描述

注意：
我們正在將此項(xiàng)目提交給挑戰(zhàn)1：氣候危機(jī)與緩解下的“IoT in the Wild”競(jìng)賽，主題為自然災(zāi)害預(yù)防/緩解

我的使命

我在 NASA 戈達(dá)德太空飛行中心為 GOES-16 氣象衛(wèi)星工作了兩年，然后于 2019 年離開(kāi) NASA，獨(dú)立探索區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。我立即意識(shí)到 LoRaWAN 在解決氣候科學(xué)界最棘手的現(xiàn)場(chǎng)工作之一方面的低功耗遠(yuǎn)程潛力。

來(lái)自西非和中非地區(qū)的高層數(shù)據(jù)在天氣和氣候預(yù)報(bào)中發(fā)揮著巨大的作用。它有助于數(shù)值模型更好地預(yù)測(cè)極端洪水和干旱事件。來(lái)自這些地區(qū)的更多數(shù)據(jù)可以幫助對(duì)當(dāng)?shù)厝丝谶M(jìn)行降雨預(yù)報(bào)，甚至可以用于改進(jìn)對(duì) 7 到 14 天時(shí)間范圍內(nèi)的大西洋颶風(fēng)的預(yù)報(bào)。然而，該地區(qū)的官僚主義和無(wú)效的政府資助導(dǎo)致過(guò)去 20 年西非氣象氣球站的迅速退化。2008年，科學(xué)家得出結(jié)論，扭轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)的最佳方法是建立一個(gè)獨(dú)立于政府機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，直接向個(gè)人支付準(zhǔn)備和發(fā)射氣象氣球的費(fèi)用。 Link

這個(gè)行動(dòng)計(jì)劃現(xiàn)在是可能的。

憑借小尺寸、低功耗和低成本的微處理器，我們可以連接社區(qū)并收集數(shù)據(jù)，而無(wú)需昂貴的設(shè)備。此外，隨著非洲智能手機(jī)的普及，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)討論項(xiàng)目和解決技術(shù)問(wèn)題很容易。借助區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)，我們可以讓地球上任何地方的任何人都可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)，同時(shí)直接補(bǔ)償當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)以手動(dòng)啟動(dòng)氣球的過(guò)程。

LoRaWAN 和天氣挖掘

LoRaWAN 是一種低功耗遠(yuǎn)程無(wú)線電通信技術(shù)，在視距情況下表現(xiàn)最佳。它非常適合一次只需要發(fā)送少量數(shù)據(jù)的室外傳感器和室內(nèi)監(jiān)視器。

上升的氣象氣球最大限度地提高了 LoRaWAN 的這種視線特性，因?yàn)榭赡軙?huì)降低信號(hào)強(qiáng)度的地面障礙物越來(lái)越少。實(shí)際上，氣球變得越來(lái)越像一個(gè)具有巨大足跡的小型衛(wèi)星，可以與地面上的數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)網(wǎng)關(guān)（也稱(chēng)為氦“熱點(diǎn)”）進(jìn)行通信。這種冗余有助于補(bǔ)償由于風(fēng)和氣球無(wú)線電信號(hào)試圖穿過(guò)云層或陰雨天氣而導(dǎo)致的氣球自然漂移遠(yuǎn)離發(fā)射位置。

對(duì)流層頂部通常延伸到大約 35,000 英尺，接近 SF10 LoRaWAN 的 15 公里范圍。這也恰好是我們的 30 克氣球由于低氣壓而容易爆裂的高度。

現(xiàn)在我們了解了為什么氣球可以很好地與 LoRaWAN 配合使用，我們現(xiàn)在可以談?wù)勗擁?xiàng)目如何使用我稱(chēng)之為天氣“采礦”的概念。

這是一個(gè)科學(xué)事實(shí)，除了最極端的天氣情況外，大氣壓力會(huì)隨著海拔的升高而降低，我在我的區(qū)塊鏈智能合約中利用了這一物理事實(shí)。對(duì)于無(wú)線電探空儀氣球上的壓力傳感器達(dá)到的每毫巴水平，一定比例的 Telos 數(shù)字貨幣通過(guò)區(qū)塊鏈發(fā)送到發(fā)射器。這激勵(lì)了性能良好的發(fā)射，在 LoRaWAN 接收天線的范圍內(nèi)達(dá)到最大值。

