描述

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

我的使命

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

來自西非和中非地區(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)測極端洪水和干旱事件。來自這些地區(qū)的更多數(shù)據(jù)可以幫助對當(dāng)?shù)厝丝谶M行降雨預(yù)報，甚至可以用于改進對 7 到 14 天時間范圍內(nèi)的大西洋颶風(fēng)的預(yù)報。然而，該地區(qū)的官僚主義和無效的政府資助導(dǎo)致過去 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)這一趨勢的最佳方法是建立一個獨立于政府機構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，直接向個人支付準備和發(fā)射氣象氣球的費用。 Link

這個行動計劃現(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)，而無需昂貴的設(shè)備。此外，隨著非洲智能手機的普及，我們發(fā)現(xiàn)實時討論項目和解決技術(shù)問題很容易。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數(shù)據(jù)，同時直接補償當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)以手動啟動氣球的過程。

LoRaWAN 和天氣挖掘

LoRaWAN 是一種低功耗遠程無線電通信技術(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，因為可能會降低信號強度的地面障礙物越來越少。實際上，氣球變得越來越像一個具有巨大足跡的小型衛(wèi)星，可以與地面上的數(shù)十個甚至數(shù)百個網(wǎng)關(guān)（也稱為氦“熱點”）進行通信。這種冗余有助于補償由于風(fēng)和氣球無線電信號試圖穿過云層或陰雨天氣而導(dǎo)致的氣球自然漂移遠離發(fā)射位置。

對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)勗擁椖咳绾问褂梦曳Q之為天氣“采礦”的概念。

這是一個科學(xué)事實，除了最極端的天氣情況外，大氣壓力會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。對于無線電探空儀氣球上的壓力傳感器達到的每毫巴水平，一定比例的 Telos 數(shù)字貨幣通過區(qū)塊鏈發(fā)送到發(fā)射器。這激勵了性能良好的發(fā)射，在 LoRaWAN 接收天線的范圍內(nèi)達到最大值。

在這里，我創(chuàng)造了“天氣挖礦”一詞，與比特幣挖礦類似，支付機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)測性支配。下圖是小額支付被發(fā)送給尼日利亞 Uyo 的 Emmanuel Patrick，因為智能合約從 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

項目中使用的每個電子硬件都相對簡單，包括一個 5V 博世 BME280 天氣傳感器（可在 Seeed Studio 上獲得），通過跳線連接到 TTGO LoRa32 v2.1 微控制器。這每隔幾秒鐘就會捕獲一次溫度、濕度和壓力。TTGO 單元帶有一個預(yù)焊接的 OLED 和帶 SMA 安裝的 LoRa 868MHz 無線電模塊。一個小型 3D 打印外殼可在飛行過程中保持 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)進行直接打印。我從 TinkerCAD 上的公共文件中借用了 STL 設(shè)計文件，并重新混合以包括外殼左側(cè)的移動鉸鏈。

網(wǎng)絡(luò)堆棧

由于在相對偏遠的地區(qū)工作會增加復(fù)雜性，我們嚴重依賴微軟 Azure 服務(wù)等云計算框架來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)（也稱為熱點）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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固件是使用開源 Arduino 庫草圖的組合編寫的。固件的主要組件是：

• 通過 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庫并實現(xiàn)了這個lora-serialization庫來做天氣包的編碼和解碼
• 帶有 WiFi.h 庫的自定義 HTML 網(wǎng)頁，用于輸入學(xué)生的 Telos 區(qū)塊鏈帳戶名稱并驗證啟動。網(wǎng)頁可通過智能手機中的 http://192.168.4.1 或啟動時的二維碼訪問。
• 機載高程計算。在這里，您可以使用一些微積分并在強大的 ESP32 上進行一些涼爽的天氣計算。當(dāng)氣球上升時，固件通過在離散的壓力水平間隔上積分高度方程來連續(xù)計算實時高度。這樣做需要高度準確的輸入，甚至需要計算作為緯度函數(shù)的引力常數(shù)。這是因為靠近赤道，西非的重力感覺要低 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 Helium 控制臺，我為每個地理位置創(chuàng)建了一個唯一的基于 OTAA 的設(shè)備名稱（Deveui、Appeui、Appkey），并在每個位置的后續(xù)啟動中重復(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，我正在運行一個 Node-RED 實例，它偵聽 Helium 通過 MQTT 發(fā)送的數(shù)據(jù)包。該流程根據(jù)端口號路由消息，最后使用我編寫的自定義 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，并且與項目的其余部分一樣是開源的。

圖 6. 處理天氣觀測和身份驗證檢查的 Node-RED 流程

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最后，智能合約負責(zé)處理天氣和發(fā)射認證數(shù)據(jù)。隨著每次觀察到達區(qū)塊鏈，氣球每上升幾米，就會向?qū)W生發(fā)射器支付一筆小額小額費用。每次發(fā)布的數(shù)字貨幣總計約為 10 美元。所有天氣數(shù)據(jù)都存儲為 Telos 上的 RAM 資源，我們過去所有發(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。

啟動過程

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)塊鏈賬戶名，以接收在發(fā)布期間發(fā)生的數(shù)字支付。當(dāng)用戶按下“提交”時，一條 LoRaWAN 消息通過 868MHz 發(fā)送到附近的熱點，并且礦工的帳戶在 Telos 區(qū)塊鏈上進行身份驗證。

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 3D 打印的鉸鏈夾在氣球的頸部，并通過夾子將主氣象設(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)備就會識別出氣球已經(jīng)發(fā)射并進入“飛行”模式。每 5 秒，它會將溫度、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)的其他公共熱點也可能會在氣球上升時從氣球中拾取數(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的范圍內(nèi)，以測量整個飛行長度的數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的氫氣

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

為了克服這個問題，我們開發(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 的最大壓力儲存在一個小罐中。

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

8 小時的陽光足以讓 30 克的小型紅色氣象氣球進行一次發(fā)射所需的 12 立方英尺氫氣。為了安全和保護雨水入口，當(dāng)產(chǎn)生足夠的氫氣時，壓力開關(guān)會切換面板的電流以關(guān)閉 PEM 裝置。我們估計超過 70% 的地球表面平均接收到 16 fl。每天發(fā)射一個氣象氣球需要 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)幫助來自美國和非洲 5 個地點的學(xué)生完成了 25 次發(fā)布。通過提供所需的設(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)了一些公開的黑客馬拉松和活動，我們發(fā)現(xiàn)了一種將數(shù)據(jù)用于機器學(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)制作一個相當(dāng)準確的 ML 訓(xùn)練的 12 小時降雨預(yù)報模型，尤其是與當(dāng)前傳統(tǒng)政府運營服務(wù)的糟糕表現(xiàn)相比。我們正在尋找任何潛在的資助機會，以便在杜阿拉大學(xué)進行為期 9 個月的試點，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，通過改進東大西洋颶風(fēng)成因預(yù)測，可能有數(shù)百萬（如果不是數(shù)十億）美元的長期保險儲蓄。這些被稱為佛得角颶風(fēng)它在非洲海岸形成，最終威脅到美國和加勒比海。只需要 20 個維護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)。

本項目中使用的所有軟件和 CAD 都是開源的。隨意使用組件來啟動您自己的氣象氣球或改進您自己的項目！

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