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科技向善:一顆感測器如何改善烏干達人民的生活品質?

本文作者:ADI       點擊: 2020-10-08 22:20
前言:

科技的應用產生了源源不斷的資料流動,對於多數人而言,這已然是互聯互通社會的常態。如今,口袋裡的「電腦」無處不在,各種接觸都能產生資料,一般人已經習慣了由0和1組成的資料被傳送至雲端。
 
但在世界上的某些地區,這樣的觀念尚未普及:仍有幾億人生活在資訊可有可無的環境中。也許他們並不覺得自己「與世隔絕」,因為處在資料存取受限的社區中,可能意識不到所謂的「智慧」技術能為生活帶來何種改變。更重要的是,他們可能不曾意識到,只要為共用的資源安裝一顆簡單的感測器,就能讓居住的社區產生翻天覆地的變化。
 
ADI對企業社會責任的承諾
ADI對於企業社會責任(Corporate Social Responsibility)的承諾不僅根植於公司的基因之中,同時還不斷向外延伸,透過激發員工的意願,發揮員工的經驗及專長,積極參與企劃永續方案並加以實踐。例如,2019企業責任報告《科技向善》(Engineering Good)就展現了公司已完成的使命及未來希望達成的願景。
 
 
ADI作為互聯社會公認的領軍企業,願意為一些已發現的問題提供創新有效的解決方案,繼續承擔更多的社會責任。近期,ADI與多方合作夥伴一起將「智慧水源」(Smart Water)專案引入烏干達農村社區。
 

ADI數位醫療事業部生物感測器技術總監Ray Speer表示,此類社會公益專案可帶來多重積極影響。Ray說道:「回想2013年,我當時剛好有些空餘時間,想透過某種方式帶來一些改變。我自願參與了一項前往非洲的任務,在那裡,我親眼見到可靠、可獲取潔淨水源對農村社區而言有多麼重要。每當引水進村時,村民都會大肆慶祝一番,但如果水井枯竭或者水泵出現故障,村民們就只能喝到有各種安全隱患的水。」
 
在非洲,取水向來是「女性的工作」。這通常表示婦女和年輕女孩不得不長途跋涉,在方形油桶裡接滿水,再運回家。在他們看來,取水比上學更重要(如果有學可上的話),所以女孩們經常無法接受教育。另外,獨自一人取水還伴隨著種種危險。換言之,如果非洲農村社區能鑿一口井,生活品質就會顯著提高。
 
發現問題,尋找解決方案
在東非,社區共用的手動泵抽水井已經非常普遍。愛爾蘭非政府組織Fields of Life曾挖過一些優質水井,井深為40米到100米,以確保與水層相交,低水位地區還需要挖得更深。這些水泵總體性能可靠,但在長時間連續使用後,不可避免地會出現元件磨損情況,而需要維護和保養。
 
一旦水井無法使用,當地社區就會立即回到尋水取水的傳統模式,並被迫承受隨之而來的各種危險。Ray注意到,在尋找必要的維修資源和議定付款期間,一口井幾個月都不能使用的情況並不少見。
 
他表示,智慧水源專案計畫為這些偏遠的水井安裝無線監控,實行合理的資源管理、水泵即時監控和定期維護,進而避免故障發生。同樣的問題在非洲各個農村不斷上演,如果能有可推廣的解決方案,將有助實現聯合國永續發展目標第6.1條:「到2030年以前,人人都可享有安全、可負擔的飲用水。」
 
Ray從非洲回來後,曾與上文提及的Fields of Life發展與募資部負責人Alex Gason進行交流。該組織已在東非開展了20多年的工作,Gason深知取水和水供應中斷問題長期困擾著當地人民的生活。
 
他們用一杯咖啡的時間探討了這些難題,也談起了智慧水源專案誕生的緣由。顯然,落實這一宏偉專案不僅需要協作,還需要更多的非洲實地考察。
 
協作與夥伴精神
Ray表示:「已故的時任技術長Peter Real曾堅定支持這一(智慧水源)想法,他呼籲要建立相互協作的夥伴關係。在公司內部取得支持後,下一步行動是找到合適的夥伴。」
 
2018年末,ADI在利默里克的歐洲研發中心主辦了一場資訊分享大會,當地學術界、工業界人士以及ADI員工均踴躍參與。
 
附近香農區的電子系統設計與生產公司CW Applied Technology的執行長John O’Connell率先表示將鼎力支持。知名的工程諮詢公司奧雅納(Arup)也對專案願景表示贊同,更重要的是,奧雅納為現場試驗安裝提供了水文學方面的專業知識和在非人員協助。
 
2019年初,ADI、萊特肯尼理工學院無線感測器與應用研究(WiSAR)實驗室(Ray是其董事會成員)、CW Applied Technology、愛爾蘭電信提供商VT、奧雅納以及烏干達庫米(Kumi)地方政府共同達成了創新合作夥伴關係。
 
所有利益相關方、用水戶、水井委員會、區域水資源辦公室和當地政府員工都參與到專案中,這一點尤為重要。
 
 
通常每400口鑽井中,區域水資源部門的預算僅能支援約15口井的維修費用,因此這些部門很快就體會到了智慧水源專案帶來的益處。而這很大程度上要歸功於Fields of Life和奧雅納在烏干達的工作人員,他們不辭辛勞地向社區代表解釋概念、安撫群眾恐懼心理並傾聽訴求。期間,Fields of Life提出一項要求:代表社區做出用水相關決定的井管理委員會中,女性委員佔比應高於男性。
 
Gason表示:「有段時間,Fields of Life想弄清楚烏干達鑽井的運轉情況,後來發現水井破損為社區帶來的打擊是致命的,我們想盡己所能避免這種情況發生。另外,透過智慧水源專案,我們得以讓捐款流向透明化,並讓捐款人士知道水井運轉良好。」
 
