使用區塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的天氣氣球采礦

描述

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

我的使命

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

來(lái)自西非和中非地區的高層數據在天氣和氣候預報中發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。它有助于數值模型更好地預測極端洪水和干旱事件。來(lái)自這些地區的更多數據可以幫助對當地人口進(jìn)行降雨預報，甚至可以用于改進(jìn)對 7 到 14 天時(shí)間范圍內的大西洋颶風(fēng)的預報。然而，該地區的官僚主義和無(wú)效的政府資助導致過(guò)去 20 年西非氣象氣球站的迅速退化。2008年，科學(xué)家得出結論，扭轉這一趨勢的最佳方法是建立一個(gè)獨立于政府機構的網(wǎng)絡(luò )，直接向個(gè)人支付準備和發(fā)射氣象氣球的費用。 Link

這個(gè)行動(dòng)計劃現在是可能的。

憑借小尺寸、低功耗和低成本的微處理器，我們可以連接社區并收集數據，而無(wú)需昂貴的設備。此外，隨著(zhù)非洲智能手機的普及，我們發(fā)現實(shí)時(shí)討論項目和解決技術(shù)問(wèn)題很容易。借助區塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)，我們可以讓地球上任何地方的任何人都可以訪(fǎng)問(wèn)數據，同時(shí)直接補償當地社區以手動(dòng)啟動(dòng)氣球的過(guò)程。

LoRaWAN 和天氣挖掘

LoRaWAN 是一種低功耗遠程無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，在視距情況下表現最佳。它非常適合一次只需要發(fā)送少量數據的室外傳感器和室內監視器。

上升的氣象氣球最大限度地提高了 LoRaWAN 的這種視線(xiàn)特性，因為可能會(huì )降低信號強度的地面障礙物越來(lái)越少。實(shí)際上，氣球變得越來(lái)越像一個(gè)具有巨大足跡的小型衛星，可以與地面上的數十個(gè)甚至數百個(gè)網(wǎng)關(guān)（也稱(chēng)為氦“熱點(diǎn)”）進(jìn)行通信。這種冗余有助于補償由于風(fēng)和氣球無(wú)線(xiàn)電信號試圖穿過(guò)云層或陰雨天氣而導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，我們現在可以談?wù)勗擁椖咳绾问褂梦曳Q(chēng)之為天氣“采礦”的概念。

這是一個(gè)科學(xué)事實(shí)，除了最極端的天氣情況外，大氣壓力會(huì )隨著(zhù)海拔的升高而降低，我在我的區塊鏈智能合約中利用了這一物理事實(shí)。對于無(wú)線(xiàn)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 數字貨幣通過(guò)區塊鏈發(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(xiàn)的范圍內達到最大值。

在這里，我創(chuàng )造了“天氣挖礦”一詞，與比特幣挖礦類(lèi)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據。這些付款每 30 秒持續一次，直到氣球超出范圍或在高空爆炸。

圖 2. 智能合約處理數據和向 Miner 小額支付

硬件描述

項目中使用的每個(gè)電子硬件都相對簡(jiǎn)單，包括一個(gè) 5V 博世 BME280 天氣傳感器（可在 Seeed Studio 上獲得），通過(guò)跳線(xiàn)連接到 TTGO LoRa32 v2.1 微控制器。這每隔幾秒鐘就會(huì )捕獲一次溫度、濕度和壓力。TTGO 單元帶有一個(gè)預焊接的 OLED 和帶 SMA 安裝的 LoRa 868MHz 無(wú)線(xiàn)電模塊。一個(gè)小型 3D 打印外殼可在飛行過(guò)程中保持 Adafruit 350mah 3.7V LiPo 電池干燥，并有助于防止損壞，以防設備被回收。

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(jìn)行直接打印。我從 TinkerCAD 上的公共文件中借用了 STL 設計文件，并重新混合以包括外殼左側的移動(dòng)鉸鏈。

網(wǎng)絡(luò )堆棧

由于在相對偏遠的地區工作會(huì )增加復雜性，我們嚴重依賴(lài)微軟 Azure 服務(wù)等云計算框架來(lái)完成大部分軟件和區塊鏈處理。盡管如此，學(xué)生們仍然設法將 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)（也稱(chēng)為熱點(diǎn)）連接到當地大學(xué)的本地 LAN，主要是靠自己。

Seeed Studio 的 TheThingsNetwork 室內網(wǎng)關(guān)和 Dragino LPS8 Helium 數據包轉發(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(kāi)源 Arduino 庫草圖的組合編寫(xiě)的。固件的主要組件是：

