CN105518423A - 用于洪泛状况的拉格朗日监测的系统和方法 - Google Patents

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CN105518423A CN201480035804.3A CN201480035804A CN105518423A CN 105518423 A CN105518423 A CN 105518423A CN 201480035804 A CN201480035804 A CN 201480035804A CN 105518423 A CN105518423 A CN 105518423A
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Abstract

一种用于在保持隐私的同时绘制交通速率和密度的地图的交通监测系统和方法。系统可以包括组成网络的固定站以及与交通工具相关联的移动探测器。该系统和方法不聚集、存储或者传送任何唯一的或标识的信息，并且因而保持了交通的成员的隐私。该系统和方法提供了实时交通密度和速率绘图。该系统和方法可以进一步与补充的洪水监测系统和方法相结合。

Description

用于洪泛状况的拉格朗日监测的系统和方法
优先权要求
本申请要求2013年5月20日提交的美国临时专利申请号61/825,410的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本发明涉及用于洪水状况(floodconditions)监测的系统和方法。
背景技术
可以使用洪泛(flooding)模型来预测和管理快速改变的紧急情形。不幸的是，极端天气状况往往伴随洪泛事件，使得难以可靠地使用传统的航空和其它可视方法。
发明内容
提供了一种用于监测洪泛的系统和方法。提供了一种用于在系统内使用的拉格朗日(漂移)探测器。
在一个方面中，拉格朗日探测器(Lagrangianprobe)可以包括用于生成信号的发射机芯片、用于传送信号的天线、具有唯一标识的存储器，以及集成了发射机芯片、天线和存储器的用于控制拉格朗日探测器的功能的控制器电路。在某些实施例中，拉格朗日探测器可以由所接收的信号供电。在一些实施例中，拉格朗日探测器可以包括电力储存(powerstore)，并且其中发射机芯片可以处于多层包装材料的腔体(cavity)中。
在一些实施例中，拉格朗日探测器可以被存放在多层包装材料中。材料可以是液晶聚合物或涂敷有胶的纸。发射机芯片可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。液晶聚合物可以对拉格朗日探测器提供密闭密封(hermeticsealing)和/或可以提供防水或耐水性。天线可以是接近各向同性的天线。拉格朗日探测器的组件可以基本上由有机或生物可降解材料构成。拉格朗日探测器可以基本上是球体的或多面体的或者是部分球体的或多面体的。拉格朗日探测器可以合并球体和/或多面体组件。拉格朗日探测器可以被配置为漂浮在水中。
在另一个方面中，一种洪水传感器网络可以包括遍及地理区域分布的多个洪水传感器和一个或多个拉格朗日探测器。在某些实施例中，洪水传感器网络可以被配置为自主地释放一个或多个拉格朗日探测器。
在一些实施例中，洪水传感器可以被配置为检测洪泛状况并且在检测到先决条件(prerequisite)的洪泛状况时自主地释放一个或多个拉格朗日探测器。在一些实施例中，洪水传感器可以进一步检测到来自拉格朗日探测器的无线信号。可以在系统级封装(system-on-package)平台中实施拉格朗日探测器。系统级封装平台可以包括：用于生成信号的发射机芯片、用于传送信号的天线、具有唯一标识的存储器，以及集成了发射机芯片、天线和存储器的用于控制拉格朗日探测器的功能的控制器电路。
在一些实施例中，洪水传感器基于所检测的无线信号来跟踪拉格朗日探测器。可以基于三边测量(trilateration)、所接收的信号强度的测量和/或板载(onboard)跟踪系统来跟踪拉格朗日探测器。在一些实施例中，可以使用无人飞行器(unmannedairvehicles)或UAV。UAV可以包括用于跟踪拉格朗日探测器的组件和/或用于与一个或多个站和/或其它无人飞行器进行通信的组件。UAV可以存储用于部署的拉格朗日探测器。
在另一个方面中，一种监测洪泛的方法可以包括：利用传感器网络检测洪泛状况；在检测到先决条件的洪泛状况时，自主地释放一个或多个拉格朗日探测器；以及基于跟踪拉格朗日探测器来测量洪泛状况。在一些实施例中，可以由传感器网络通过三边测量来实现跟踪拉格朗日探测器。可以通过测量从一个或多个拉格朗日探测器所接收的信号强度来实现跟踪拉格朗日探测器。拉格朗日探测器可以包括板载跟踪设备，并且可以从拉格朗日探测器向传感器网络传送跟踪数据。可以通过三边测量、测量所接收的信号强度以及从拉格朗日探测器板载系统接收跟踪数据的组合来实现跟踪拉格朗日探测器。传感器网络可以被配置为对洪泛状况的演变(evolution)进行建模。传感器网络可以是现有的固定网络，并且拉格朗日探测器的跟踪可以增强固定网络的其它洪水监测功能。可以从一个或多个固定传感器站和/或从一个或多个UAV释放拉格朗日探测器。UAV可以跟踪拉格朗日探测器和/或与基站进行通信。基站可以是基于地面台或者基站可以是例如布置在轮式交通工具或飞机中的移动站。
