利用微型传感器实现光子事物互联网

华盛顿大学圣路易斯分校的一个研究小组是第一个使用具有回音壁模式(WGM)架构的无线光子传感器谐振器成功记录环境数据的团队。

光子传感器在2017年春季在两种情况下记录数据：一种是12小时内空气温度的实时测量，另一种是温度分布的航空映射，传感器安装在圣路易斯的无人机上城市公园。为了进行比较，两次测量都配有带蓝牙连接的商用温度计。两者的数据相比非常有利。

在“物联网”(IoT)的宏大世界中，存在大量空间分布的无线传感器，主要基于电子设备。这些设备经常受到电磁干扰的阻碍，例如低飞的飞机和厨房研磨机引起的干扰的音频或视觉信号，在收音机上引起不必要的噪音。

但光学传感器“不受电磁干扰的影响，可以在恶劣环境中提供显着优势，”工程与应用科学学院电气与系统工程教授Edwin H.和Florence G. Skinner教授Lan Yang说。 9月5日发表在“光：科学与应用”杂志上的研究结果。

“基于谐振器的光学传感器显示出小尺寸，极高的灵敏度和许多功能，所有这些都为无线传感器提供了功能和灵活性，”杨说。“我们的工作可以为在整个互联网上大规模应用WGM传感器铺平道路。”

杨的传感器属于一个叫做低语画廊模式共振器的类别，因为它们像伦敦圣保罗大教堂着名的窃窃私语画廊一样起名，穹顶一侧的人可以听到有人在墙上讲的消息。另一边。杨和她的合作者最近表示，与在可听范围内具有共振或甜点的穹顶不同，传感器在光频率以及振动或机械频率下产生共振。

“与现有的台式实验室设备相比，WGM传感器的主板仅为127毫米乘67毫米 - 大约5英寸乘2.5英寸 - 并集成了传感器系统的整体架构，”许祥义说，该论文的第一作者和杨实验室的研究生。“传感器本身由玻璃制成，只有一根人发;它通过一根光纤连接到主板。激光用于探测WGM传感器。传感器发出的光被传送到带有发射放大器的光电探测器。处理器控制外围设备，如激光电流驱动器，监控电路，热电冷却器和Wi-Fi单元，“徐说。

在她的WGM中，光通过恒定的内部反射沿着结构的圆形边缘传播。在圆形边缘内，光旋转100万次。在该空间上，光波检测环境变化，例如温度和湿度。传感器节点由定制的操作系统应用程序监控，该应用程序控制远程系统并收集和分析传感信号。

无论是电子还是光子(基于光)，无线传感器都可以监测诸如湿度，温度和气压等环境因素。无线传感器的应用包括环境和卫生保健监测，精确农业实践和智能城市的数据收集等。智能城市是互联网数据收集驱动的城市。精准农业使用数字化地理信息系统进行精确农业实践，例如土壤测绘，这可以实现精确的肥料和化学应用，并选择种子选择，以实现更高效和有利可图的农业。

Yang和她的同事不得不解决稳定性问题，这些问题由他们开发的定制操作系统应用程序处理，以及大型实验室测量系统的小型化。

“我们开发了一款智能手机应用程序，通过WiFi控制感应系统，”杨说。“通过将传感器系统连接到互联网，我们可以实现对系统的实时远程控制。”

2017年6月，杨和她的小组将整个系统安装在建筑物的外墙上，并积累了共振频移的图。他们将数据与商用温度计进行了比较。

“由于尺寸小，无线光子传感器的功能和灵活性可以通过移动来改善，”杨说。

研究人员还在2017年5月将他们的系统与商用温度计一起安装在无人驾驶无人机上。当无人机从一个测量位置飞到另一个测量位置时，WGM的共振频率响应于温度变化而移动。

“测量结果与商用温度计的结果相符，”她说。“成功的演示展示了我们的无线WGM传感器在物联网中的潜在应用.WGM技术有许多有前途的传感应用，包括磁，声，环境和医疗传感。”

谐振器传感系统的小型化为物联网提供了一个激动人心的机会，因为它将使物联网能够开发出具有前所未有的灵敏度和能力的新型光子传感器，“计算机科学与工程系Fullgraf教授陈晨阳说。该论文的共同作者。