手机传感器网络改变世界

人类发明移动电话，最初的目的十分简单——摆脱座机通话地点固定的束缚。不久，人类又发明了掌上电脑（Pocket PC，简写为PPC）。最初，这两样东西彼此间没有任何关系。再后来，一些厂商为迎合人们的需要，将PPC与手机功能合二为一，于是智能手机出现了。

　　手机助学

　　智能手机的诞生给人们带来了诸多便利。除了常规的通话和短信功能，它还几乎完全取代了PPC的功能，甚至兼备电脑的办公功能与游戏机的娱乐功能。

　　智能手机的发展让人们改变了许多传统的观念和习惯。目前，地球陆地表面20%的区域已经有移动电话网络覆盖，约有5亿套电话设备采用安卓操作系统。

　　如何将类似手机这样便利的电子产品开发成有助于学习的工具成为一个非常有意义的研究课题。

　　2012年，《科学》周刊中有一则简讯，报道了美国科学促进会（AAAS）的一个研究项目——主动探索者。该项研究提出，可以将智能手机作为课堂研究工具，让学生亲身体会和实践对知识的学习。比如，老师布置一个任务，要求学生调查附近入侵植物的分布情况。学生可以利用智能手机收集数据，在拍照的同时，智能手机内置的GPS会自动记录入侵植物的地理位置。学生们将这些信息统一上传到一个网站，就可分享和整合大家的发现，当然也可用于制作幻灯片、漫画或其他极富创意的作品。经由这样的训练，学生通过独立的学习方式获取知识，而不是仅仅接收来自书本的知识。

　　除此之外，智能手机还可以进行哪些扩展应用呢？

　　手机测温

　　最近，美国《地球物理研究快报》发表一篇文章认为，科学家可以通过人们的智能手机来收集气象数据。说起来，这项研究的起因纯属偶然。最初，软件工程师发布OpenSignal（信号雷达）应用，只是想绘制全球无线网络分布图供用户使用。

　　智能手机中都有锂电池，为防止锂电池充电时过热，会安装一个温度传感器。为了绘制这个地图，也需要测试电池的性能，包括电荷水平、电压和电池温度等指标。一般在信号弱的地方，电池消耗有所增加，电池温度会略微上升。经过6个月的数据收集，研究人员得到了一个意想不到的结果：这些数据居然与该城市历史上的户外气温数据有着极强的相关性。而且通过一个数学变换，就可用一组手机电池的平均温度来代表室外气温。

　　之后，科学家们又陆续研究了洛杉矶、巴黎、墨西哥、罗马等地的手机电池温度与当地气温之间的关系。通过这些数据，他们再次验证了这一关系的真实性。因此，科学家们信心满满地开发了一个应用程序Weather Signal（天气信号），就是利用这个温度传感器来测量气温。这里所说的温度测量只需要用户安装一个应用程序并允许该程序自动收集数据。温度监测并不需要实时连接网络，监测结果可以暂时放于缓存中，在网络连通后，手机会定期将数据上传至服务器。

　　对于气象观测来说，这一应用还是非常有用的。目前城市气象站的数量远远不够，而一个气象站的建设成本和维护成本都不菲。更重要的是，气象站的代表性往往不强，因为大多气象站是有选择性地建在人员干扰比较少的区域。对于那些与气象站相距较远的地区，气象站的监测数据几乎没有任何参考价值。况且人口稠密的地区更需要获取空间分辨率更高的气象数据。因此，与建设气象站相比，这一应用程序的监测不仅成本低廉，而且所收集的数据更加精细。

　　测量难题

　　尽管利用智能手机监测气温有很大潜力，但也有许多实际问题，其中最大的麻烦就是电池温度传感器所提供的信号并不能直接用于气温的测量。因为智能手机本身在工作时会发热，而且通常被放在用户的衣服口袋中。智能手机本身产生的热量以及用户身体释放出的热量和周围环境将构成一个复杂的热传导系统。

　　对此，研究人员利用一个稳态热传导模型来修正和估算日平均气温。首先，对所收集的日平均气温采用最小二乘回归，可对每个城市和每个时期获得一个最佳值和一个常数值。之后，对每个城市和各时期构造一些校准和验证数据集，交替地隔日进行校准和验证，以避免因季节变化可能带来的偏差。其中，校准数据集用于估算热传导模型的参数，验证数据集则用于验证热传导模型对单独数据的性能。