• 通過(guò) Helium 網(wǎng)絡(luò )每 5 到 30 秒發(fā)送一次天氣數據包。這里我使用了LMIC庫并實(shí)現了這個(gè)lora-serialization庫來(lái)做天氣包的編碼和解碼
• 帶有 WiFi.h 庫的自定義 HTML 網(wǎng)頁(yè)，用于輸入學(xué)生的 Telos 區塊鏈帳戶(hù)名稱(chēng)并驗證啟動(dòng)。網(wǎng)頁(yè)可通過(guò)智能手機中的 http://192.168.4.1 或啟動(dòng)時(shí)的二維碼訪(fǎng)問(wèn)。
• 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(jìn)行一些涼爽的天氣計算。當氣球上升時(shí)，固件通過(guò)在離散的壓力水平間隔上積分高度方程來(lái)連續計算實(shí)時(shí)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的引力常數。這是因為靠近赤道，西非的重力感覺(jué)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(guò) Helium 控制臺，我為每個(gè)地理位置創(chuàng )建了一個(gè)唯一的基于 OTAA 的設備名稱(chēng)（Deveui、Appeui、Appkey），并在每個(gè)位置的后續啟動(dòng)中重復使用相同的設備憑據。然后，我將 MQTT 集成添加到 Helium 控制臺并連接流。

圖 5. Helium 數據包解碼器與 MQTT 集成

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從那里，我正在運行一個(gè) Node-RED 實(shí)例，它偵聽(tīng) Helium 通過(guò) MQTT 發(fā)送的數據包。該流程根據端口號路由消息，最后使用我編寫(xiě)的自定義 Node-RED contrib 模塊將數據推送到 Telos 區塊鏈。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(kāi)源的。

圖 6. 處理天氣觀(guān)測和身份驗證檢查的 Node-RED 流程

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最后，智能合約負責處理天氣和發(fā)射認證數據。隨著(zhù)每次觀(guān)察到達區塊鏈，氣球每上升幾米，就會(huì )向學(xué)生發(fā)射器支付一筆小額小額費用。每次發(fā)布的數字貨幣總計約為 10 美元。所有天氣數據都存儲為 Telos 上的 RAM 資源，我們過(guò)去所有發(fā)布的天氣數據都可以在此處的區塊鏈上直接查看。

啟動(dòng)過(guò)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 區塊鏈賬戶(hù)名，以接收在發(fā)布期間發(fā)生的數字支付。當用戶(hù)按下“提交”時(shí)，一條 LoRaWAN 消息通過(guò) 868MHz 發(fā)送到附近的熱點(diǎn)，并且礦工的帳戶(hù)在 Telos 區塊鏈上進(jìn)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(gè) 3D 打印的鉸鏈夾在氣球的頸部，并通過(guò)夾子將主氣象設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，設備就會(huì )識別出氣球已經(jīng)發(fā)射并進(jìn)入“飛行”模式。每 5 秒，它會(huì )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，該地區的其他公共熱點(diǎn)也可能會(huì )在氣球上升時(shí)從氣球中拾取數據包，這使得解決方案更加穩健。

氣球將繼續上升約 90 分鐘，直到在約 35,000 英尺處爆裂。我們一起發(fā)現額外的氣體有助于將氣球保持在足夠長(cháng)的范圍內，以測量整個(gè)飛行長(cháng)度的數據。

當地生產(chǎn)的氫氣

在與學(xué)生進(jìn)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(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一種用當地生產(chǎn)的氫氣代替氦氣給氣球充氣的方法。過(guò)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(gè)小罐中。

我的發(fā)明需要 200W 太陽(yáng)能以最大 40 安培的電流為 5V PEM 供電，并在陽(yáng)光普照時(shí)產(chǎn)生氫氣。為了收集雨水，我們利用玻璃太陽(yáng)能電池板的光滑度，讓水通過(guò) PVC 管落入蓄水池。充滿(mǎn)后，雨水將通過(guò) 2 個(gè)無(wú)需外部泵的去離子水過(guò)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(shí)的陽(yáng)光足以讓 30 克的小型紅色氣象氣球進(jìn)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，當產(chǎn)生足夠的氫氣時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)會(huì )切換面板的電流以關(guān)閉 PEM 裝置。我們估計超過(guò) 70% 的地球表面平均接收到 16 fl。每天發(fā)射一個(gè)氣象氣球需要 oz 的降雨量。

結論

盡管幾乎完全靠自己的資金自籌，但我已經(jīng)幫助來(lái)自美國和非洲 5 個(gè)地點(diǎn)的學(xué)生完成了 25 次發(fā)布。通過(guò)提供所需的設備和設置指南，我幫助在以下大學(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)導了一些公開(kāi)的黑客馬拉松和活動(dòng)，我們發(fā)現了一種將數據用于機器學(xué)習的新方法。我們發(fā)現，我們可以使用現有的氣球數據制作一個(gè)相當準確的 ML 訓練的 12 小時(shí)降雨預報模型，尤其是與當前傳統政府運營(yíng)服務(wù)的糟糕表現相比。我們正在尋找任何潛在的資助機會(huì )，以便在杜阿拉大學(xué)進(jìn)行為期 9 個(gè)月的試點(diǎn)，以收集 ML 訓練數據集。

最終，在該地區擁有足夠大的數據集后，通過(guò)改進(jìn)東大西洋颶風(fēng)成因預測，可能有數百萬(wàn)（如果不是數十億）美元的長(cháng)期保險儲蓄。這些被稱(chēng)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(gè)維護良好的氣象站即可取代該地區當前的氣象氣球網(wǎng)絡(luò )。

本項目中使用的所有軟件和 CAD 都是開(kāi)源的。隨意使用組件來(lái)啟動(dòng)您自己的氣象氣球或改進(jìn)您自己的項目！

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