一種新的傳感器可以使智能城市更加綠色

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

城市土壤在適當監測的情況下，有可能提供大量的生態系統服務。土壤在促進溫度調節方面起著促進作用，因為更濕、更密的土壤比干燥的土壤保存更多的熱量。健康的土壤也有助于改善空氣質量，并提供休閑綠地。

“通過收集城市土壤的溫度、光照和濕度數據，我們可以開始形成改善現有結構的解決方案，”哥倫比亞大學工程學院的研究員Caroline Yu說。這將使城市能夠改善排水系統，改變土壤混合物的含量，以減輕氣候變化的影響。許多城市地區也有機會恢復目前標記為棕地的土壤。

雖然有各種各樣的研究正在進行中，以監測城市土壤，他們很少執行大規模。事實上，據于說，目前的城市土壤解決方案是由研究人員步行到每個樹坑測量和收集傳感器數據組成的。這不僅成本高昂，而且非常耗時，因為土壤系統覆蓋了很高比例的土地，需要檢查多個指標才能有效地研究土壤健康。因此，像侵入式采樣或人工實驗室測試這樣的方法使得收集更好地管理土壤系統和開發可持續模型所需的數據變得困難。為了找到整體的和數據驅動的解決方案，城市規劃者需要同時測量大面積的土壤。

為了幫助將新的可擴展的解決方案引入這個領域，余和哥倫比亞大學的一個研究小組開發了植物穗系統，這種系統可以植入大城市的地下位置，遠程監測和測量城市土壤健康狀況。

如圖1所示，低功耗系統使用低成本、小尺寸印刷電路板（PCB）通過藍牙低能耗（BLE）將動態傳感器數據傳輸到客戶端設備。該電路板設計用于承受主要的溫度變化，包括溫度和光傳感器來收集數據，以及基于電路板的CapSense技術來測量周圍環境的濕度和土壤濕度。

圖1:Plant Spike定制PCB設計；前面和后面

值得注意的是，Plant Spike是第一個將BLE僅傳輸連接與小尺寸PCB上的濕度、溫度和亮度傳感器結合在一起的傳感器網絡。BLE平臺作為無線通信網絡，允許外圍設備和中央設備連接。這使研究小組能夠從計算機外圍設備或輸入輸出設備收集數據，并在距離樹坑的范圍內用智能手機收集數據。圖2概述了如何通過BLE設備傳輸數據。

圖2：電廠尖峰系統和通信配置，顯示了一個BLE模塊處于僅傳輸模式，向網關設備發送動態傳感器數據

在紐約，超過69萬棵樹橫跨13萬個街區所以很明顯，城市環境很難監測，尤其是人工監測。

為了測試它的功能，研究小組在哥倫比亞大學位于紐約市的晨曦賽德校區的一個基于實驗室的城市土壤試驗臺上，以及在整個城市的各種無人看守和有人看守的樹坑里植入了植物穗，如圖3所示，建立傳感器試驗臺是為了在實驗室環境中研究城市土壤樣本，并將結果與城市中有植物穗的土壤進行比較。

圖3：紐約市的室內試驗臺，有植物穗（左）、無防護（中）和有防護（右）樹坑

一旦植入樹坑土壤中，研究小組就可以通過智能手機應用程序開始實時監測和收集數據，如圖4所示。雖然實際數據需要在實驗室中處理，但智能手機應用程序為將Plant Spike集成到聯網智能城市應用程序中提供了未來的途徑。

圖4：通過BLE連接到Plant Spike模塊的智能手機應用程序

總的來說，研究小組發現植物穗不僅需要較少的資源，而且它收集的數據可以在評估植物生長、生物多樣性、水分儲存、營養物質和污染物過濾等方面發揮重要作用。此外，它的低成本使它成為市政維護隊，甚至是對監測他們的樹坑感興趣的日常市民有吸引力的選擇。

對于未來的情況，研究小組已經在努力提高Spike的能力，這樣它就可以被擴大并植入到城市的許多地方。

我們非常高興能設計出第二個版本的植物尖峰，它具有更大的傳輸范圍，并能為化學脅迫指示器提供額外的傳感模式。目標是將每個節點的價格控制在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