低功耗再创奇迹:采用树木为无线电网络供电,树木遭殃

 

美国林务局利用由各种自动化工作站构成的网络来跟踪气候条件，特别是在火灾季节。然而，这种太阳能供电的遥控网络需要大片的森林空地，以便阳光能够到达太阳能采集板。

与此同时，美国林务局官员希望他们能够在更大的树木上安装传感器。

目前，研究人员表示，通过利用树木与地面之间的电压差，新的超低功耗传感器能够从几乎任何树木上发射传感器数据。该方法还不必清扫森林植被来接收太阳能。

“我们认为，通过在每英亩仅仅4颗树上安装无线电传感器，我们能够提供更佳的火灾预测建模，更早的报警，以及较之于目前在任何森林中可用的更好的局部气候数据，”麻省理工学院的Andreas Mershin教授说。

MIT研究人员还预测，树木提供的电力将最终对其它类型的环境监测有用，如观测加拿大森林边界的长期膨胀扩张趋势。MIT科学家试图确定为什么树木有着不同于地面的电势。在排除了若干其它可能性之后，如电磁辐射，他们从19世纪的研究中发现了其原理：pH值的差异能够产生电势。“正是树木内部与栽培树木的土壤的pH值之间的不平衡产生了一个电压，”Mershin表示，“对于每一步的pH失配来说，你获得大约59毫伏的电压差。”Mershin透露说，树木和周围土壤之间存在电势差的重要性在于，树木本身的新陈代谢维持该电势；不论是白天或是黑夜，秋天和春天，夏天和冬天，下雨或出太阳。“因为树木必须在它的内部具有一定浓度的不断新陈代谢以及执行其它生物功能的离子，树木本身积极的调节它自己的pH值。因此，不论你把树栽培在具有什么pH值的土壤中，它均将努力地采用它的新陈代谢能量来保持它自己的pH值恒定，”Mershin说道。

其电势是微弱的，但是，它持续维持该电势的能力意味着它能被可靠地用于连续地给电池或电容充电。这个电池或电容接下来可以被用于每天给一个无线电传感器节点供电四次，以发送数据。通过在安装于树木上的各个节点之间实现网状网，研究人员计划把传感器数据从一个节点传输至另一个节点，直至它抵达一个地区的气象站。该气象站然后把来自各个树的不同的传感器读数中继至中央火灾预测计算机。MIT 最近成立了一家称为Voltree Power的公司，Mershin是它的科学家顾问，以利用它在树电(tree power)上的发现。MIT高级研究人员Christopher Love担任Voltree公司的研发副总裁。Mershin、Love以及MIT生物医疗工程中心总监Shuguang Zhang一道，已经能够把最初的毫伏级电势提升至超过1伏，足以为电池充电，为射频设备供电，并把各个传感器的输出广播至一个网状网络。

“通过利用专门选择的金属作为电极而地下的盒子由一颗钉子在树的根部穿透树木，Voltree已经完善了它的技术，”Mershin表示。在周围土壤中的第二个电极为无线电传感器节点的电子系统提供接地。天线导线沿着树木盘缠而上，把树上安装的传感器与地下的电子系统连接起来。美国林务局预计2009年春对目前正准备之中的树木供电的无线传感器网络进行现场测试。树木供电研究项目由MagCap Engineering以及MIT研究生研究机会计划提供。