附图说明
参考作为本发明的某些实施例的非限制性例子而提及的多个附图，随后在具体实施方式中进一步描述本发明，其中在附图的若干视图中相同数字表示相同元素，并且其中：
图1示出了洪水监测系统的示例性表示。
图2是用于洪水监测的固定网络系统的示例性表示。
图3是合并无人飞行器的洪水监测系统的示例性表示。
图4示出了用于监测洪泛的方法的示例性表示。
图5示出了拉格朗日探测器的表示。
图6示出了拉格朗日探测器的表示。
图7是释放探测器的决策的流程图。
图8是拉格朗日探测器的实施例的示意图。
图9是拉格朗日探测器的实施例的示意图。
图10是探测器的内部的组件的图片。
图11是示例性制造的探测器的图片。
具体实施方式
下面描述根据优选实施例的系统和方法的详细说明。
除了别的以外，系统和方法的实施例还可以被体现为方法、装置、系统或计算机程序产品。因此，实施例可以采用硬件实施例、软件实施例或结合软件和硬件的实施例的形式。例如，部分地，系统和方法可以采用包括在一个或多个计算机可读介质上体现的计算机可用指令的计算机程序产品的形式。诸如换能器和收发机或发射机、传感器以及探测器之类的一些术语可以具有重叠的含义并且描述重叠或等同的技术或产品，并且因此可以被可交换地使用。此类术语意图调用它们的特定含义和它们的一般含义，以及任何重叠或等同的含义、技术或产品。
诸如探测器、传感器和微传感器或收发机、应答机、接收机和发射机之类的一些术语可以具有重叠的含义并且描述重叠或等同的技术或产品，并且因此可以被可交换地使用。此类术语意图调用它们的特定含义和它们的一般含义，以及任何重叠或等同的含义、技术或产品。
可以按照跨固定点在时间上的通量、欧拉参照系，或者按照随时间而移动的单独的流体包(parcel)、拉格朗日参照系来描述洪泛模型。真实世界洪泛的模型当前不是准确的，这是因为它们依赖于所知甚少的大量参数。例如，诸如圣维南(Saint-Venant)方程之类的经典洪水模型要求两种类型的信息：水位(高度)和水流速度(速率和方向)。如果有人对洪水的演变准确地进行建模，那么他需要实时地(如果可能的话)更准确地获取诸如这些的参数。
使用远程级传感器(诸如声学测距仪)，测量洪水的水位变得相对容易。测量洪水流的速度复杂得多并且是昂贵的任务，这是因为洪水典型地非常肮脏，包含大量的碎片(debris)。机械或基于压力的流量传感器必须在水流中发挥作用并且特别易于堵塞。声学流量传感器也必须在水流中发挥作用并且必须防止受碎片的影响，这增加了成本。基于激光的流量传感器非常昂贵并且消耗电力，其增加了感测基础设施的总成本。基于激光的系统也造成安全隐患。
拉格朗日(漂移)传感器已经被用于水道监测和洋流监测。Tinka等教导使用无源和有源的漂流物来监测水道。IEEE决策与控制会议(IEEEConferenceonDecision&Control)(2009)、Tinka等“QuadraticProgrammingbaseddataassimilationwithpassivedriftingsensorsforshallowwaterflows(基于与用于浅水流的无源漂移传感器同化的数据的二次规划)”。将每个漂移传感器包封在特别包含GPS接收机和蜂窝电话的11厘米长的玻璃纤维管中。通过1.3米铝管将漂移传感器连接到由斜对地安装的、40cm方形的两个聚碳酸酯板制成的并且被设计为限制表层流的影响的浮标。Tossavainen等教导一种用于测量处于二维(浅)水中的拉格朗日漂流物的估计方法，以便补偿对河中的上游和下游边界状况的了解的缺乏。IEEE决策与控制会议(2008)的、O.PTossavainen等的“EnsembleKalmanFilterbasedstateestimationin2DshallowwaterequationsusingLagrangiansensingandstateaugmentation(使用拉格朗日感测和状态增强的在2D浅水公式中的基于集合卡尔曼滤波器的状态估计)”。漂移传感器配备有GPS接收机并且报告其位置、提供河的状态的附加信息。在Mobicom99的会议录中的Kahn等的“SmartDustproject(智能微尘计划)”“Nextcenturychallenges：mobilenetworkingfor‘SmartDust’(下个世纪挑战：用于‘智能微尘’的移动联网)”中已经描述了使用大量微传感器来监测系统的一般概念。在智能微尘计划中，由UAV在道路上投放传感器以监测战场上的军用车辆检测的干扰(可从http://robotics.eecs.berkeley.edu/～pister/29Palms0103/得到详情)。
