引子

　　“咱們的PAM終于開發(fā)出來啦！”姜小凡興奮地在他的中關(guān)村辦公室里與每位團(tuán)隊成員擊掌慶賀著。

　　PAM是什么？姜小凡又是何許人？

　　這一切得從中國的大氣污染說起。

　　為監(jiān)測愈發(fā)嚴(yán)重的空氣污染，中國政府一直執(zhí)行基于PM10指數(shù)的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但是直到美國駐華大使駱家輝來京上任，中國公眾才知道還有更可怕的PM2.5。

　　與水污染，人們可以選擇喝凈化水或特供水不同，PM2.5這種懸浮微粒無孔不入。因此PM2.5馬上在人們心中引起了巨大恐慌，各公共場所都能見到不少捂著大口罩的人們，尤其是白領(lǐng)和機(jī)關(guān)聚集地。隨后一場全國性的關(guān)于PM2.5監(jiān)測的熱議，促使政府在每日的空氣質(zhì)量播報中增加了PM2.5一項。

　　北京也在全市設(shè)立了20多個監(jiān)測點，并購置了每套50萬元左右的空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備。

　　已有智能手機(jī)的人們也開始利用APP，從空氣質(zhì)量監(jiān)測站公布的數(shù)據(jù)，獲得有關(guān)PM2.5、PM10和空氣質(zhì)量指數(shù)的信息。然而，由于20個點的監(jiān)測密度太小，這些數(shù)據(jù)只能代表北京的總體空氣質(zhì)量，并不能告訴人們周圍PM2.5的具體情況，而這恰恰是每個人最關(guān)心的，也是最有價值的。

　　對于能夠反映人們周圍PM2.5情況的個人空氣質(zhì)量監(jiān)測儀，雖然市場上也能買到，但基本上都是從美國進(jìn)口的，價格對普通工薪族來說太貴了。例如，買一臺 DustTrak II差不多得花5000美元，大約相當(dāng)于普通美國人一個月的稅前工資。便宜點的Dylos（見圖1）也要500美元（約3000元人民幣），相當(dāng)于普通中國人一個月的工資。

　　PM2.5爆表觸發(fā)設(shè)計靈感

　　2013年元旦過后不久的一天，包括北京在內(nèi)的多地連續(xù)出現(xiàn)了嚴(yán)重霧霾天氣。剛回國2年的中國英特爾物聯(lián)技術(shù)研究院（簡稱物聯(lián)院）首席架構(gòu)師姜小凡博士（見圖2），盡管之前對國內(nèi)空氣污染嚴(yán)重早有耳聞，來中國工作后也被迫逐步習(xí)慣了，但是PM2.5爆表的事實還是讓他大為驚詫，并更加憂慮這種污染環(huán)境對公眾健康的影響。

　　圖1 美國進(jìn)口的個人空氣質(zhì)量監(jiān)測儀Dylos

　　圖2 中國英特爾物聯(lián)技術(shù)研究院首席架構(gòu)師姜小凡博士

　　姜小凡在美國已生活了近20年，雖然冬季有些內(nèi)陸地區(qū)有時也會出現(xiàn)灰色天氣，但PM2.5數(shù)值很少有超過50的情況。偶爾有好朋友說，底特律的PM2.5達(dá)到60了，他和其他朋友都會驚呼：“真的嗎？Oh my God！要注意身體呀，盡量別外出啦。”

　　這時姜小凡在北京的家里，心里感到非常糾結(jié)：“今天是周末，已經(jīng)跟同事們說好了要加班的。是開車上班還是不開車呢？”猶豫再三，還是覺得開車能少吸一些 PM2.5。當(dāng)坐在車?yán)飼r，又想知道車內(nèi)的空氣質(zhì)量是什么樣。到了位于中關(guān)村的辦公室后還在想：“外面空氣質(zhì)量這么差還是別開窗通風(fēng)了。可是，屋里的空氣質(zhì)量到底糟糕到了什么程度？”在隨手打開空氣凈化器，過了一會兒之后，他又忍不住想知道凈化的效果如何？