在這里，我創(chuàng)造了“天氣挖礦”一詞，與比特幣挖礦類(lèi)似，支付機(jī)制不受概率和密碼學(xué)的支配，而是受大氣物理學(xué)的可預(yù)測(cè)性支配。下圖是小額支付被發(fā)送給尼日利亞 Uyo 的 Emmanuel Patrick，因?yàn)橹悄芎霞s從 7,075 米高空的氣球接收數(shù)據(jù)。這些付款每 30 秒持續(xù)一次，直到氣球超出范圍或在高空爆炸。

圖 2. 智能合約處理數(shù)據(jù)和向 Miner 小額支付

硬件描述

項(xiàng)目中使用的每個(gè)電子硬件都相對(duì)簡(jiǎn)單，包括一個(gè) 5V 博世 BME280 天氣傳感器（可在 Seeed Studio 上獲得），通過(guò)跳線連接到 TTGO LoRa32 v2.1 微控制器。這每隔幾秒鐘就會(huì)捕獲一次溫度、濕度和壓力。TTGO 單元帶有一個(gè)預(yù)焊接的 OLED 和帶 SMA 安裝的 LoRa 868MHz 無(wú)線電模塊。一個(gè)小型 3D 打印外殼可在飛行過(guò)程中保持 Adafruit 350mah 3.7V LiPo 電池干燥，并有助于防止損壞，以防設(shè)備被回收。

BME280 的 Vin 和 GND 引腳分別連接到 LoRa32 的 3v3 和 GND 引腳。SDA 引腳連接到引腳 21，SCL 引腳連接到 22。

外殼是 3D 打印的，可以直接在大學(xué)進(jìn)行直接打印。我從 TinkerCAD 上的公共文件中借用了 STL 設(shè)計(jì)文件，并重新混合以包括外殼左側(cè)的移動(dòng)鉸鏈。

網(wǎng)絡(luò)堆棧

由于在相對(duì)偏遠(yuǎn)的地區(qū)工作會(huì)增加復(fù)雜性，我們嚴(yán)重依賴(lài)微軟 Azure 服務(wù)等云計(jì)算框架來(lái)完成大部分軟件和區(qū)塊鏈處理。盡管如此，學(xué)生們?nèi)匀辉O(shè)法將 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)（也稱(chēng)為熱點(diǎn)）連接到當(dāng)?shù)卮髮W(xué)的本地 LAN，主要是靠自己。

Seeed Studio 的 TheThingsNetwork 室內(nèi)網(wǎng)關(guān)和 Dragino LPS8 Helium 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器都已在各大學(xué)建立。

圖 4. 后端網(wǎng)絡(luò)圖

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固件是使用開(kāi)源 Arduino 庫(kù)草圖的組合編寫(xiě)的。固件的主要組件是：

• 通過(guò) Helium 網(wǎng)絡(luò)每 5 到 30 秒發(fā)送一次天氣數(shù)據(jù)包。這里我使用了LMIC庫(kù)并實(shí)現(xiàn)了這個(gè)lora-serialization庫(kù)來(lái)做天氣包的編碼和解碼
• 帶有 WiFi.h 庫(kù)的自定義 HTML 網(wǎng)頁(yè)，用于輸入學(xué)生的 Telos 區(qū)塊鏈帳戶(hù)名稱(chēng)并驗(yàn)證啟動(dòng)。網(wǎng)頁(yè)可通過(guò)智能手機(jī)中的 http://192.168.4.1 或啟動(dòng)時(shí)的二維碼訪問(wèn)。
• 機(jī)載高程計(jì)算。在這里，您可以使用一些微積分并在強(qiáng)大的 ESP32 上進(jìn)行一些涼爽的天氣計(jì)算。當(dāng)氣球上升時(shí)，固件通過(guò)在離散的壓力水平間隔上積分高度方程來(lái)連續(xù)計(jì)算實(shí)時(shí)高度。這樣做需要高度準(zhǔn)確的輸入，甚至需要計(jì)算作為緯度函數(shù)的引力常數(shù)。這是因?yàn)榭拷嗟?，西非的重力感覺(jué)要低 0.5% 到 1.0%。作為參考，這里是算法的片段：