无人飞行器(UAV)也用于进行洪水监测。它们典型地依赖于照相机，这使得它们不适合于在低光照条件期间(诸如在晚上或者在暴雨或其它恶劣天气状况期间)进行监测。不幸的是，极端天气状况往往伴随洪泛事件。
本系统提供了对于现有技术中洪水监测的若干方面的改善。传感器的人工释放非常低效，这是因为可能不能在需要传感器的地方释放传感器。传感器的人工释放也要求人力和中央协调，这是洪水期间的附加负担。本系统可以是非常廉价的并且可以在洪泛开始前被很好地放置在现有或新的固定传感器网络的关键位置。然后，系统可以潜伏以等待将来的洪泛状况。除了从固定的或者基于地面的监测网络进行监测之外，本系统可以增强配备有照相机的UAV的洪水监测能力。由于每个发射机的成本较低，因此该系统将会是用于UAV监测系统的非常廉价的升级。因为其低成本，所以可以在非常广的区域上部署该系统，例如在大城市周围的沙漠区域。最后，由于其可以是基于UAV的，因此可以迅速并且容易地在不同的区域中部署该系统。例如，配备有该系统的一组若干UAV很小并且轻便到足够按需随货物被运载到其它位置。
拉格朗日传感器系统可以增强现有的固定洪水传感器网络，而不是被部署在独立的系统中。拉格朗日传感器系统的另一个优点在于以下事实：现有的固定洪水传感器网络本身能够在无论何时需要探测器时自动地释放探测器。
在图1中表示出洪水监测系统的示例性实施例。洪水监测系统可以包括传感器网络(101)。传感器网络可以包括遍及地理区域分布的洪水传感器(102)。传感器可以被配置为存储并且自主地释放有浮力的用后即丢弃(disposable)的拉格朗日探测器(103)。洪水传感器可以是固定站。无论何时需要拉格朗日探测器，都可以由固定洪水传感器存储和释放拉格朗日探测器。洪水传感器网络也可以合并可按需部署的移动传感器站。可以通过将系统与诸如洪水监测网络或交通监测网络之类的现有结构集成来降低系统的成本。可以将固定站安装在电话线杆、交通灯信号或其它现有结构上。
可以例如利用拉格朗日探测器来改善实时洪水估计处理(“即时预报”)的准确度。还可以在逆向建模处理或预测处理中利用探测器。在图4中示出了监测洪泛的方法的示例性实施例。该方法可以包括：用传感器网络检测洪泛状况(401)；在检测到先决条件的洪泛状况时，自主地释放(402)一个或多个拉格朗日探测器(403)。该方法可以基于跟踪一个或多个拉格朗日探测器来测量洪泛状况。可以通过由传感器网络进行的三边测量或者通过测量从一个或多个拉格朗日探测器所接收的信号强度来实现跟踪一个或多个拉格朗日探测器。拉格朗日探测器也可以或者可替换地包括用于向传感器网络传送跟踪数据的板载跟踪设备。传感器网络可以对洪泛状况的演变进行建模。传感器网络可以增强从现有固定网络所测量的数据。可以从一个或多个固定传感器站和/或从一个或多个无人飞行器释放拉格朗日探测器。无人飞行器(UAV)可以跟踪拉格朗日探测器并且与一个或多个基站进行通信。本发明的实施例可以包括用后即丢弃的探测器，其可以被释放并且用于洪水传感器网络中以跟踪洪水的演变。无论何时以及无论何地需要探测器来改善实时洪水估计处理(例如，即时预报)、逆向建模处理或预测处理的准确性，都可以由存储单元释放探测器。探测器可以被存储在传感器的网络中并且从其处被释放，或者可以被包含在单独的存储单元中。然后由现有的洪水传感器网络跟踪这些探测器的运动，并且将所得到的数据与由固定洪水传感器网络所生成的数据相结合。
洪水传感器网络本身可以被配置为在洪泛时自动地释放探测器。可以由固定网络跟踪这些发射机的运动，并且所得到的数据可以与由固定传感器站所生成的数据相结合。然后可以由现有的洪水传感器网络跟踪这些发射机的运动，并且所得到的数据可以与由洪水传感器网络所生成的数据相结合。洪水传感器网络可以通过三边测量和/或所接收的信号强度来测量探测器位置和速度。可以另外地或者可替换地由探测器本身利用耦合到发射机的跟踪设备来测量探测器位置。然后可以将位置数据传送到网络。由系统生成的数据可以包括探测器的位置、路径和/或速率。然后可以使用任何或所有这些数据类型来改善包括即时预报、逆向建模和预测处理在内的监测和分析的准确度。
在图2中示出了在运作中的系统的示例性实施例。系统可以包括沿着道路分布的固定站。固定站可以连续地或周期性地监测洪泛的状况。在洪泛开始时，固定站可以确定是否已经满足特定条件，例如给定高度的水位。一旦已经满足该条件，系统可以自主地释放拉格朗日探测器。然后系统可以跟踪探测器以测量洪水的演变。在图2中示出了洪泛事件。示出了洪水从左上侧流出。当在固定站1处的水位达到预定高度(或满足可替换的标准)时，固定站1自动地将多个拉格朗日探测器释放到洪水流中。探测器或微传感器随水流漂浮并且由固定站跟踪。基于跟踪数据，洪水传感器网络可以对洪水的演变进行建模或者增强其它所检测的洪水数据。
