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在物聯(lián)網(wǎng)中，無線傳感器被大量分布在空間中以監(jiān)控物理環(huán)境如溫度、濕度和空氣壓力等，并在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康護(hù)理監(jiān)測(cè)、智慧城市、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。無線傳感器可以采集、分析和傳輸其對(duì)環(huán)境的測(cè)量結(jié)果。
目前，在物聯(lián)網(wǎng)中使用的無線傳感器主要基于在許多情況下可能會(huì)遭受電磁干擾的電子設(shè)備。但光學(xué)傳感器不受電磁干擾影響，在惡劣環(huán)境中具有顯著優(yōu)勢(shì)。再者，通過引入光學(xué)諧振來增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，基于諧振器的光學(xué)傳感器具有極小的空間占用率、極高的敏感度和多樣化的功能等優(yōu)勢(shì)，這可以明顯地增強(qiáng)無線傳感器的性能和靈活性。
在這里，我們首次演示了基于回音壁模式(WGM)光學(xué)諧振器的無線光子傳感器節(jié)點(diǎn)，其中光通過連續(xù)的全內(nèi)反射沿著球體、圓盤或環(huán)形等結(jié)構(gòu)的圓形邊緣傳播。在演示中對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)通過定制的iOS應(yīng)用程序進(jìn)行控制，并在兩個(gè)實(shí)際場(chǎng)景中對(duì)其性能進(jìn)行了研究：(1)實(shí)時(shí)測(cè)量12小時(shí)以上的空氣溫度;(2)使用安裝在無人機(jī)上的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)溫度分布進(jìn)行航測(cè)。
我們的演示證明了WGM光學(xué)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的能力，并為物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署WGM傳感器鋪平了道路。
無線WGM傳感器的實(shí)驗(yàn)演示
高質(zhì)量WGM光學(xué)諧振器通過全內(nèi)反射將光限制在小體積內(nèi)，可以明顯增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，并使許多包括微激光器、光力學(xué)和非埃爾米特光學(xué)等在內(nèi)的應(yīng)用受益。
當(dāng)受環(huán)境變化影響時(shí)，WGM諧振器將經(jīng)歷其頻譜特性的變化，例如頻移/分裂和線寬拓展。基于這樣的機(jī)制，WGM諧振器已經(jīng)在各種傳感器中有所應(yīng)用，包括熱傳感器、濕度傳感器、磁力計(jì)、納米顆粒/生物分子檢測(cè)和原子離子檢測(cè)等。
這次成功的實(shí)驗(yàn)演示推動(dòng)了WGM傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用。然而，在這次演示中所選擇的系統(tǒng)必須解決兩個(gè)有議論性的挑戰(zhàn)，以充分實(shí)現(xiàn)諧振器技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的功效：(1)光子諧振器及其耦合器的穩(wěn)定性，例如光纖錐形波導(dǎo);(2)大型實(shí)驗(yàn)室測(cè)量系統(tǒng)的小型化。
最近在WGM諧振器領(lǐng)域內(nèi)的幾項(xiàng)開創(chuàng)性工作已經(jīng)得到論證，例如WGM光學(xué)陀螺儀和電話大小的WGM傳感系統(tǒng)。WGM傳感系統(tǒng)將單個(gè)WGM傳感器及其耦合器、激光器、光電探測(cè)器和相關(guān)控制組件集成到便攜式設(shè)備中。其中WGM傳感器的潛力可以通過集成無線接口作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一部分而進(jìn)一步提高。
在這次演示中，我們展示了一個(gè)可以集成到物聯(lián)網(wǎng)的無線WGM傳感器節(jié)點(diǎn)，并同時(shí)開發(fā)了一個(gè)定制的iOS應(yīng)用程序，用于遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制、采集和分析傳感信號(hào)。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的關(guān)鍵要素，應(yīng)該具有采集傳感信號(hào)、進(jìn)行信號(hào)分析，并與其他傳感器節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的能力;而通過這個(gè)定制的應(yīng)用程序，我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)控WGM傳感器的光譜特性。