　　這一系列的糾結(jié)使坐在辦公桌前的姜小凡突然萌生了一個念頭，何不自己開發(fā)一款個人空氣質(zhì)量監(jiān)測儀呢？

　　英特爾中國研究院有個很寬松的研究氛圍，每位研究員可以隨時做他喜歡的研究項目，而不用先向院領(lǐng)導(dǎo)匯報。等研究一段時間，有了眉目，需要申請大量研究經(jīng)費時，可再向院里打立項報告。

　　心動不如行動，說做就做。

　　考慮到目前市場上已有的空氣質(zhì)量監(jiān)測器價格昂貴，不適合大范圍推廣，且代表性極其有限。于是，他先花了幾天時間，初步架構(gòu)了開發(fā)平臺：利用低成本分布式灰塵傳感器獲取海量、粗糙的小數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)送至云端。在云端大數(shù)據(jù)模型的幫助下，通過云處理技術(shù)將這些眾包集映射成為有代表性的空氣質(zhì)量信息。

　　然后，他從院里物色了幾位在傳感器和云處理方面的設(shè)計師，成立了專門研究團(tuán)隊。動手能力很強(qiáng)的賈冀是姜小凡在美國卡內(nèi)基梅隆的朋友引薦的，負(fù)責(zé)PAM硬件和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計；曾在微軟亞洲研究院實習(xí)過的程云，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的開發(fā)；張濟(jì)顯、李修成和彭倩分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)挖掘和模型及用戶行為判斷的開發(fā)；物聯(lián)院共同發(fā)起組織之一的中科院自動化所的副研究員劉禹，負(fù)責(zé)利用所收集的數(shù)據(jù)尋找污染源，并保持與政府部門的溝通。

　　核心揭秘

　　經(jīng)過半年的研究，姜小凡領(lǐng)導(dǎo)的這個團(tuán)隊已初步開發(fā)出一種希望不超過200元人民幣的便攜式個人空氣質(zhì)量監(jiān)測儀（Pervasive Air-Quality Monitoring，PAM），如圖3所示。并計劃將來布置在北京城區(qū)和郊區(qū)的2000個監(jiān)測點，以便讓用戶隨時隨地了解身邊的空氣質(zhì)量情況。

　　圖3 姜小凡領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊正在開發(fā)的一種物美價廉的便攜式個人空氣質(zhì)量監(jiān)測儀（Pervasive Air-Quality Monitoring，PAM）

　　終端方面，在PAM兩側(cè)的風(fēng)道處布置了2個較便宜的PPD42N灰塵傳感器，以得到原始的粒子數(shù)量的數(shù)據(jù)，再用2個Arduino控制器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行本地過濾（見圖4A）。

　　圖4 數(shù)據(jù)本地過濾（A）、與環(huán)境相關(guān)的校正曲線（B）、用基準(zhǔn)曲線重估的空氣質(zhì)量指數(shù)（C）

　　PAM自帶一個網(wǎng)頁服務(wù)器，用戶在電腦上輸入PAM的IP地址后，可以在本地實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁服務(wù)器還會每隔一分鐘通過以太網(wǎng)口把本地測量的數(shù)據(jù)推送到云端，后臺云端會不斷地收集所有2000個PAM實時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行過濾。盡管這些數(shù)據(jù)不是很精確，但通過參考這些PAM所在位置的溫度、濕度、大氣壓力和高度等信息，及研究小組開發(fā)的算法，可以建立空氣質(zhì)量的多維統(tǒng)計模型。目前初級階段的模型只是個二維地圖。

　　此外，在北京還用100多個Dylos設(shè)備，設(shè)置了一些測量相對更可靠的點。統(tǒng)計模型對于這些相對更可靠測量點的數(shù)據(jù)給予較高的置信度，對于PAM測量的不太精確的數(shù)據(jù)給予較低的置信度。上面所有的測試點有室內(nèi)或室外之分，可由智能手機(jī)中的接近式傳感器區(qū)分出來（見圖5）。室外的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行簡單加權(quán)平均，而室內(nèi)的分析方法有些復(fù)雜。綜合所有這些精確和不精確的數(shù)據(jù)信息，可分別畫出室內(nèi)或室外與環(huán)境相關(guān)的顆粒分布校正曲線（見圖4B）。
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　　圖5 用戶在室內(nèi)外的行為識別（理論基于微軟研究院的兩篇論文）