在图3中示出了系统的示例性实施例。在检测到预选定的标准(例如，险恶的天气)时，洪水监测系统自主地激活装载用于检测洪水状况的用后即丢弃的有源、半有源和/或无源的拉格朗日探测器的一个或多个UAV。可以由UAV在要被监测的区域上投放探测器。UAV可以配备有能够与拉格朗日探测器进行通信和/或从拉格朗日探测器接收信号的定向天线或全向天线。然后UAV可以向能够绘制(map)发射机的位置的地图的一个或多个基站传送数据。一个或多个UAV中的每一个可以被配置为绘制拉格朗日探测器的地图并且向基站传送地图数据。可以结合使用多个UAV以便更快地绘制区域的地图。拉格朗日探测器可以是防水的并且有浮力的，并且一旦它被投放就能够保持在固定的位置，除非被水流或地面风(surfacewinds)拖走。为了最小化地面风的影响，可以将探测器配置为在空气中具有高终端速度。可以由基站将(从UAV获取的)发射机位置地图与洪水模型结合使用，以便估计和/或预测具有洪泛的区域。然后可以由政府机构使用所得到的洪水即时预报和/或预测地图以用于紧急响应。
一些实施例的重要特征是UAV可以是自主的机电设备。在传感器系统检测到预选定的洪泛状况时，可以激活一个或多个UAV，并且将一个或多个UAV导向触发的固定传感器站的一般位置。UAV可以将拉格朗日探测器部署为板载存储。然后固定传感器站和/或UAV可以跟踪探测器，以便绘制洪水的演变的地图。还应当注意，与UAV进行通信的基站可以是固定地面站、移动站。可以将移动站存放在陆地交通工具、手持设备和/或飞机内。
现在转向探测器设备，拉格朗日探测器有利地是廉价的设备，几乎不要求维护并且不要求特殊的保护。它们的低质量使得它们对于影响非常有弹性，并且它们可以是容易防水的。虽然(与其它类型的水流量传感器相反)这些传感器是用后即丢弃的，但是它们相对低的成本以及洪水的相对低的发生使得这些传感器对于在洪水期间感测水速度是有用的。
拉格朗日探测器和拉格朗日传感器或微传感器可以采用与若干实施例一致的许多形式。在这种情况下，拉格朗日探测器是指在不进行感测的情况下传送信号的传感器和/或设备。可以在系统级封装(SoP)平台中实施拉格朗日探测器。SoP可以包含定制发射机芯片、有效天线、具有唯一标识(ID)的存储器、控制器电路以及例如小型化电池之类的电源。可以通过低成本的互补金属氧化物半导体(CMOS)制程来实现发射机芯片。发射机电路可以是低功率的并且足够灵活以例如通过调制技术向固定传感器进行数据通信。
参考图5，拉格朗日探测器(501)可以包括用于生成信号的发射机芯片(502)、用于传送信号的天线(503)、具有唯一标识的存储器(504)以及集成了发射机芯片、天线和存储器并且控制拉格朗日探测器的各种功能的控制器电路(505)。发射机芯片、天线和控制器芯片可以被配置为使得探测器充当发射机、充当收发机和/或充当应答机。拉格朗日探测器可以是射频识别(RFID)无线非接触式系统。在这样的实施例中，探测器可以是无源的、有源的或者电池辅助无源的。作为无源的RFID探测器，拉格朗日探测器可以由来自传感器网络的信号中的能量来供电并且作为应答器来运作。如图6中所示，拉格朗日探测器可以包括用于有源的或电池辅助无源的实施例的电力储存(606)。在这样的实施例中，拉格朗日探测器可以充当发射机、充当收发机和/或充当应答机。电力储存可以是电池，其进而可以是小型化电池以改善探测器在水中的浮力。
拉格朗日探测器的组件可以处于多层包装材料的腔体中。例如，发射机芯片、存储器、控制器电路和/或天线可以在多层包装材料的内部。多层包装材料可以是液晶聚合物(LCP)、涂敷有胶的纸或其组合。纸是有利的，因为其是极其便宜并且用后即丢弃的。为了促进探测器的浮力，可以将组件直接地打印到包装材料上，例如，天线可以是导电墨水。液晶聚合体是有利的，因为其能够对拉格朗日探测器提供密闭密封以使其免受水和/或其它不利环境。材料可以可替换地是基于纤维素的材料或其它有机材料。探测器可以由进行生物降解以促进探测器的用后即丢弃的性质的对环境无害的材料制成。发射机芯片可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。天线可以是高效的接近各向同性天线。拉格朗日探测器可以是平面的、基本上二维的。可替换地，拉格朗日探测器可以是球体的和/或多面体的，或者其可以具有平面、球体和/或多面体组件的组合。在一些实施例中，探测器可以是立方体。在一些实施例中，探测器可以是四面体。探测器可以是球体的或部分球体的。拉格朗日探测器可以被配置为漂浮在水中和/或基本上在水上面。拉格朗日探测器可以被配置为接近期望深度地漂浮。还可以将小的电池包封在LCP包装中。SoP可以小、薄且轻便，以方便其在洪水中的漂浮运作。