充分利用現有技術
從第一天起,Ray的願景就是找到一種重新運用現有技術的方式,以完成測量水流這個看似簡單的任務。
 
例如,手動泵依靠泵體中活塞的垂直運動將水抬升,該裝置內出現橫向移動是磨損的前兆,表示即將出現故障。有監控的水井或鑽井會產生與使用情況相關的資料,這些資料資訊有助於做出更好的資源管理和維修安排,有望令社區人員免受水泵故障帶來的痛苦。
 
問題很容易表述:統計水泵手柄的衝程次數,測算相應的出水量,監控手柄是否出現橫向運動,傳輸資料,確保工作零功耗,裝置小巧,價格在可承受的範圍內,最重要的是,能永遠使用下去。
 
ADI的MEMS加速度計(ADXL362)是理想選擇
這是一款超低功耗的加速度計,只有檢測到水泵動作時才會啟動微控制器。泵頭金屬外罩中的啟動裝置上安有一個小型客製化模組,加速度計就裝在模組中,隔絕所有潛在干擾。加速度計隨水泵工作而進行垂直運動,任何橫向移動都處於磨損情況監控之下。
 
Ray表示:「萊特肯尼理工學院的創新合作夥伴研究了不同的水流感測器,我們從中選用了一種簡潔的定時浮動裝置。我們考量了多種無線連接的方式,並將系統設計模組化,這樣就可根據基礎設施的完備情況選擇相應的無線數據機。」
 
他繼續補充:「最初,在烏干達進行實地試驗時,我們選擇使用Sigfox技術,這是一種廣泛使用的低功耗、低頻寬系統,非常適用於嚴苛的環境條件(或者說我們當時是這麼認為的!)。所有的設計決策都以堅固耐用、低功耗、免維修為主要指導原則。」
 
「我知道LyIT的發展團隊若想明確從哪裡著手,就需要先拿到一個手動泵,因此我與Fields of Life安排了兩個泵,發往愛爾蘭,類似的泵不久前才在這裡普及。首席研究員Martin Bradley和他的團隊由此可以充分理解該裝置的物理限制。」
 
接下來幾個月的時間裡,許多想法從無到有、經過評估,智慧水源的設計也隨之進行了一系列彈性修改。例如,庫米地區的水井使用者請求安裝防竊開關。
 
之所以納入這項簡單的設計,是為了防止一口好井的零件被偷走,用於維修另一處的壞井。明白了這一點後,團隊發現冰箱燈的開關非常適合用於防竊開關。
 
初步發展,未來可期
截止至撰稿日期,烏干達庫米區的東部區域已打好12口井,並安裝了具備智慧水源監控器的手動泵。
 
ADI使用MEMS XL加速度計和電源管理元件設計出解決方案,產生Fields of Life所需的資料,打造出的實地水泵原型得到了社區代表的一致好評。Ray強調:「ADI並非第一家嘗試用感測器為非洲次大陸解決問題的公司,但深入思考問題、與當地社區密切合作是非常必要的。」
 
Fields of Life的Gason表示:「人們對這些設想和這個系統已經有了初步的認識和瞭解,特別是無線電波和無線電資料傳輸的相關知識。當大家看到這個系統是多麼小巧精細且容易操作之後,接連發出讚歎。一個小小的設備就可以產生資料,我覺得人們要在腦海中接受這件事比較困難,但是,看到區域水資源單位員工出現在現場,在螢幕上點擊不同的村莊,查看資料產生,並對資料加以解釋……真是倍感自豪。」
 
重要的是,愛爾蘭的公司多方合作夥伴內部一直保持穩健的合作,而Ray最初的願景被認為是項目得以啟動的原因之一。
 
誠然,隨著項目繼續推進,仍有一些因素需要作出調整,但是為了讓物聯網走進農村社區,付出這些努力十分值得。這些設備不斷將有價值的資料傳輸給我們的合作夥伴,其中大量資訊集中在水流、高峰期和橫向移動方面。橫向移動的相關資料對於評估磨損尤為有用,當地水資源部門可採取省時省錢的預防性維護措施。
 
女性長期承擔的取水角色,如今可由相對簡單的技術代勞,也是一項重要福利。
 
正如我們強調的,ADI長期承擔企業社會責任,並致力於可持續創新。烏干達的智慧水源專案仍處於早期階段,但Ray相信此技術不僅會顯著改善目前的這些社區,還會深刻影響該區域的其他社區。
 
Ray說:「數十年來,ADI的MEMS感測器已經挽救了許多駕駛員的生命,如今看到這項技術又為偏遠農村社區帶來不會傳播疾病的潔淨水源,我為此倍感自豪。並且做大事離不開團隊合作,我們就是一個由ADI發起,政府、學術界、工業界和非政府組織都踴躍參與其中的傑出團隊。」
 
 
ADXL362主要特性:
 超低功耗,可採用紐扣電池供電
 高解析度:1 mg/LSB
 醫療植入式衍生選項
 內建系統級節能功能包括:
 運動啟動的可調閾值休眠/喚醒模式
 自主中斷處理,無需微控制器干預,系統其餘部分可以完全關斷
 深度嵌入式FIFO最大程度地減輕主機處理器負荷
 喚醒狀態輸出支援實現獨立的運動啟動開關
 雜訊低至175 µg/√Hz
 寬廣電源和I/O電壓範圍:1.6 V至3.5 V
 透過外部觸發器進行加速度採樣同步
 晶片內溫度感測器
 SPI數位介面
 可透過SPI命令選擇測量範圍
 小尺寸、薄型(3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm)封裝

 

 
 

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