/* Specific gas constant for dry air */
float R = 287.058;

/* Gravitational acceleration varies slightly by latitude and elevation */
float g = calc_gravity(); 

/* Approx average virtual temperature of layer */
float tv_avg = tv1 + (tv2 - tv1)/2.0;

/* Use hypsometric equation and natural logarithm 
   to compute elevation change since last datapoint */
float elevation = (R*tv_avg/g)*log(p1/p2) + z1;

通過(guò) Helium 控制臺(tái)，我為每個(gè)地理位置創(chuàng)建了一個(gè)唯一的基于 OTAA 的設(shè)備名稱(chēng)（Deveui、Appeui、Appkey），并在每個(gè)位置的后續(xù)啟動(dòng)中重復(fù)使用相同的設(shè)備憑據(jù)。然后，我將 MQTT 集成添加到 Helium 控制臺(tái)并連接流。

圖 5. Helium 數(shù)據(jù)包解碼器與 MQTT 集成

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從那里，我正在運(yùn)行一個(gè) Node-RED 實(shí)例，它偵聽(tīng) Helium 通過(guò) MQTT 發(fā)送的數(shù)據(jù)包。該流程根據(jù)端口號(hào)路由消息，最后使用我編寫(xiě)的自定義 Node-RED contrib 模塊將數(shù)據(jù)推送到 Telos 區(qū)塊鏈。該模塊在此處作為 NPM 包發(fā)布，并且與項(xiàng)目的其余部分一樣是開(kāi)源的。

圖 6. 處理天氣觀測(cè)和身份驗(yàn)證檢查的 Node-RED 流程

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最后，智能合約負(fù)責(zé)處理天氣和發(fā)射認(rèn)證數(shù)據(jù)。隨著每次觀察到達(dá)區(qū)塊鏈，氣球每上升幾米，就會(huì)向?qū)W生發(fā)射器支付一筆小額小額費(fèi)用。每次發(fā)布的數(shù)字貨幣總計(jì)約為 10 美元。所有天氣數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)為 Telos 上的 RAM 資源，我們過(guò)去所有發(fā)布的天氣數(shù)據(jù)都可以在此處的區(qū)塊鏈上直接查看。

啟動(dòng)過(guò)程

發(fā)射前，大學(xué)生“天氣礦工”按照 OLED 屏幕上的指示連接到 ESP32 廣播的 WiFi AP。學(xué)生們輸入他們的 Telos 區(qū)塊鏈賬戶(hù)名，以接收在發(fā)布期間發(fā)生的數(shù)字支付。當(dāng)用戶(hù)按下“提交”時(shí)，一條 LoRaWAN 消息通過(guò) 868MHz 發(fā)送到附近的熱點(diǎn)，并且礦工的帳戶(hù)在 Telos 區(qū)塊鏈上進(jìn)行身份驗(yàn)證。

氣球中填充了至少 12 立方英尺的氦氣或氫氣，以提升 40 克的微小有效載荷。稍后再談。另一個(gè) 3D 打印的鉸鏈夾在氣球的頸部，并通過(guò)夾子將主氣象設(shè)備連接到氣球的底部。Weather Miner 可以自由釋放氣球。

一旦大氣壓力比地面壓力低幾毫巴，設(shè)備就會(huì)識(shí)別出氣球已經(jīng)發(fā)射并進(jìn)入“飛行”模式。每 5 秒，它會(huì)將溫度、壓力和濕度傳輸回地面接收器。如果飛行發(fā)生在大城市上空，該地區(qū)的其他公共熱點(diǎn)也可能會(huì)在氣球上升時(shí)從氣球中拾取數(shù)據(jù)包，這使得解決方案更加穩(wěn)健。