可以通过在现有的监测系统内安装监测系统来实现可替换的实施例。现有系统可以具有传感器板，其可以连接到指向要被监测的地面或道路的超声换能器。每个传感器板可以与其邻居一起处理测量数据以估计局部交通和/或洪泛状况。所测量或分析的局部交通状况可以是道路上的局部密度、流动和/或速度状况。所测量或分析的局部洪水状况可以是在地面上的水的估计的高度和/或水流速率和/或流向。固定网络可以被配置为检测和分析交通和洪泛中的任一者或两者。
交通监测系统和/或洪水监测系统可以包括具有无线通信设备的超声传感器和超声换能器。超声换能器可以被配置为监测交通和/或道路水状况。中央计算机可以被配置为从超声传感器接收道路和/或洪泛状况。系统可以进一步具有被配置为与邻近的超声传感器进行通信的多个超声传感器。监测系统也可以具有中央处理单元(CPU)，其被配置为确定在超声传感器处的道路的交通和/或洪泛状况。每个超声传感器可以具有CPU。中央计算机可以被配置为根据所接收的道路状况信息来确定在多个超声传感器中的每一个处的道路状况。中央计算机也可以被配置为根据所接收的道路状况信息绘制在多个超声传感器中的每一个处的道路状况的地图。所确定的道路状况可以指示路是否是可通行的，并且可以进一步指示什么类型的交通工具可以通行。中央计算机可以被配置为进一步提供选路信息以便避免不能通行的道路。中央计算机也可以接收与拉格朗日探测器的位置有关的位置信息。所接收的探测器信息可以用于跟踪具有更多确定性的洪水状况。
服务器系统可以处理能够由传感器节点中继的与局部交通和/或局部洪泛状况对应的数据。然后可以使用交通流模型和/或起讫(origin-destination)模型来估计全局交通状况。可以由系统来创建当前和将来洪泛状况的地图。在包含用于洪水监测的传感器的实施例中，可以使用由超声换能器生成的数据来提供全局洪泛状况。除了从拉格朗日探测器获得的数据之外，也可以特别地使用当前状况、气象数据和/或下水道模型等来预测全局洪泛状况。
另外，系统可以在洪水期间监测和/或预测在路上的水的高度，使得地方当局可以评定(对于一般交通工具)哪些路是不能通行的以及哪些路是由救援交通工具或其它高架式交通工具可涉水而过的。基于监测的数据，系统可以实时地生成可用路(以及可进入区域)的地图以用于应急服务，这是在洪水(具体是突发性洪水事件)期间的紧要信息。探测器可以生成路径和速率数据。这两种类型的数据可以改善即时预报、逆向建模或预测处理的准确性。固定洪水传感器网络可以生成至少两种类型的数据：根据在节点处的直接水位测量而生成的水位数据，以及通过跟踪由网络的一些元件释放的探测器的位置而生成的水流速度数据。
图7是拉格朗日探测器使用的示例的流程图。最初(即，在洪水出现之前)，数据可以由水位数据组成，该水位数据可以被转发到将该数据传递到计算机服务器的网关。在洪水事件(700)时，可以向洪水估计服务器转发由传感器节点中的每一个所生成的水位数据(702)，洪水估计服务器可以使用诸如集合卡尔曼滤波(ensembleKalmanFiltering)和/或粒子滤波(Particlefiltering)之类的估计方法来计算四个地图：水速度估计的地图(即时预报)(704)；水速度不确定性估计的地图(706)；水位估计的地图(即时预报)(704)；以及水位不确定性估计的地图(706)。
来自探测器的速度数据对于计算这四个地图不是必需的，但是附加的速度数据可以降低不确定性。基于水位不确定性的地图和水速度不确定性的地图，服务器可以计算要发送回传感器网络的节点的控制命令(708)。控制方案可以通过用信号通知传感器节点释放拉格朗日探测器以最小化不确定性，诸如通过最小二乘公式所计算的不确定性。可以将这些命令传送回网关以及传送回网络，将每个命令转发到对应的节点，然后该对应的节点释放探测器(810)。例如，服务器可以计算出通过三个特定传感器释放一个或多个探测器将有助于使绘图算法(mappingalgorithm)中的不确定性最小化。以这种方式，当需要更多信息以便改善即时预报和预测的准确性时，可以有选择地投放探测器。
在一些实施例中，可以在诸如图8中示出的系统级封装(SoP)平台中实施探测器。SoP可以包括发射机(800)、天线(802)、具有唯一标识(ID)的存储器(804)以及控制器电路(806)。还可以包括电池(808)，但是不一定在所有实施例中都要求板载电力储存，这是因为探测器可以被配置为使得由入射的信号来供电，正如众所周知的RFID就是如此。电池和天线的必要性和类型将取决于所使用的发射机或传感器的类型。存储器(804)和控制器电路(806)可以在收发机芯片(800)的内部。可以以标准低成本CMOS制程来实现发射机的实施例，或者发射机可以是RFID。取决于发射机所需要的范围，RFID可以是有源的、半无源的或者无源的。可以用导电墨水在纸上打印RFID，由此减小发射机的重量和环境影响。还可以用导电墨水在纸上打印SoP的其它元件，诸如控制器电路。为了减小包装的重量，发射机电路可以是低功率的但是足够灵活以通过现代调制方案向固定洪水传感器收发机进行数据通信。