手機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)改變世界

人類發(fā)明移動(dòng)電話，最初的目的十分簡(jiǎn)單——擺脫座機(jī)通話地點(diǎn)固定的束縛。不久，人類又發(fā)明了掌上電腦（Pocket PC，簡(jiǎn)寫為PPC）。最初，這兩樣?xùn)|西彼此間沒有任何關(guān)系。再后來，一些廠商為迎合人們的需要，將PPC與手機(jī)功能合二為一，于是智能手機(jī)出現(xiàn)了。

手機(jī)助學(xué)

智能手機(jī)的誕生給人們帶來了諸多便利。除了常規(guī)的通話和短信功能，它還幾乎完全取代了PPC的功能，甚至兼?zhèn)潆娔X的辦公功能與游戲機(jī)的娛樂功能。

智能手機(jī)的發(fā)展讓人們改變了許多傳統(tǒng)的觀念和習(xí)慣。目前，地球陸地表面20%的區(qū)域已經(jīng)有移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)覆蓋，約有5億套電話設(shè)備采用安卓操作系統(tǒng)。

如何將類似手機(jī)這樣便利的電子產(chǎn)品開發(fā)成有助于學(xué)習(xí)的工具成為一個(gè)非常有意義的研究課題。

2012年，《科學(xué)》周刊中有一則簡(jiǎn)訊，報(bào)道了美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）的一個(gè)研究項(xiàng)目——主動(dòng)探索者。該項(xiàng)研究提出，可以將智能手機(jī)作為課堂研究工具，讓學(xué)生親身體會(huì)和實(shí)踐對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)。比如，老師布置一個(gè)任務(wù)，要求學(xué)生調(diào)查附近入侵植物的分布情況。學(xué)生可以利用智能手機(jī)收集數(shù)據(jù)，在拍照的同時(shí)，智能手機(jī)內(nèi)置的GPS會(huì)自動(dòng)記錄入侵植物的地理位置。學(xué)生2yOic3e7iDOfWoUT6s50KKjLuy8BS+gpdyfpW1qoNgo=們將這些信息統(tǒng)一上傳到一個(gè)網(wǎng)站，就可分享和整合大家的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然也可用于制作幻燈片、漫畫或其他極富創(chuàng)意的作品。經(jīng)由這樣的訓(xùn)練，學(xué)生通過獨(dú)立的學(xué)習(xí)方式獲取知識(shí)，而不是僅僅接收來自書本的知識(shí)。

除此之外，智能手機(jī)還可以進(jìn)行哪些擴(kuò)展應(yīng)用呢？

手機(jī)測(cè)溫

最近，美國(guó)《地球物理研究快報(bào)》發(fā)表一篇文章認(rèn)為，科學(xué)家可以通過人們的智能手機(jī)來收集氣象數(shù)據(jù)。說起來，這項(xiàng)研究的起因純屬偶然。最初，軟件工程師發(fā)布OpenSignal（信號(hào)雷達(dá)）應(yīng)用，只是想繪制全球無線網(wǎng)絡(luò)分布圖供用戶使用。

智能手機(jī)中都有鋰電池，為防止鋰電池充電時(shí)過熱，會(huì)安裝一個(gè)溫度傳感器。為了繪制這個(gè)地圖，也需要測(cè)試電池的性能，包括電荷水平、電壓和電池溫度等指標(biāo)。一般在信號(hào)弱的地方，電池消耗有所增加，電池溫度會(huì)略微上升。經(jīng)過6個(gè)月的數(shù)據(jù)收集，研究人員得到了一個(gè)意想不到的結(jié)果：這些數(shù)據(jù)居然與該城市歷史上的戶外氣溫?cái)?shù)據(jù)有著極強(qiáng)的相關(guān)性。而且通過一個(gè)數(shù)學(xué)變換，就可用一組手機(jī)電池的平均溫度來代表室外氣溫。

之后，科學(xué)家們又陸續(xù)研究了洛杉磯、巴黎、墨西哥、羅馬等地的手機(jī)電池溫度與當(dāng)?shù)貧鉁刂g的關(guān)系。通過這些數(shù)據(jù)，他們?cè)俅悟?yàn)證了這一關(guān)系的真實(shí)性。因此，科學(xué)家們信心滿滿地開發(fā)了一個(gè)應(yīng)用程序Weather Signal（天氣信號(hào)），就是利用這個(gè)溫度傳感器來測(cè)量氣溫。這里所說的溫度測(cè)量只需要用戶安裝一個(gè)應(yīng)用程序并允許該程序自動(dòng)收集數(shù)據(jù)。溫度監(jiān)測(cè)并不需要實(shí)時(shí)連接網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以暫時(shí)放于緩存中，在網(wǎng)絡(luò)連通后，手機(jī)會(huì)定期將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

