或桥梁的小角度变化，指示潜在的变形或开裂隐患。这种移动事件触发传感器的原理并不是新的。100年前，厘米级倾斜开关使用沿玻璃管滚动的导电水银珠来闭合电路。当然，MEMS版的事件触发传感器尺寸只有几毫米，替代水银的是一块悬挂的硅块。当角度发生变化时，移位的硅块会闭合电路。这种传感器可以根据指定的倾斜阈值进行定制，并且在等待移动触发时不消耗任何电源。这两种事件驱动型传感器在触发事件发生后，仍需要电池为系统其余部分供电。被唤醒的计算机还必须处理传感器数据，并根据其编程指令开始无线传输。如果节省使用，电池可以使用多年，但总有一天会耗尽。因此，最终的梦想是完全不用电池。虽然听起来似乎不太可能实现，但无电池传感器已经存在了。我们用一种常见的技术就可以制造它们：无线射频识别（RFID）。RFID标签可以是无源电子设备，没有自己的电源，而是从一个叫做“读卡器”的外部设备感应式获取电源。读卡器在一定距离内发射电磁能，与RFID标签的天线进行耦合，并在RFID标签的电路中产生瞬态电流。读卡器和标签的这种短暂耦合能够传输少量信息，例如序列号或账户余额。这种RFID的典型应用是电子收费：无源RFID标签放在汽车挡风玻璃上，汽车驶过安装了读卡器的高架门。RFID技术可以用来返回传感器读数，而不仅仅是标签号。事实上，它已经在植入式医疗传感器中使用多年，如心脏MEMS系统。在这个系统中，在主动脉瘤支架内有玻璃基MEMS电容式压力传感器，心脏病科医师可将读卡器放在患者躯干上，检查支架泄漏。此外，利用RFID的供电和读出方式，我们还可以做很多事情。在北京清华大学，尤政团队开发了一种声波传感器，可以无源的方式精确地检测温度变化。这款设备的原理是：压电结构的中心频率随着温度变化，RFID读卡器的电路可容易地检测到微小的频率变化。通过在压电材料表面添加化学选择性吸收涂层，传感器可以测量气体浓度。当涂层吸收了目标气体分子后，压电材料上面的质量会增加，重新改变共振频率。任何能够将物理现象转化为谐振频率变化的传感器都可以通过RFID读取，无需电池即可操作。在这种情况下，面临的挑战是如何使读卡器足够靠近网络中的每个传感器。很难想象要为森林火灾探测系统这样做。在传感器和读卡器上安装一个大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的距离，就像在电子收费站一样。尽管如此，只要传输范围还有几米远，按特定路线在网络上空飞行的无人机就可读取无电池无源传感器组成的大范围传感器网络中的数据。在伦敦帝国理工学院，埃里克•耶特曼（Eric Yeatman）团队一直在为这种无人机数据收集开发所需的硬件平台。无人机飞到每个传感器节点位置，给节点供电，然后收集数据。为了提供充足的电源，传感器网络采用超级电容器，通过感应无线电源传送进行充电。无人机最适合空旷空间的传感器网络，例如农场、沟渠、管道、桥梁或大坝。2017年2月，加州奥罗维尔大坝因控制排放的雨水过多导致大坝溢洪道被破坏，如果当时有大范围传感器网络，就可以在大坝管理方面发挥作用。倾泻水流侵蚀了大坝的地基，可能破坏了大坝的完整性。地方政府命令附近18万多名居民撤离，直到完成更详细的检查，确定大坝是安全的。如果当时有一个大范围结构监测传感器网络，当局就可以收集数据，确定大坝的状态，做出及时和明智的决定，明确是否确实需要撤离。（最后，令人担忧的溃坝并未发生。）同样，2018年意大利热那亚莫兰迪大桥坍塌也是由老化的基础设施和恶劣天气共同造成的。如果安装了传感器网络，可及时检测到桥跨的老化，而不是零星和稀疏的检查，这场导致43人丧生的灾难本来是可以避免的。事件驱动型或零功率传感器是否准备好用于探测偏远地区的山火爆发了呢？我们还没有到那一步，但我们已经越来越接近。这种大范围传感器网络的所有关键部件都处于不同的技术成熟状态；再经过几年的开发和产品集成，它们将变成现实。也许更大的挑战将是如何鼓动地区和联邦政府购买这种网络，并部署在最有用的地方，或者实现类似PurpleAir的众包传感器网络。为实现零功率传感器付出努力和经费是非常值得的；仅部署它们用于山火预警，就值得研发投资。山火已经造成了如此巨大的损失，并继续威胁着生命、财产、栖息地和吸入烟雾的数百万人的长期健康。想象一下加州未来的火灾季节。在远离房屋的地方，闪电击中并点燃了一棵树，火势开始蔓延。在微弱的烟味唤醒你的狗之前，森林中的传感器就被唤醒并向火灾监测站发出警报。最后，有充足的时间和信息来模拟火势的发展，并向火势蔓延路径上的每部手机发出撤离警报。作者：Alissa M. FitzgeraldIEEE Spectrum《科技纵览》官方微信公众平台往期推荐火警探测无人机智能化监测预警助力山区泥石流防灾减灾“从发现到发生”：实时监测预警助力特大滑坡防灾减灾 查看全文