发射机也可以包括收发机。探测器可以包括传感器装置，诸如GPS或其它无线定位系统。可以将发射机放置在诸如LCP或纸之类的包装材料(810)中的腔体中。纸是极其便宜、有机的、轻且灵活的。LCP的优点是多重的：由于可以是涂敷有胶的纸，因此其可以对漂浮在水中的发射机提供密闭密封；可以在LCP或纸包装中实现有效且接近各向同性天线；以及由于是涂敷有胶的纸，因此LCP是有机的、环境无害的，并且很适合于用后即丢弃的解决方案。还可以将小的电池包封在LCP包装中。SoP可以是任何形状，诸如球体或多面体。可以将天线合并到形状的每一侧中以使得天线的至少一部分可以在水上方。在立方体形状的情况下，探测器同样地可能以任何方向漂浮。在一些实施例中，SoP可以是小、薄、方型的并且轻便的，以便增加在洪水中的浮力。在本发明的一些实施例中，发射机可以被设计为制作起来便宜、小以及对环境无害。探测器的每个尺寸可以小于100mm、小于75mm、小于50mm、小于40mm、小于30mm、小于25mm、小于20mm、小于19mm、小于18mm、小于17mm、小于16mm、小于15mm、小于14mm、小于13mm、小于12mm、小于11mm、小于10mm、小于9mm、小于8mm、小于7mm、小于6mm，或者小于5mm。在本发明的具体实施例中，探测器是大约13mmx13mmx13mm，如图11中所示。
探测器上的存储器可以具有对于其它部署的探测器而言是唯一的ID。以这种方式，可以由传感器系统唯一地标识和跟踪探测器。如果需要的话，可以在从存储单元中释放探测器时激活(开启)探测器，或者可以由水来激活探测器。然后探测器可以以设定的时间帧来传送唯一的ID，诸如1分钟5次、1分钟10次、1分钟20次、1分钟30次、1分钟40次、1分钟50次、1分钟60次，或者更快。联网的传感器可以传送无线电波以对RFID供电并且读取RFID。
在一些实施例中，例如在图9和10中示出的，传感器的内部和电路的基板可以由纸制成。与图9的示意图一致的实施例可以包括微控制器、收发机、存储器和调制器/解调器。传感器电路可以被连接到天线和电池两者。例如，可以使用基于银纳米粒子的喷墨打印在纸上打印电路和传感器。电池可以是扁平类型并且由锂制成，其可以是爱迪生类型、其可以是电容器类型元件或者其可以是另一种类型的电池。收发机可以是封闭在塑料包装中的硅芯片。在该示例中，在大约100MHz的带宽的情况下，传感器的操作频率大约是2.4GHz。使用正交相移键控(O-QPSK)来调制载体。传感器使用直接序列扩展频谱(DSSS)技术以用于多信道操作。传感器电路由微控制器、存储RFID或其它传感器数据的存储器、调制器/解调器和RF收发机链组成。所有这些组件在单个芯片上。通过用胶涂敷传感器来实现防水，其为水中的若干小时的工作提供充足的密闭密封。图10示出了打印在纸上的收发机芯片和传感器电路的图片。图11是大约13mmx13mmx13mm的微处理器的图片。如图11中所示，天线延伸到探测器的每个表面。天线是具有操作频率的波长的大约1.5倍长度的偶极。如图11中所示，天线的臂(arm)是蜿蜒的并且在探测器的每个表面上延伸，以使得其是具有接近各向同性的辐射模式(pattern)的紧凑3D立方体天线。
可以在根据本公开不过度进行实验的情况下作出在此所公开的和要求保护的所有方法。虽然已经按照优选实施例描述了本发明的装置和方法，但对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的概念、精神和范围的情况下，可以对在此所描述的方法以及方法的步骤或步骤的顺序施加变化。此外，在将会实现相同的或类似的结果的情况下，可以对所公开的装置进行修改，并且可以去除组件或者可以用组件代替在此所描述的组件。对于本领域技术人员显而易见的所有这种类似的代替和修改都被认为处于如所附权利要求所限定的本发明的精神、范围和概念内。
可以使用基于计算机的系统和方法来部分地或整体地实施如上所述的各种技术、方法和系统。另外，基于计算机的系统和方法可以用于增强或加强如上所述的功能、提高可以执行功能的速度，以及提供作为在本文档中在别处所描述的那些特征和方面的一部分或除其以外的附加特征和方面。在下面给出根据以上描述的技术的各种基于计算机的系统、方法和实现。
在一个实现中，通用计算机可以具有内部或外部存储器，该内部或外部存储器用于存储数据和诸如操作系统(例如，DOS、Windows2000TM、WindowsXPTM、WindowsNTTM、OS/2、iOS、UNIX或Linux)和一个或多个应用程序之类的程序。应用程序的示例包括：实施在此所描述的技术的计算机程序、能够生成文件或其它电子内容的创作应用(例如，文字处理程序、数据库程序、电子表格程序、模拟程序、工程化程序或图形程序)；能够与其它计算机用户进行通信、访问各种计算机资源以及查看、创建或者另外操纵电子内容的客户端应用(例如，因特网服务提供商(ISP)客户端、电子邮件客户端或即时消息收发(IM)客户端)；以及能够呈现根据诸如超文本传输协议(HTTP)、HTTP安全或安全超文本传输协议之类的标准协议所格式化的标准因特网内容和其它内容的浏览器应用(例如，微软的InternetExplorer或谷歌Chrome)。
