一种新的传感器可以使智能城市更加绿色

超过世界人口的一半生活在城市地区，所以城市是气候变化的关键因素也就不足为奇了。哥伦比亚大学（Columbia University）的研究人员称，城市土壤可能是测试新的可持续解决方案的关键所在，以使城市更能适应气候变化并减少碳足迹智能城市植物穗帮助大城市测量和监测城市土壤健康。

城市土壤在适当监测的情况下，有可能提供大量的生态系统服务。土壤在促进温度调节方面起着促进作用，因为更湿、更密的土壤比干燥的土壤保存更多的热量。健康的土壤也有助于改善空气质量，并提供休闲绿地。

“通过收集城市土壤的温度、光照和湿度数据，我们可以开始形成改善现有结构的解决方案，”哥伦比亚大学工程学院的研究员Caroline Yu说。这将使城市能够改善排水系统，改变土壤混合物的含量，以减轻气候变化的影响。许多城市地区也有机会恢复目前标记为棕地的土壤。

虽然有各种各样的研究正在进行中，以监测城市土壤，他们很少执行大规模。事实上，据于说，目前的城市土壤解决方案是由研究人员步行到每个树坑测量和收集传感器数据组成的。这不仅成本高昂，而且非常耗时，因为土壤系统覆盖了很高比例的土地，需要检查多个指标才能有效地研究土壤健康。因此，像侵入式采样或人工实验室测试这样的方法使得收集更好地管理土壤系统和开发可持续模型所需的数据变得困难。为了找到整体的和数据驱动的解决方案，城市规划者需要同时测量大面积的土壤。

为了帮助将新的可扩展的解决方案引入这个领域，余和哥伦比亚大学的一个研究小组开发了植物穗系统，这种系统可以植入大城市的地下位置，远程监测和测量城市土壤健康状况。

如图1所示，低功耗系统使用低成本、小尺寸印刷电路板（PCB）通过蓝牙低能耗（BLE）将动态传感器数据传输到客户端设备。该电路板设计用于承受主要的温度变化，包括温度和光传感器来收集数据，以及基于电路板的CapSense技术来测量周围环境的湿度和土壤湿度。

图1:Plant Spike定制PCB设计；前面和后面

值得注意的是，Plant Spike是第一个将BLE仅传输连接与小尺寸PCB上的湿度、温度和亮度传感器结合在一起的传感器网络。BLE平台作为无线通信网络，允许外围设备和中央设备连接。这使研究小组能够从计算机外围设备或输入输出设备收集数据，并在距离树坑的范围内用智能手机收集数据。图2概述了如何通过BLE设备传输数据。

图2：电厂尖峰系统和通信配置，显示了一个BLE模块处于仅传输模式，向网关设备发送动态传感器数据

在纽约，超过69万棵树横跨13万个街区所以很明显，城市环境很难监测，尤其是人工监测。

为了测试它的功能，研究小组在哥伦比亚大学位于纽约市的晨曦赛德校区的一个基于实验室的城市土壤试验台上，以及在整个城市的各种无人看守和有人看守的树坑里植入了植物穗，如图3所示，建立传感器试验台是为了在实验室环境中研究城市土壤样本，并将结果与城市中有植物穗的土壤进行比较。

图3：纽约市的室内试验台，有植物穗（左）、无防护（中）和有防护（右）树坑

一旦植入树坑土壤中，研究小组就可以通过智能手机应用程序开始实时监测和收集数据，如图4所示。虽然实际数据需要在实验室中处理，但智能手机应用程序为将Plant Spike集成到联网智能城市应用程序中提供了未来的途径。

图4：通过BLE连接到Plant Spike模块的智能手机应用程序

总的来说，研究小组发现植物穗不仅需要较少的资源，而且它收集的数据可以在评估植物生长、生物多样性、水分储存、营养物质和污染物过滤等方面发挥重要作用。此外，它的低成本使它成为市政维护队，甚至是对监测他们的树坑感兴趣的日常市民有吸引力的选择。

对于未来的情况，研究小组已经在努力提高Spike的能力，这样它就可以被扩大并植入到城市的许多地方。

我们非常高兴能设计出第二个版本的植物尖峰，它具有更大的传输范围，并能为化学胁迫指示器提供额外的传感模式。目标是将每个节点的价格控制在10美元以下，这样研究人员和公司就可以在缩放的城市土壤传感解决方案中使用植物穗