氣球?qū)⒗^續(xù)上升約 90 分鐘，直到在約 35,000 英尺處爆裂。我們一起發(fā)現(xiàn)額外的氣體有助于將氣球保持在足夠長(zhǎng)的范圍內(nèi)，以測(cè)量整個(gè)飛行長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的氫氣

在與學(xué)生進(jìn)行幾次試射后，我很快了解到為氣球提供氦氣是一項(xiàng)非常昂貴的工作。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的氫氣代替氦氣給氣球充氣的方法。過(guò)濾后的水 (H2O) 使用聚合物電解質(zhì)膜 (PEM) 電解分解成氫氣和氧氣，其中氫氣以 120psi 的最大壓力儲(chǔ)存在一個(gè)小罐中。

我的發(fā)明需要 200W 太陽(yáng)能以最大 40 安培的電流為 5V PEM 供電，并在陽(yáng)光普照時(shí)產(chǎn)生氫氣。為了收集雨水，我們利用玻璃太陽(yáng)能電池板的光滑度，讓水通過(guò) PVC 管落入蓄水池。充滿(mǎn)后，雨水將通過(guò) 2 個(gè)無(wú)需外部泵的去離子水過(guò)濾器。PEM在白天不斷循環(huán)水，并將氫氣輸出到儲(chǔ)氣罐中以供日常儲(chǔ)存。

8 小時(shí)的陽(yáng)光足以讓 30 克的小型紅色氣象氣球進(jìn)行一次發(fā)射所需的 12 立方英尺氫氣。為了安全和保護(hù)雨水入口，當(dāng)產(chǎn)生足夠的氫氣時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)會(huì)切換面板的電流以關(guān)閉 PEM 裝置。我們估計(jì)超過(guò) 70% 的地球表面平均接收到 16 fl。每天發(fā)射一個(gè)氣象氣球需要 oz 的降雨量。

結(jié)論

盡管幾乎完全靠自己的資金自籌，但我已經(jīng)幫助來(lái)自美國(guó)和非洲 5 個(gè)地點(diǎn)的學(xué)生完成了 25 次發(fā)布。通過(guò)提供所需的設(shè)備和設(shè)置指南，我?guī)椭谝韵麓髮W(xué)建立了氫氣站：

1. 尼日利亞烏約的烏約
大學(xué) 2. 加納阿克拉的學(xué)術(shù)城市大學(xué)
3. 喀麥隆杜阿拉的杜阿拉大學(xué)

我還與 Taikai Labs 和 Omdena, Inc. 一起領(lǐng)導(dǎo)了一些公開(kāi)的黑客馬拉松和活動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)了一種將數(shù)據(jù)用于機(jī)器學(xué)習(xí)的新方法。我們發(fā)現(xiàn)，我們可以使用現(xiàn)有的氣球數(shù)據(jù)制作一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的 ML 訓(xùn)練的 12 小時(shí)降雨預(yù)報(bào)模型，尤其是與當(dāng)前傳統(tǒng)政府運(yùn)營(yíng)服務(wù)的糟糕表現(xiàn)相比。我們正在尋找任何潛在的資助機(jī)會(huì)，以便在杜阿拉大學(xué)進(jìn)行為期 9 個(gè)月的試點(diǎn)，以收集 ML 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。

最終，在該地區(qū)擁有足夠大的數(shù)據(jù)集后，通過(guò)改進(jìn)東大西洋颶風(fēng)成因預(yù)測(cè)，可能有數(shù)百萬(wàn)（如果不是數(shù)十億）美元的長(zhǎng)期保險(xiǎn)儲(chǔ)蓄。這些被稱(chēng)為佛得角颶風(fēng)它在非洲海岸形成，最終威脅到美國(guó)和加勒比海。只需要 20 個(gè)維護(hù)良好的氣象站即可取代該地區(qū)當(dāng)前的氣象氣球網(wǎng)絡(luò)。

本項(xiàng)目中使用的所有軟件和 CAD 都是開(kāi)源的。隨意使用組件來(lái)啟動(dòng)您自己的氣象氣球或改進(jìn)您自己的項(xiàng)目！

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