可以在通用计算机的内部或外部存贮器上安装一个或多个应用程序。可替换地，在另一个实现中，应用程序可以被外部地存储在位于通用计算机外部的一个或多个设备中或由该一个或多个设备来执行。
通用计算机包括用于响应于命令执行指令的中央处理单元(CPU)以及用于发送和接收数据的通信设备。通信设备的一个示例是调制解调器。其它示例包括收发机、通信卡、卫星盘(satellitedish)、天线、网络适配器、网络接口卡、移动因特网设备或能够通过有线或无线数据通路在通信链路上传送和接收数据的一些其它机制。
通用计算机可以包括使能到各种外围设备的有线或无线连接的输入/输出接口。外围设备的示例包括但不限于鼠标、移动式电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、平板计算机、键盘、具有或没有触摸屏输入的显示监视器以及视听输入设备。在另一个实现中，外围设备自己可以包括通用计算机的功能。例如，移动电话或PDA可以通过访问递送网络并且与其它计算机系统进行通信而包括计算和联网能力并且起到通用计算机的作用。递送网络的示例包括因特网、万维网、WAN、LAN、模拟或数字有线和无线电话网络(例如，公用交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)或数字用户线路(xDSL))、无线电、电视、电缆或卫星系统以及用于承载数据的其它递送机制。通信链路可以包括使得能够通过一个或多个递送网络进行通信的通信通路。
在一个实现中，基于处理器的系统(例如，通用计算机)可以包括主存储器——优选地随机存取存储器(RAM)，并且也可以包括辅助存储器。辅助存储器例如可以包括：硬盘驱动器，或者表示软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器(蓝光、DVD、CD驱动器)、磁带、纸带、穿孔卡、独立式RAM盘、固态驱动器的可移除存贮器驱动器，或者包括存储卡、USB闪盘驱动器、固态驱动器的快闪存储器设备，等等。可移除存贮器驱动器从可移除存贮介质进行读取或者对其进行写入。可移除存贮介质可以包括能够从用于执行读取和写入操作的存贮器驱动器移除的软盘、磁带、光盘(蓝光磁盘、DVD、CD)、存储卡(压缩闪存卡、安全数字卡、记忆棒)、纸数据存贮器(穿孔卡、穿孔带)，等等。将理解的是，可移除存贮介质可以包括计算机软件或数据。
在可替换的实施例中，辅助存储器可以包括使计算机程序或其它指令被加载到计算机系统中的其它类似部件。这种部件例如可以包括可移除存储单元和接口。其示例可以包括程序盒(cartridge)和盒式接口(诸如可以在视频游戏设备中找到的)、可移除存储器芯片(诸如EPROM或PROM)和相关联的插口，以及允许从可移除存储单元向计算机系统传递软件和数据的其它可移除存储单元和接口。
在一个实施例中，计算机系统还可以包括允许在计算机系统和外部设备之间传递软件和数据的通信接口。通信接口的示例可以包括调制解调器、网络接口(诸如例如以太网卡)、通信端口以及PCMCIA插槽和卡。经由通信接口传递的软件和数据是以信号的形式，该信号可以是能够由通信接口接收的电子、电磁、光学或其它信号。经由能够承载信号的信道向通信接口提供这些信号，并且可以使用无线介质、电线或电缆、光纤或其它通信介质来实施这些信号。信道的一些示例可以包括电话线、蜂窝电话链路、RF链路、网络接口和其它适当的通信信道。
在本文档中，术语“计算机程序介质”和“计算机可用介质”通常用于指代诸如可移除存储设备、能够安装在磁盘驱动器中的盘以及信道上的信号之类的介质。这些计算机程序产品向计算机系统提供软件或程序指令。
将计算机程序(也称为计算机控制逻辑)存储在主存储器或辅助存储器中。还可以经由通信接口接收计算机程序。在执行这种计算机程序时，使得计算机系统可以执行如在此所讨论的特征。具体地，在执行计算机程序时，使得处理器能够执行所描述的技术。因此，这种计算机程序表示计算机系统的控制器。
在使用软件实施元件的实施例中，可以将软件存储在计算机程序产品中，或者经由计算机程序产品来传送软件并且例如使用可移除存贮器驱动器、硬盘驱动器或通信接口将元件加载到计算机系统中。在由处理器执行控制逻辑(软件)时，使处理器执行在此所描述的技术的功能。
在另一个实施例中，例如使用诸如PAL(可编程阵列逻辑)设备、专用集成电路(ASIC)之类的硬件组件或者其它适当硬件组件来主要在硬件中实施元件。为了执行在此所描述的功能而进行的硬件状态机的实现对于相关领域技术人员而言将是显而易见的。在又一个实施例中，使用硬件和软件两者的组合来植入元件。
