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如何通過低成本的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡搭建智慧城市

MEMS ? 來源:未知 ? 作者:佚名 ? 2017-11-13 06:08 ? 次閱讀
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據(jù)麥姆斯咨詢報道,研究人員已設計出集成聲音和運動傳感器物聯(lián)網(wǎng)IoT)網(wǎng)絡,用以估算公共空間利用率。這些想法可以應用于其它物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡?!吨腔鄢鞘兄袀鞲衅髋c公共空間利用率監(jiān)測的融合》(Sensor Fusion for Public Space Utilization Monitoring in a Smart City)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設計人員、開發(fā)人員和實施人員的最佳讀物。它通過設計系統(tǒng)來測量城市的空間利用率,權衡傳感器選擇和校準、電源選擇、網(wǎng)絡設計、數(shù)據(jù)清理和規(guī)范化、以及數(shù)據(jù)處理等各個因素。該方法可以推廣到任何物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的設計。

該論文堪稱為關于如何構建物聯(lián)網(wǎng)的完美案例研究。新加坡科技與設計大學的Billy Pik Lik Lau、Nipun Wijerathne和Chau Yuen以及澳大利亞科廷大學的Benny Kai Kiat Ng指出論文中最有意思的一點的是,他們?nèi)绾闻c傳感器匹配,獲取正確分辨率的數(shù)據(jù)來估計空間利用率,并建立一個測試平臺,最大限度地減少大范圍實施的問題。為了測量空間利用率(一個空間在多個時間間隔內(nèi)的人口數(shù)量),他們選擇了聲音和運動傳感器以及兩者的融合。該論文所使用的方法可適用于其它類型的傳感器。

聲音傳感器與視頻傳感器

聲音傳感器相比視頻傳感器,更多地被用來檢測活動。這似乎違反直覺,但僅僅是因為人類的感官更具視覺支配力。攝像頭在從成本上計算是昂貴的,并且處理數(shù)據(jù)量的增加需要在網(wǎng)絡中使用更昂貴和更強大的計算機。在大規(guī)模部署中,這會增加成本,但不會提高測量的準確性。更多的計算能力會增加耗電量,超出太陽能電池的供電能力和成本。而視頻數(shù)據(jù)的云處理需要大量的網(wǎng)絡帶寬和存儲空間,增加了成本。

最后,由于隱私問題,部署攝像機需要許可,這將在研究所在地新加坡部署時構成問題。可再生廣域傳感器網(wǎng)絡(RWSN)解決了硬件連接電源和需要更換電池的問題??稍偕茉丛O計對于測試聲音和運動傳感器的使用是不必要的,因為這個有限的七節(jié)點網(wǎng)絡中的硬件連接電源或電池不會很昂貴。需要大規(guī)模部署該傳感器網(wǎng)絡可能是選擇可再生能源的原因。可再生廣域傳感器網(wǎng)絡采用低功耗的XBee模塊(IEEE 802.15.4),將XBee接收器與Raspberry Pi(樹莓派)連接,把數(shù)據(jù)回傳至云存儲。研究人員使用Xbee中繼器,構建了無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡來增加覆蓋范圍。

該網(wǎng)絡由太陽能電池板和電池存儲供電,兩者的尺寸都包含在內(nèi),所以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計師可以根據(jù)不同的太陽光束來調(diào)整太陽能電池板和電池的尺寸以適應當?shù)厍闆r。據(jù)麥姆斯咨詢介紹,不同的環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點包括氣壓計、溫度計、光度計、電阻式雨量傳感器、紫外線(UV)指數(shù)傳感器、濕度傳感器、運動和噪聲傳感器。這些節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中,可以提供校準數(shù)據(jù)來消除如雨水造成的聲音讀數(shù)干擾等環(huán)境條件的影響。低價的熱釋電紅外(PIR)傳感器,也被稱為無源紅外傳感器,被用來檢測運動。而低價的模擬聲音傳感器,基本上是MEMS麥克風,被用來錄制聲音。

PIR傳感器在白天特別是下午會有很多錯誤數(shù)據(jù)輸出。為了消除這些錯誤,校準模塊可以用于數(shù)據(jù)預處理。現(xiàn)場地面實況測量的誤報與明亮的日光相關,校準模塊能計算誤報的概率并進行調(diào)整,然后把數(shù)據(jù)進行正態(tài)統(tǒng)計。

應用機器學習以消除誤差

環(huán)境條件如降雨等的環(huán)境誤差,可以通過使用無監(jiān)督的機器學習方法,使得研究人員能夠利用群集找到聲音數(shù)據(jù)的相似模式來消除。群集簡單地分類如降雨的聲音等相似的數(shù)據(jù)集,然后可以從數(shù)據(jù)中刪除。同樣,背景噪音也可以被消除。

來自PIR和聲音傳感器的標準化和校準數(shù)據(jù)使用研究人員選擇的算法進行融合,以預估整個測試區(qū)域的七個節(jié)點的空間利用率。該預估是基于現(xiàn)場觀察經(jīng)驗和七個節(jié)點的融合數(shù)據(jù)的比較。該論文闡述了構建低成本精確物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件、通信、傳感器和數(shù)據(jù)處理設計的考慮因素。它還解釋了消除由PIR運動傳感器捕獲的數(shù)據(jù)中的誤報,如何描述來自人類活動的噪聲特征,消除諸如降雨和背景噪聲之類的環(huán)境誤差以準確地估計單個節(jié)點和整體測試平臺的利用率等挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡需要具備大規(guī)模實施、以及證明經(jīng)濟或社會回報可抵消設計和開發(fā)成本的潛力。

設計和開發(fā)需要一個多學科團隊,并具備一些專業(yè)技能,尤其是統(tǒng)計學和機器學習等子領域的傳感器工程和高等數(shù)學知識。數(shù)學技能可用在校準數(shù)據(jù)和背景噪音消除;傳感工程技能可以用在低成本獲取正確分辨率數(shù)據(jù)。認真建設物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡的企業(yè)們可能需要聘用具備傳感器和數(shù)學技能的專業(yè)人士。


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原文標題:如何構建低成本的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡?

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