對(duì)于氣象觀測(cè)來說，這一應(yīng)用還是非常有用的。目前城市氣象站的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而一個(gè)氣象站的建設(shè)成本和維護(hù)成本都不菲。更重要的是，氣象站的代表性往往不強(qiáng)，因?yàn)榇蠖鄽庀笳臼怯羞x擇性地建在人員干擾比較少的區(qū)域。對(duì)于那些與氣象站相距較遠(yuǎn)的地區(qū)，氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幾乎沒有任何參考價(jià)值。況且人口稠密的地區(qū)更需要獲取空間分辨率更高的氣象數(shù)據(jù)。因此，與建設(shè)氣象站相比，這一應(yīng)用程序的監(jiān)測(cè)不僅成本低廉，而且所收集的數(shù)據(jù)更加精細(xì)。

測(cè)量難題

盡管利用智能手機(jī)監(jiān)測(cè)氣溫有很大潛力，但也有許多實(shí)際問題，其中最大的麻煩就是電池溫度傳感器所提供的信號(hào)并不能直接用于氣溫的測(cè)量。因?yàn)橹悄苁謾C(jī)本身在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，而且通常被放在用戶的衣服口袋中。智能手機(jī)本身產(chǎn)生的熱量以及用戶身體釋放出的熱量和周圍環(huán)境將構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)。

對(duì)此，研究人員利用一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型來修正和估算日平均氣溫。首先，對(duì)所收集的日平均氣溫采用最小二乘回歸，可對(duì)每個(gè)城市和每個(gè)時(shí)期獲得一個(gè)最佳值和一個(gè)常數(shù)值。之后，對(duì)每個(gè)城市和各時(shí)期構(gòu)造一些校準(zhǔn)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，交替地隔日進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，以避免因季節(jié)變化可能帶來的偏差。其中，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集用于估算熱傳導(dǎo)模型的參數(shù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集則用于驗(yàn)證熱傳導(dǎo)模型對(duì)單獨(dú)數(shù)據(jù)的性能。

盡管采用了這個(gè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，用智能手機(jī)監(jiān)測(cè)氣溫還是面臨許多難題。例如，一套電池溫度讀數(shù)很可能是在建筑物或汽車中測(cè)得的，而我們需要了解的是室外溫度。同樣，假定人們總是將手機(jī)放在衣服口袋中也不準(zhǔn)確，因?yàn)榉胖檬謾C(jī)的地方有很多，最終可能導(dǎo)致手機(jī)的溫度讀數(shù)代表性差異極大。特別是在寒冷的季節(jié)，人們傾向于待在室內(nèi)，使得電池溫度相對(duì)較高，這樣的情形最終會(huì)導(dǎo)致氣溫值被高估。此外，智能手機(jī)電池和氣象站觀測(cè)所代表的溫度有很大差異：電池溫度讀數(shù)從多個(gè)地方采集而來，氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)則是從城市的某一個(gè)固定位置獲取的，同時(shí)兩組數(shù)據(jù)的周邊土地利用情況也可能不同，使得二者的可比性較差。由于城市中局部微尺度環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，人們所估計(jì)的逐日氣溫只是一個(gè)對(duì)實(shí)際平均氣溫的粗略估計(jì)。

不過，研究人員認(rèn)為，通過獲取足夠多的數(shù)據(jù)，那些因熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)是可以被充分過濾掉的。雖然對(duì)每部手機(jī)和每個(gè)用戶來說，電池和身體所產(chǎn)生的熱量值不同，但當(dāng)對(duì)多部手機(jī)和多名用戶進(jìn)行平均后，這些數(shù)值就趨近于常數(shù)值。

有關(guān)人員最后還對(duì)這樣的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了展望，并提出了建議。例如，模型計(jì)算中所采用的系數(shù)可能需要針對(duì)不同的城市和季節(jié)進(jìn)行優(yōu)化；此外，操作系統(tǒng)版本、智能手機(jī)型號(hào)、屏幕大小等，可能影響電池對(duì)氣溫的響應(yīng)，因此還可以針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如果能開發(fā)一些技術(shù)識(shí)別出手機(jī)所處環(huán)境究竟是在室內(nèi)還是室外，這樣就有可能只選取那些在室外獲取的讀數(shù)。

整合開發(fā)

無獨(dú)有偶，美國(guó)科學(xué)家正在開展的近地面氣象識(shí)別（meteorological Phenomena Identification Near the Ground，簡(jiǎn)稱mPING），也是一個(gè)通過公眾智能手機(jī)或移動(dòng)設(shè)備收集天氣信息的研究項(xiàng)目。