　　服務(wù)器會把相鄰位置的PAM作為一個群進(jìn)行分析、校正，所選定的基準(zhǔn)曲線用來重估PM2.5、PM10和空氣質(zhì)量指數(shù)（見圖4C），這些最終數(shù)據(jù)通過內(nèi)部服務(wù)器回傳給用戶的PAM或MiniPAM。此外，用戶也可以用裝有專門應(yīng)用程序的智能手機(jī)或平板電腦通過3G網(wǎng)絡(luò)與云端連接，并通過低功耗藍(lán)牙，將 MiniPAM數(shù)據(jù)顯示在智能手機(jī)或平板電腦的屏幕上（見圖6）。這個就是用戶身邊比較準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)了。

　　圖6 通過低功耗藍(lán)牙，將MiniPAM數(shù)據(jù)顯示在智能手機(jī)或平板電腦的屏幕上

　　MiniPAM與PAM的一個主要區(qū)別是，PAM有2個灰塵傳感器，而MiniPAM只有1個。MiniPAM與手機(jī)處于連接狀態(tài)時，紅色指示燈每5秒閃一次。粒子通過時，傳感器會有一個電壓脈沖。這時顯示兩個數(shù)據(jù)，一個是直徑在1.0μm以上的粒子數(shù)，另一個是直徑在2.5μm以上的粒子數(shù)。對于 1.0μm以上或2.5μm以上的粒子，脈沖幅度不同，以此就可判斷出相應(yīng)的粒子數(shù)。用前一個數(shù)值減去后一個數(shù)值，就是直徑介于1.0μm和2.5μm之間的粒子數(shù)。

　　由于中國政府規(guī)定，未經(jīng)國家認(rèn)證，任何機(jī)構(gòu)不能向個人用戶提供詳細(xì)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。考慮到要遵守政府法規(guī)，所以，PAM給出的最終空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)不是以精確數(shù)值的形式出現(xiàn)，而是劃分成好、較好、差、較差、最差等1~10個檔，以這樣的方式提供給用戶。

　　與師父的理念異曲同工

　　由于空氣質(zhì)量統(tǒng)計模型需要海量數(shù)據(jù)支撐，為了得到這些數(shù)據(jù)，目前中國英特爾物聯(lián)技術(shù)研究院正與北京市空氣質(zhì)量監(jiān)測中心協(xié)商，看能否把PAM安裝在電線桿上。因為電線桿上面有網(wǎng)線，這樣，就可在北京的道路上布置成全球最密集的空氣質(zhì)量監(jiān)測點。

　　其實，大家熟知的谷歌地圖就是用大量廉價設(shè)備的測量數(shù)據(jù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，這比用幾臺高端設(shè)備得到少量精確數(shù)據(jù)，更全面、更有代表性。谷歌的這個理念其實是基于姜小凡的導(dǎo)師David Culler帶領(lǐng)發(fā)明的Network of Workstations理論。現(xiàn)在微軟、雅虎、谷歌等大部分網(wǎng)絡(luò)公司都是受了Network of Workstation的影響，用很多聯(lián)網(wǎng)的中小型計算機(jī)，而非幾臺超級計算機(jī)。

　　姜小凡團(tuán)隊開發(fā)的監(jiān)測數(shù)據(jù)表達(dá)與傳輸層是基于他在美國加州大學(xué)伯克利分校博士畢業(yè)設(shè)計中的sMAP協(xié)議。看來，姜小凡把導(dǎo)師的理念用在了空氣質(zhì)量監(jiān)測上，兩者有著異曲同工之妙。

　　由于電線桿比人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钏幍牡孛嫖恢酶吆芏啵圆簧偃丝赡軙ΡO(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生質(zhì)疑。姜小凡解釋說，人們的這種擔(dān)心不無道理，不過，現(xiàn)在僅是初始研究階段，空氣質(zhì)量統(tǒng)計模型是二維地圖，由于也考慮到了溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)的走向和高度等信息，因此，今后在測量數(shù)據(jù)積累多了以后，會開發(fā)出更加復(fù)雜的多維分布曲線模型。算法會根據(jù)電線桿高度的測量數(shù)據(jù)，計算出人的高度環(huán)境下的精確的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