無線WGM傳感系統(tǒng)的架構(gòu)
無線WGM傳感器節(jié)點(diǎn)的體系架構(gòu)如圖1所示 ，包括傳感模塊、微控制器、Wi-Fi單元及其電源。
圖1：無線WGM傳感系統(tǒng)
補(bǔ)充材料：利用可調(diào)諧單模分布式布拉格反射器(DBR)激光器的光來探測(cè)封裝的WGM傳感器。從傳感器耦合的光被發(fā)送到具有傳輸放大器(TIA)的光電探測(cè)器。ARM Cortex-M3處理器負(fù)責(zé)控制外圍設(shè)備，包括激光電流驅(qū)動(dòng)器(the laser current drive)、熱電冷卻器(TEC)控制器、監(jiān)控電路(monitoring circuit)和Wi-Fi。傳感系統(tǒng)由智能手機(jī)中的iOS應(yīng)用程序通過Wi-Fi單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。a表示該系統(tǒng)所有的電子元器件;b表示用于無線控制傳感系統(tǒng)的定制iOS應(yīng)用程序的屏幕截圖，該程序既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控系統(tǒng)參數(shù)如電流和溫度等，又可以實(shí)時(shí)獲取和分析封裝傳感器的透射光譜;c表示集成了所有電子元器件的主板照片，主板尺寸約為124 mm×67 mm。
在傳感模塊中，使用可調(diào)諧單模分布式布拉格反射器(DBR)激光器來探測(cè)封裝的WGM傳感器時(shí)，來自傳感器的輸出由光電二極管檢測(cè)器接收。DBR激光器的工作通過其電流驅(qū)動(dòng)器和熱電冷卻器(TEC)來控制。跨阻抗放大器(TIA)電路與光電二極管檢測(cè)器相關(guān)聯(lián)，并將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為具有適當(dāng)增益的電壓輸出。用作微控制器的ARM Cortex-M3處理器(出自瑞士的意法半導(dǎo)體)，具有兩個(gè)主要功能：一是對(duì)電壓、電流和溫度等的激光控制;二是獲取WGM傳感器的透射光譜。
傳感器節(jié)點(diǎn)和智能手機(jī)之間的通信是通過Wi-Fi進(jìn)行的，Wi-Fi有助于傳輸傳感信號(hào)并從定制的應(yīng)用程序中接收命令。通過將Wi-Fi連接到Internet，可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。我們還在主板(如圖1c中展示的主板全尺寸視圖)中嵌入了一個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控電路，用于監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)，如電源和微控制器的電壓以及激光二極管的電壓、電流和溫度。
該系統(tǒng)中使用的傳感器是封裝的WGM微型諧振器，它是用紫外光固化低折射率聚合物及其光纖錐形波導(dǎo)來封裝微環(huán)而制成的。這樣封裝的WGM傳感器具有高質(zhì)量因素和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
來自DBR激光器的中心波長(zhǎng)為976nm、線寬為10MHz的激光被送入封裝的WGM傳感器，然后由光電探測(cè)器接收。激光的頻率可以通過對(duì)激光電流和TEC溫度的調(diào)節(jié)而進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)諧系數(shù)分別為0.002nm / mA和0.07nm /℃。將具有40mA幅度的鋸齒波應(yīng)用到固定中心電流周圍的激光二極管上，對(duì)激光的頻率進(jìn)行線性掃描后，可以獲得WGM傳感器的透射光譜。
定制的iOS應(yīng)用程序的界面如圖1b所示。該應(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，并遠(yuǎn)程控制主板，如設(shè)置激光二極管電流和溫度、調(diào)諧激光頻率;它還可以每秒50幀的波形更新速率通過Wi-Fi來接收WGM傳感器的傳輸頻譜。
此外，通過綜合精確算法，應(yīng)用程序可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，例如測(cè)量諧振頻率、線寬和品質(zhì)因數(shù)。補(bǔ)充材料中提供了此iOS應(yīng)用程序的詳細(xì)信息以及分步指南。
無線傳感系統(tǒng)的特征