項(xiàng)目研究人員開發(fā)了一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序mPING供大家免費(fèi)下載和使用。用戶通過mPING可以選擇當(dāng)前的天氣類型并提交報(bào)告，用戶當(dāng)前的位置和時(shí)間會(huì)自動(dòng)包含在報(bào)告中。無論是過去的報(bào)告還是實(shí)時(shí)報(bào)告都儲(chǔ)存在mPING數(shù)據(jù)庫(kù)中，并根據(jù)時(shí)間和位置進(jìn)行整理，任何用戶隨時(shí)可查看這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，甚至可用于判定身邊是否會(huì)發(fā)生災(zāi)害性天氣，以便及早預(yù)防。當(dāng)然，在服務(wù)器端和后臺(tái)，研究人員還將對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。例如，將這些報(bào)告與雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并采用這些信息來開發(fā)新的監(jiān)測(cè)雷達(dá)和預(yù)報(bào)技術(shù)。目前，這一項(xiàng)目涉及的范圍還只針對(duì)美國(guó)本土。

需要說明的是，一些新型智能手機(jī)正在整合越來越多的傳感器，盡管這些傳感器往往并不是為測(cè)量氣象指標(biāo)而添加的，比如，手機(jī)上安裝的氣壓計(jì)一般是用來修正GPS所獲得的海拔高度的，光傳感器則是用來自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度的……我們現(xiàn)在只是在擴(kuò)展這些傳感器的用途。

當(dāng)然，為了進(jìn)行專門的氣象指標(biāo)測(cè)定，也需要專門開發(fā)針對(duì)智能手機(jī)的傳感器。例如，荷蘭的iSPEX就是這樣一個(gè)智能手機(jī)的擴(kuò)展設(shè)備。安裝這套設(shè)備和應(yīng)用后，手機(jī)立刻就變身為一個(gè)科學(xué)儀器，可用于測(cè)量大氣中的氣溶膠。這個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)借鑒了用于行星探測(cè)的分光偏振計(jì)（SPEX）原理，因?yàn)槭莍Phone手機(jī)的應(yīng)用，所以被稱為iSPEX。

將手機(jī)連接上該設(shè)備后，只需要對(duì)著天空拍一張照片，數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)上傳到中央數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器結(jié)合所有的測(cè)量結(jié)果和專業(yè)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，就能生成一個(gè)大范圍的氣溶膠分布圖。

對(duì)個(gè)人來說，大氣污染的發(fā)生其實(shí)是無法逃避的。通過這種方式，每個(gè)人都能為改善環(huán)境盡力。盡管大家都不太會(huì)意識(shí)到氣溶膠的存在，但其實(shí)它對(duì)人們的生活有著巨大影響。細(xì)小的顆粒物會(huì)影響我們的健康，大氣能見度差的時(shí)候，飛機(jī)不能起飛，甚至可能形成目前尚未充分了解的氣候變化問題。iSPEX所收集的數(shù)據(jù)可以幫助人們更好地評(píng)估細(xì)顆粒物帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)，也有助于人們了解大氣氣溶膠與氣候變化之間的關(guān)系。

個(gè)人黑匣子

從上述介紹可以看到，智能手機(jī)上安裝的傳感器可以形成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。作為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)人都能夠?qū)ι鐣?huì)做出貢獻(xiàn)，同時(shí)，也讓自己受益?！拔覟槿巳?，人人為我”這句口號(hào)，在這里得到最好的體現(xiàn)。

或許，手機(jī)傳感器對(duì)個(gè)人未來所帶來的革命是翻天覆地的。例如，它可以讓用戶的個(gè)人手機(jī)變成類似于飛行器黑匣子的記錄器。想象一下，為你看病的醫(yī)生，如果獲得授權(quán)后，可以訪問你的手機(jī)黑匣子所上載的數(shù)據(jù)，就能夠知道你曾經(jīng)在哪些國(guó)家生活過，曾經(jīng)經(jīng)歷了何種極端的氣壓和溫度環(huán)境，你平時(shí)的運(yùn)動(dòng)量是多少，甚至你居住環(huán)境的濕度是多少……這些數(shù)據(jù)對(duì)于醫(yī)生的正確診斷該會(huì)有多重要。

智能手機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為即將實(shí)現(xiàn)的氣象學(xué)和醫(yī)學(xué)的重大變革準(zhǔn)備就緒。結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)和社交網(wǎng)絡(luò)，定會(huì)讓我們未來生活的世界更加便利，更加美好。

【責(zé)任編輯】趙 菲