一種新的傳感器可以使智能城市更加綠色

超過(guò)世界人口的一半生活在城市地區(qū)，所以城市是氣候變化的關(guān)鍵因素也就不足為奇了。哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）的研究人員稱(chēng)，城市土壤可能是測(cè)試新的可持續(xù)解決方案的關(guān)鍵所在，以使城市更能適應(yīng)氣候變化并減少碳足跡智能城市植物穗幫助大城市測(cè)量和監(jiān)測(cè)城市土壤健康。

城市土壤在適當(dāng)監(jiān)測(cè)的情況下，有可能提供大量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。土壤在促進(jìn)溫度調(diào)節(jié)方面起著促進(jìn)作用，因?yàn)楦鼭瘛⒏艿耐寥辣雀稍锏耐寥辣４娓嗟臒崃?。健康的土壤也有助于改善空氣質(zhì)量，并提供休閑綠地。

“通過(guò)收集城市土壤的溫度、光照和濕度數(shù)據(jù)，我們可以開(kāi)始形成改善現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的解決方案，”哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的研究員Caroline Yu說(shuō)。這將使城市能夠改善排水系統(tǒng)，改變土壤混合物的含量，以減輕氣候變化的影響。許多城市地區(qū)也有機(jī)會(huì)恢復(fù)目前標(biāo)記為棕地的土壤。

雖然有各種各樣的研究正在進(jìn)行中，以監(jiān)測(cè)城市土壤，他們很少執(zhí)行大規(guī)模。事實(shí)上，據(jù)于說(shuō)，目前的城市土壤解決方案是由研究人員步行到每個(gè)樹(shù)坑測(cè)量和收集傳感器數(shù)據(jù)組成的。這不僅成本高昂，而且非常耗時(shí)，因?yàn)橥寥老到y(tǒng)覆蓋了很高比例的土地，需要檢查多個(gè)指標(biāo)才能有效地研究土壤健康。因此，像侵入式采樣或人工實(shí)驗(yàn)室測(cè)試這樣的方法使得收集更好地管理土壤系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)可持續(xù)模型所需的數(shù)據(jù)變得困難。為了找到整體的和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的解決方案，城市規(guī)劃者需要同時(shí)測(cè)量大面積的土壤。

為了幫助將新的可擴(kuò)展的解決方案引入這個(gè)領(lǐng)域，余和哥倫比亞大學(xué)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了植物穗系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以植入大城市的地下位置，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和測(cè)量城市土壤健康狀況。

如圖1所示，低功耗系統(tǒng)使用低成本、小尺寸印刷電路板（PCB）通過(guò)藍(lán)牙低能耗（BLE）將動(dòng)態(tài)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻?hù)端設(shè)備。該電路板設(shè)計(jì)用于承受主要的溫度變化，包括溫度和光傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，以及基于電路板的CapSense技術(shù)來(lái)測(cè)量周?chē)h(huán)境的濕度和土壤濕度。

圖1:Plant Spike定制PCB設(shè)計(jì)；前面和后面

值得注意的是，Plant Spike是第一個(gè)將BLE僅傳輸連接與小尺寸PCB上的濕度、溫度和亮度傳感器結(jié)合在一起的傳感器網(wǎng)絡(luò)。BLE平臺(tái)作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，允許外圍設(shè)備和中央設(shè)備連接。這使研究小組能夠從計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備或輸入輸出設(shè)備收集數(shù)據(jù)，并在距離樹(shù)坑的范圍內(nèi)用智能手機(jī)收集數(shù)據(jù)。圖2概述了如何通過(guò)BLE設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。

圖2：電廠尖峰系統(tǒng)和通信配置，顯示了一個(gè)BLE模塊處于僅傳輸模式，向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送動(dòng)態(tài)傳感器數(shù)據(jù)

在紐約，超過(guò)69萬(wàn)棵樹(shù)橫跨13萬(wàn)個(gè)街區(qū)所以很明顯，城市環(huán)境很難監(jiān)測(cè)，尤其是人工監(jiān)測(cè)。

為了測(cè)試它的功能，研究小組在哥倫比亞大學(xué)位于紐約市的晨曦賽德校區(qū)的一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)室的城市土壤試驗(yàn)臺(tái)上，以及在整個(gè)城市的各種無(wú)人看守和有人看守的樹(shù)坑里植入了植物穗，如圖3所示，建立傳感器試驗(yàn)臺(tái)是為了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中研究城市土壤樣本，并將結(jié)果與城市中有植物穗的土壤進(jìn)行比較。

圖3：紐約市的室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)，有植物穗（左）、無(wú)防護(hù)（中）和有防護(hù)（右）樹(shù)坑

一旦植入樹(shù)坑土壤中，研究小組就可以通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集數(shù)據(jù)，如圖4所示。雖然實(shí)際數(shù)據(jù)需要在實(shí)驗(yàn)室中處理，但智能手機(jī)應(yīng)用程序?yàn)閷lant Spike集成到聯(lián)網(wǎng)智能城市應(yīng)用程序中提供了未來(lái)的途徑。

圖4：通過(guò)BLE連接到Plant Spike模塊的智能手機(jī)應(yīng)用程序

總的來(lái)說(shuō)，研究小組發(fā)現(xiàn)植物穗不僅需要較少的資源，而且它收集的數(shù)據(jù)可以在評(píng)估植物生長(zhǎng)、生物多樣性、水分儲(chǔ)存、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物過(guò)濾等方面發(fā)揮重要作用。此外，它的低成本使它成為市政維護(hù)隊(duì)，甚至是對(duì)監(jiān)測(cè)他們的樹(shù)坑感興趣的日常市民有吸引力的選擇。

對(duì)于未來(lái)的情況，研究小組已經(jīng)在努力提高Spike的能力，這樣它就可以被擴(kuò)大并植入到城市的許多地方。

我們非常高興能設(shè)計(jì)出第二個(gè)版本的植物尖峰，它具有更大的傳輸范圍，并能為化學(xué)脅迫指示器提供額外的傳感模式。目標(biāo)是將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格控制在10美元以下，這樣研究人員和公司就可以在縮放的城市土壤傳感解決方案中使用植物穗