Electronics | 当地震来袭：智能家居可以提前给我们预警吗？

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(图片来源：Pexels)

地震，作为一种不可避免的自然灾害，常常会造成惨重的经济损失，并威胁到相关地区居民的生命安全。据现有的数据统计，世界各地每年共会发生约16次大地震，其中15次可能在7.0级，1次8.0级或以上。如果人们可以提前收到预警消息，则可以在很大程度上降低地震损失。在过去的十几年中，移动设备的出现，特别是智能手机和物联网 (The Internet of Things, IoT) 的兴起在硬件和软件方面都带来了巨大的变化和发展。物联网技术构建了强大的智能系统，可以分析和监测包括家居、建筑、交通系统、医疗保健、电网在内的多类实时系统。与此同时，智能手机或物联网地震预警系统的开发受到了广泛关注。

2019年底，来自韩国庆北大学 (Kyungpook National University) 的Young-Woo Kwon教授及其研究团队在Electronics期刊上发表了一篇名为“用于检测和响应地震的智能物联网设备”的文章，介绍了他们研发的一款带有微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS) 的加速传感器式地震探测器及其应用。该设备可以附着在建筑物的墙壁或天花板上，及时检测到地震引起的震动，并根据震动的强度发出适当的警告信息，从而使城市及居民可以有效应对并提前感知地震带来的突发状况。

与先前研究的地震预警系统不同的是，智能物联网设备使用的传感器抗噪效果好，灵敏度和精准度高, 可以及时感应到地震信号，Young-Woo Kwon教授团队研发的算法运用了机器学习技术来接收地震信号，并在实际生活中对该技术进行了检测。这种优化的机器学习算法可以运用最少的计算步骤和数据存储空间，从地震信号中提取数据特点，经传感器系统处理后，我们可以得到甄别出地震信号和非地震信号的神经网络，有效并精确监测到地震信号后传输给用户。在这项工作中, Young-Woo Kwon团队利用韩国最近发生的地震信号数据来评估不同传感器的性能，通过软硬件结合，开发出一个成本非常低的新系统。

//硬件组成

图1. 内部硬件系统 (左)，设备外壳 (右)。

• 加速传感器LIS3DHH：监测地震引起的振动

• 32位处理器 (ARM Cortex M3)：存储、处理数据、执行算法

• 警报装置 (Wi-Fi、蓝牙、蜂鸣器、LED灯等)：向附近的智能设备发送警报消息

//软件系统

采用机器学习技术的检测算法(Artificial Neural Network, ANN)

图2. 设备监测及响应系统示意图。

//客户端应用示例

Young-Woo Kwon教授团队开发的地震预警系统可以及时向附近开启蓝牙或Wi-Fi的智能手机、智能手表、人工智能扬声器等智能设备及智能家居发送预警消息。

图3. 智能设备预警示意图。

(智能手机和智能电视等用图像提示地震震动时如何避免掉落物伤害人体)

图4. 智能家具预警示意图。

(根据地震强度等级，连接电力，天然气和自来水等的智能家居设备会在收到预警消息后自动关闭)

//振动台实验

为了评估设备所用的低成本传感器的性能，并收集数据用于测试机器学习模型，实验使用位于釜山国立大学 (Pusan National University, PNU) 的振动台, 通过模拟两个真实地震案例 (2017年韩国5.4级的浦项地震和1940年美国6.9级的埃尔森特罗地震) 来进行实验，记录每个传感器上的加速度数据，并将记录的数据与原始输入数据进行比较以评估传感器，加速器及检测算法的性能，优化检测系统中用到的算法模型，加速传感器等。实验结果表明该系统以较低的虚假率检测到地震。因此，在地震频发的地区实施该系统是可行的。

图4. 振动台模拟测试的实验照片。

//未来的研究方向

1. 将用不同的地震数据集继续优化ANN模型
   

2. 提高算法模型的精确性，尝试其他一些机器学习模型
   

3. 扩大系统连接更多智能家具设备，开发一个更加精确的系统，在地震时能有效预警确保居民安全

Young-Woo Kwon教授团队将基于以上三个未来研究重点，进一步研发新一代的地震探测器，我们可以期待该地震预警系统能为未来研究提供夯实的基础，为后续的地震预警系统的更新及学者的研究做出前瞻性的帮助和支持。

Electronics (ISSN 2079-9292，IF：2.412)于2012年创刊，是一个涵盖电子科学与应用领域的开放获取期刊，致力于发表电子器件、微电子与计算机技术、光电子工程、通信工程、信号与信息处理、微波理论与技术、生物电子工程、能源电子及系统等领域的各类文章。Electronics采用单盲同行评审，一审平均周期13.4天，文章从接收到发表仅需3.4天。

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原文出自Electronics期刊

Lee, J.; Khan, I.; Choi, S.; Kwon, Y.-W. A Smart IoT Device for Detecting and Responding to Earthquakes. Electronics2019, 8, 1546.

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*文案作者：Riley Wang

*本文内容由MDPI中国办公室编辑负责翻译，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：

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