　　吸引了北京黑客馬拉松

　　姜小凡希望自己團(tuán)隊研究的上面這種城市大氣環(huán)境監(jiān)測及預(yù)報管理系統(tǒng)不僅可用標(biāo)準(zhǔn)的接口提供空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)源，還可為生態(tài)系統(tǒng)提供更加包容型的數(shù)據(jù)接口，例如PAM云接口。為此，他和團(tuán)隊的幾位研究人員三天三夜沒睡覺，開發(fā)出了PAM云接口。

　　與美國谷歌等企業(yè)都有黑客馬拉松（Hackathon）相似，北京也有這種頭腦風(fēng)暴式的黑客馬拉松活動群體，包括計算機(jī)專業(yè)或非專業(yè)人士、設(shè)計業(yè)人士，還有像中央美院這樣的藝術(shù)界及其他各界人士。他們在48小時或類似短的時間內(nèi)，不睡覺，提出并實現(xiàn)自己的創(chuàng)意。

　　現(xiàn)在，這些黑客馬拉松群體中的很多人想用空氣質(zhì)量做一些非常有趣的事情，因此需要相關(guān)的數(shù)據(jù)源。

　　6月底的一個周末，“北京創(chuàng)客空間”和“交互北京”組織了包括軟硬件產(chǎn)品設(shè)計師、交互設(shè)計師和服裝設(shè)計師在內(nèi)的100多位黑客馬拉松人士，聚集在姜小凡的實驗室，進(jìn)行了“Hack for Air”主題創(chuàng)新活動。

　　其中一項成果是，利用PAM云接口連夜開發(fā)出一個“空氣表情”的應(yīng)用程序。任何人可以自己猜測空氣質(zhì)量，在手機(jī)界面上相應(yīng)數(shù)值處劃一下，然后按鍵提交。這時手機(jī)上會出現(xiàn)2個界面，一個是程序開發(fā)人員從云端引用的本地實時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，另一個是參與這個游戲活動的人們猜的平均值。兩者進(jìn)行比較，就可顯示出人們的猜測與實際空氣質(zhì)量指數(shù)是否一致，一致時就顯示笑臉，不一致時就是哭臉，誤差越大，哭臉越難看。

　　姜小凡對這次黑客馬拉松創(chuàng)意活動很滿意，他笑稱：“經(jīng)常玩這個程序的人，今后自己就可以較準(zhǔn)確地估計出周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量了。”

　　從伯克利到北京

　　1995年，姜小凡13歲時，去了美國念初、高中。2001年進(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校電子工程系，之后的10年，一直師從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之父、 TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)明人、現(xiàn)在已任電子工程與計算機(jī)系主任的David Culler教授，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，在能源很低狀態(tài)下數(shù)據(jù)包的傳輸。博士畢業(yè)設(shè)計研究的是智能樓宇中每個節(jié)點的實時耗電情況。現(xiàn)在，伯克利勞倫斯實驗室的一座樓就用了他的這項研究成果。

　　2010年，博士畢業(yè)前夕的一次學(xué)術(shù)會議期間，姜小凡偶遇了微軟亞洲研究院常務(wù)副院長趙峰。經(jīng)過一番深入交談，趙對小凡的研究很感興趣，微軟亞洲院也正需要這方面的研究人才。

　　于是趙問他：“哎，小凡，你愿不愿意來中國闖一闖呀？”

　　已入美籍的姜也正在考慮是否回到自己的母國和故鄉(xiāng)，尋找讓他一展才華的機(jī)會。所以當(dāng)即回答道：“好呀，當(dāng)然愿意了。”此前，他有一些同學(xué)已經(jīng)回到中國大展拳腳了。

　　不久，姜小凡來到北京的微軟亞洲研究院，開始領(lǐng)導(dǎo)一個基于磁場的室內(nèi)定位研究項目，也就是基于位置的服務(wù)，主要是把物理世界的東西與虛擬世界的連接在一起。

　　他回憶說，這項研究有很多實際應(yīng)用，其中一個有趣的應(yīng)用是“地鐵愛情故事”。

　　小伙兒和姑娘平時可以把自己的擇偶標(biāo)準(zhǔn)和條件分別存儲在各自的智能手機(jī)里。當(dāng)倆人在地鐵上偶遇時，小伙兒正在玩游戲，這時手機(jī)系統(tǒng)會自動進(jìn)行匹配，為這對年輕男女創(chuàng)造一見鐘情的機(jī)會，提示小伙兒：“有位你喜歡的女孩進(jìn)入了車廂。”這時，男孩可以點擊進(jìn)入相應(yīng)頁面，與這位女孩互動。男孩在手機(jī)上邀請女孩說： “你好，我們一起玩?zhèn)€數(shù)獨（SUDOKU）游戲好嗎？”女孩滿臉羞澀地同意了。于是一場浪漫的地鐵愛情故事就此開始，世界上又多了一對兒幸福的情侶……