在另一个实施例中，可以通过经由Web页面提供对在此所描述的方法的访问在万维网上访问或实施基于计算机的方法。因此，通过统一资源定位符(URL)来标识Web页面。URL表示服务器和服务器上的特定文件或页面两者。在该实施例中，可以预计到客户端计算机系统与浏览器进行交互以选择特定URL，该特定URL进而使得浏览器向在URL中标识的服务器发送对于该URL或对于页面的请求。典型地，服务器通过调取所请求的页面并且将该页面的数据传送回作出请求的客户端计算机系统(典型地根据超文本传输协议或HTTP来执行客户端/服务器交互)来对请求作出响应。然后在客户端的显示屏上向用户显示所选择的页面。客户端然后可以使包含计算机程序的服务器启动应用以例如根据所描述的技术执行分析。在另一个实现中，服务器可以下载应用以便在客户端上运行以根据所描述的技术执行分析。
其它实施例处于所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种拉格朗日探测器，包括：
发射机芯片，用于生成信号；
天线，用于传送信号；
具有唯一标识的存储器；以及
集成发射机芯片、天线和存储器的控制器电路，用于控制拉格朗日探测器的功能。
2.根据权利要求1所述的拉格朗日探测器，还包括电力储存，其中发射机芯片处于多层包装材料的腔体中。
3.根据权利要求2所述的拉格朗日探测器，其中多层包装材料是液晶聚合物。
4.根据权利要求3所述的拉格朗日探测器，其中电力储存是电池，其中发射机芯片是互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，并且其中液晶聚合物对拉格朗日探测器提供密闭密封。
5.根据权利要求1或4所述的拉格朗日探测器，其中天线是接近各向同性的天线。
6.根据权利要求1或5所述的拉格朗日探测器，其中拉格朗日探测器基本上由有机或生物可降解材料构成。
7.根据权利要求1或5所述的拉格朗日探测器，其中拉格朗日探测器基本上是球体的或多面体的。
8.根据权利要求1或7所述的拉格朗日探测器，其中拉格朗日探测器被配置为漂浮在水中。
9.一种洪水传感器网络，包括：
遍及地理区域分布的多个洪水传感器；
一个或多个拉格朗日探测器；
其中洪水传感器网络被配置为自主地释放一个或多个拉格朗日探测器。
10.根据权利要求9所述的洪水传感器网络，其中洪水传感器被配置为检测洪泛状况，并且在检测到先决条件的洪泛状况时发生一个或多个拉格朗日探测器的自主释放。
11.根据权利要求10所述的洪水传感器网络，其中洪水传感器进一步检测来自拉格朗日探测器的无线信号。
12.根据权利要求11所述的洪水传感器网络，其中在系统级封装平台中实施一个或多个拉格朗日探测器，所述拉格朗日探测器包括：
发射机芯片，用于生成信号；
天线，用于传送信号；
具有唯一标识的存储器；以及
集成发射机芯片、天线和存储器的控制器电路，用于控制拉格朗日探测器的功能。
13.根据权利要求11所述的洪水传感器网络，其中洪水传感器基于所检测的无线信号来跟踪一个或多个拉格朗日探测器。
14.根据权利要求12所述的洪水传感器网络，其中基于三边测量、所接收的信号强度的测量以及板载跟踪系统中的一个或多个来跟踪一个或多个拉格朗日探测器。
15.根据权利要求9所述的洪水传感器网络，还包括无人飞行器，其中无人飞行器包括用于跟踪一个或多个拉格朗日探测器的组件以及用于与一个或多个站和/或其它无人飞行器进行通信的组件。
16.一种监测洪泛的方法，包括：
使用传感器网络检测洪泛状况；
在检测到先决条件的洪泛状况时，自主地释放一个或多个拉格朗日探测器；
基于跟踪一个或多个拉格朗日探测器来测量洪泛状况。
17.根据权利要求16所述的监测洪泛的方法，其中由传感器网络通过三边测量来实现跟踪一个或多个拉格朗日探测器。
18.根据权利要求16所述的监测洪泛的方法，其中通过测量从一个或多个拉格朗日探测器所接收的信号强度来实现跟踪一个或多个拉格朗日探测器。
19.根据权利要求16所述的监测洪泛的方法，其中一个或多个拉格朗日探测器包括板载跟踪设备，并且从一个或多个拉格朗日探测器向传感器网络传送跟踪数据。
20.根据权利要求16所述的监测洪泛的方法，其中传感器网络对洪泛状况的演变进行建模。
21.根据权利要求16所述的监测洪泛的方法，其中传感器网络是现有的固定网络，并且其中跟踪一个或多个拉格朗日探测器对固定网络的其它洪水监测功能进行增强。
22.根据权利要求16所述的监测洪泛的方法，其中从一个或多个固定传感器站和/或从一个或多个无人飞行器释放一个或多个拉格朗日探测器。
23.根据权利要求22所述的监测洪泛的方法，其中一个或多个无人飞行器跟踪一个或多个拉格朗日探测器并且与一个或多个基站进行通信。
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