　　尽管采用了这个模型进行数据校正，用智能手机监测气温还是面临许多难题。例如，一套电池温度读数很可能是在建筑物或汽车中测得的，而我们需要了解的是室外温度。同样，假定人们总是将手机放在衣服口袋中也不准确，因为放置手机的地方有很多，最终可能导致手机的温度读数代表性差异极大。特别是在寒冷的季节，人们倾向于待在室内，使得电池温度相对较高，这样的情形最终会导致气温值被高估。此外，智能手机电池和气象站观测所代表的温度有很大差异：电池温度读数从多个地方采集而来，气象站的观测数据则是从城市的某一个固定位置获取的，同时两组数据的周边土地利用情况也可能不同，使得二者的可比性较差。由于城市中局部微尺度环境的复杂性和多样性，人们所估计的逐日气温只是一个对实际平均气温的粗略估计。

　　不过，研究人员认为，通过获取足够多的数据，那些因热传导产生的异常数据是可以被充分过滤掉的。虽然对每部手机和每个用户来说，电池和身体所产生的热量值不同，但当对多部手机和多名用户进行平均后，这些数值就趋近于常数值。

　　有关人员最后还对这样的监测进行了展望，并提出了建议。例如，模型计算中所采用的系数可能需要针对不同的城市和季节进行优化；此外，操作系统版本、智能手机型号、屏幕大小等，可能影响电池对气温的响应，因此还可以针对这些参数进行优化。如果能开发一些技术识别出手机所处环境究竟是在室内还是室外，这样就有可能只选取那些在室外获取的读数。

　　整合开发

　　无独有偶，美国科学家正在开展的近地面气象识别（meteorological Phenomena Identification Near the Ground，简称mPING），也是一个通过公众智能手机或移动设备收集天气信息的研究项目。项目研究人员开发了一个移动应用程序mPING供大家免费下载和使用。用户通过mPING可以选择当前的天气类型并提交报告，用户当前的位置和时间会自动包含在报告中。无论是过去的报告还是实时报告都储存在mPING数据库中，并根据时间和位置进行整理，任何用户随时可查看这些观测数据，甚至可用于判定身边是否会发生灾害性天气，以便及早预防。当然，在服务器端和后台，研究人员还将对数据做进一步分析。例如，将这些报告与雷达探测数据进行比较，并采用这些信息来开发新的监测雷达和预报技术。目前，这一项目涉及的范围还只针对美国本土。

　　需要说明的是，一些新型智能手机正在整合越来越多的传感器，尽管这些传感器往往并不是为测量气象指标而添加的，比如，手机上安装的气压计一般是用来修正GPS所获得的海拔高度的，光传感器则是用来自动调节屏幕亮度的……我们现在只是在扩展这些传感器的用途。

　　当然，为了进行专门的气象指标测定，也需要专门开发针对智能手机的传感器。例如，荷兰的iSPEX就是这样一个智能手机的扩展设备。安装这套设备和应用后，手机立刻就变身为一个科学仪器，可用于测量大气中的气溶胶。这个设备的设计借鉴了用于行星探测的分光偏振计（SPEX）原理，因为是iPhone手机的应用，所以被称为iSPEX。

　　将手机连接上该设备后，只需要对着天空拍一张照片，数据就会自动上传到中央数据库。数据库服务器结合所有的测量结果和专业监测站的数据，就能生成一个大范围的气溶胶分布图。

　　对个人来说，大气污染的发生其实是无法逃避的。通过这种方式，每个人都能为改善环境尽力。尽管大家都不太会意识到气溶胶的存在，但其实它对人们的生活有着巨大影响。细小的颗粒物会影响我们的健康，大气能见度差的时候，飞机不能起飞，甚至可能形成目前尚未充分了解的气候变化问题。iSPEX所收集的数据可以帮助人们更好地评估细颗粒物带来的健康风险，也有助于人们了解大气气溶胶与气候变化之间的关系。

　　个人黑匣子

　　从上述介绍可以看到，智能手机上安装的传感器可以形成一个传感器网络。作为传感器网络中的一个节点，每个人都能够对社会做出贡献，同时，也让自己受益。“我为人人，人人为我”这句口号，在这里得到最好的体现。

　　或许，手机传感器对个人未来所带来的革命是翻天覆地的。例如，它可以让用户的个人手机变成类似于飞行器黑匣子的记录器。想象一下，为你看病的医生，如果获得授权后，可以访问你的手机黑匣子所上载的数据，就能够知道你曾经在哪些国家生活过，曾经经历了何种极端的气压和温度环境，你平时的运动量是多少，甚至你居住环境的湿度是多少……这些数据对于医生的正确诊断该会有多重要。

　　智能手机传感器网络已经为即将实现的气象学和医学的重大变革准备就绪。结合传感器网络和社交网络，定会让我们未来生活的世界更加便利，更加美好。

　　【责任编辑】赵 菲