　　被挖英特爾

　　2012年8月，姜小凡在參加中國計算機(jī)學(xué)會（CCF）主辦的一次學(xué)術(shù)會議時，一位朋友把他介紹給了英特爾中國研究院方之熙院長，倆人一見如故，交談甚歡。這樣，姜又被求賢若渴的方之熙挖到了中國英特爾物聯(lián)技術(shù)研究院。此時距研究院公開掛牌還不到4個月。姜小凡的另一個身份是英特爾中國研究院的高級主任研究員。

　　在目前的城市大氣環(huán)境監(jiān)測及預(yù)報管理系統(tǒng)，即PAM系統(tǒng)開發(fā)的同時，姜小凡還在進(jìn)行著另一個項目的研究，為中關(guān)村某大型電子商城“全場正品”的理念，開發(fā)一種“智能零售系統(tǒng)（Smart Retail）”。具體是，在該商城購買手機(jī)時，智能零售系統(tǒng)能夠幫助消費者驗機(jī)，識別手機(jī)的真假。

　　姜小凡說，其實還有更重大的意義。工商部門利用這項研究成果，可以更加有力地打擊假冒偽劣產(chǎn)品，今后消費者就能放心地購物了。

　　最終目標(biāo)是腕表式PAM

　　書歸正傳，繼續(xù)回到空氣質(zhì)量監(jiān)測的話題。

　　現(xiàn)在處于研究第一階段的PAM系統(tǒng)還比較簡單，后臺算法和PAM云接口有待進(jìn)一步完善。PAM硬件方面，研究團(tuán)隊正對其中的灰塵傳感器進(jìn)行改造，準(zhǔn)備用其他材料替代現(xiàn)有的光感（見圖7）。

　　圖7 研究團(tuán)隊正對其中的灰塵傳感器進(jìn)行改造，準(zhǔn)備用其他材料替代現(xiàn)有的光感。

　　姜小凡也希望北京市環(huán)保監(jiān)測點今后能利用PAM云端數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)行范圍更廣、更精準(zhǔn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測。據(jù)說，再過一個多月，云端計算的統(tǒng)計模型基本就會初步成型了。并有望在2013年底，實現(xiàn)硬件的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

　　可能會有不少人存在這樣的顧慮，這項研究轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品后，會有很大的市場嗎？就像每天吃的食品一樣，現(xiàn)在市面上的不安全或有毒食品多的數(shù)不勝數(shù)，消費者整天拿著檢測器檢測食品有多么不安全，會背上沉重的精神包袱。與其買空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，還不如買防PM2.5的合格口罩或空氣凈化器呢。

　　圖 8 研究團(tuán)隊最終的目標(biāo)是腕表式PAM 姜小凡認(rèn)為，上面的想法太消極。雖然物聯(lián)技術(shù)研究院只進(jìn)行基礎(chǔ)研究，并不負(fù)責(zé)今后的產(chǎn)品市場。不過，隨著人們環(huán)保意識和健康意識的增強(qiáng)，一旦PAM上市，人們就可以隨時隨地用便攜式的PAM監(jiān)測身邊的空氣質(zhì)量，并采取一定的自我保護(hù)措施。“現(xiàn)在自己家里就用了一個空氣質(zhì)量監(jiān)測器，空氣凈化器也會根據(jù)室內(nèi) PM2.5數(shù)值隨時處于待命狀態(tài)，至少保證讓自己身邊的小環(huán)境是安全的。”

　　姜小凡透露：“目前，PAM還沒有正式的中文名稱，希望大家多多舉薦。另外，最終研究目標(biāo)是開發(fā)出像腕表一樣人人可佩帶的PAM（見圖8）。生產(chǎn)廠家應(yīng)該可以把價格控制在百多元人民幣范圍內(nèi)。”
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