我們首先使用應(yīng)用程序顯現(xiàn)了封裝的WGM傳感器的光譜特性，傳輸頻譜如圖2a所示，頻率跨度為450 GHz，從而可以觀察到具有不同共振頻率、品質(zhì)因數(shù)和極化的多個(gè)共振模式。具有更高品質(zhì)因數(shù)的諧振模式將有助于解決更小的頻率漂移，從而提高傳感性能。圖2b給出了高質(zhì)量模式和洛倫茲擬合的透射光譜，品質(zhì)因數(shù)為~4.2×1。為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，記錄共振模式線寬的時(shí)間軌跡為15分鐘，觀察到3.15GHz的平均線寬，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03GHz(圖2c)。
圖2：無線傳感系統(tǒng)的特征
傳輸頻譜：Transmission spectrum;頻率失諧：Frequency detuning
補(bǔ)充材料：
a頻率跨度為450 GHz的封裝WGM傳感器的傳輸頻譜，可以在傳感應(yīng)用中獲得具有不同線寬和極化的多個(gè)諧振模式。
b具有洛倫茲擬合的諧振模式(在a中用虛線框標(biāo)記)的透射光譜，品質(zhì)因數(shù)為無線傳感器系統(tǒng)諧振模式線寬的～4.2×1μc。
c無線傳感系統(tǒng)中諧振模式線寬的時(shí)間軌跡。
基于無線傳感系統(tǒng)的氣溫測(cè)量
采用上述無線傳感系統(tǒng)，我們于2017年6月18日在美國(guó)密蘇里州圣路易斯進(jìn)行了12小時(shí)的氣溫實(shí)時(shí)測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)安裝在建筑物的外墻上，封裝的WGM傳感器與周圍空氣完全接觸，并受到陽光直接照射而不受保護(hù)。
為了避免測(cè)量過程中的偏振變化，我們將封裝的傳感器與主板連接的光纖謹(jǐn)慎地安裝好。然后通過定制的應(yīng)用程序監(jiān)測(cè)由氣溫變化引起的共振頻率的變化。為了比較，我們還將商用溫度計(jì)與封裝傳感器一起安裝。
通過12小時(shí)的測(cè)量，我們獲得了所選諧振模式的頻移圖(如圖3所示) ，封裝WGM傳感器的共振頻率偏移與商用溫度計(jì)的結(jié)果匹配良好，并且與溫度變化具有線性關(guān)系(圖 3插圖)。兩條曲線的小偏差主要來自激光頻率的不穩(wěn)定性，通過優(yōu)化激光電流驅(qū)動(dòng)器和TEC控制器的電路設(shè)計(jì)可以將偏差最小化。
圖3：空氣溫度測(cè)量
WGM頻移：WGM frequency shift
補(bǔ)充材料：2017年6月18日，美國(guó)密蘇里州圣路易斯市將無線傳感系統(tǒng)部署在室外，監(jiān)測(cè)氣溫從上午8:30到晚上8:30的變化。紅色圓圈表示所選諧振模式相對(duì)于時(shí)間的頻移，藍(lán)色方塊表示商用溫度計(jì)對(duì)溫度變化的測(cè)量。插圖顯示了共振頻率偏移對(duì)溫度變化的線性關(guān)系，其中藍(lán)色方塊表示實(shí)驗(yàn)測(cè)量，黑色虛線表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性擬合。
基于無線傳感系統(tǒng)的航空測(cè)繪
將移動(dòng)性引入無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和靈活性，并有助于滿足某些復(fù)雜動(dòng)態(tài)變化場(chǎng)景的需要。
在這里，我們使用無人機(jī)攜帶整個(gè)系統(tǒng)來測(cè)量2017年5月14日圣路易斯城市公園選定區(qū)域的溫度分布(見圖 4a)，還安裝了帶藍(lán)牙連接的商用溫度計(jì)和封裝的WGM傳感器來進(jìn)行比較。無人機(jī)的飛行路徑如圖4b所示 ，其起始位置和結(jié)束位置已被標(biāo)記。
當(dāng)無人機(jī)從一個(gè)測(cè)量位置飛到另一個(gè)測(cè)量位置時(shí)，WGM傳感器的共振頻率由于溫度變化而發(fā)生變化，共振頻率的變化如圖4b所示 ，其中可以清楚地看到溫度變化的梯度，測(cè)量結(jié)果與商用溫度計(jì)的結(jié)果匹配良好(圖 4c)。在補(bǔ)充材料中我們提供了視頻演示，其中攜帶整個(gè)系統(tǒng)的無人機(jī)從具有較高溫度(在陽光下)的一個(gè)位置飛行到具有較低溫度(在陰影中)的另一個(gè)位置，使用定制的移動(dòng)應(yīng)用程序可以清楚地觀察到共振頻率的偏移。
圖4：溫度分布的航空測(cè)繪
補(bǔ)充材料：
在圣路易斯一個(gè)城市公園里，一架無人機(jī)攜帶無線傳感系統(tǒng)來測(cè)量一個(gè)選定區(qū)域的溫度分布。帶有藍(lán)牙連接的商業(yè)溫度計(jì)與封裝傳感器一起安裝進(jìn)行比較。a表示無人機(jī)的照片，帶有無線傳感系統(tǒng)(用紅色虛線橢圓標(biāo)記);b表示當(dāng)無人機(jī)在選定的環(huán)路中飛行時(shí)所選擇的共振模式的頻移，已標(biāo)記開始和結(jié)束位置，起始位置的共振頻率設(shè)定為零，顏色條表示頻移量。c表示將測(cè)量的頻率偏移與商用溫度計(jì)的結(jié)果進(jìn)行比較，增加的數(shù)字表示當(dāng)無人機(jī)從起始位置飛到結(jié)束位置時(shí)的測(cè)量位置。
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