东京工业大学 (Tokyo Tech) 的工程师发现了一种新方法，用于组合从大量传感器无线获取的数据。

该技术基于考虑传感器的“集合频谱”，它仅涉及分析从所有传感器接收到的无线电信号，而无需将它们彼此同步或分离它们各自的贡献。它包括将每个传感器连接到混沌振荡器，该振荡器生成包含取决于测量值的频率的传输信号。

通过通过一个小型神经网络考虑信号在其频谱方面的叠加，可以估计测量统计分布的各个方面，例如传感器群体的平均值。由于它简化了“分布式传感”的一个关键方面，该技术在环境、结构和生物医学监测中具有许多可能的应用。

现代社会中的许多人类努力都基于这样一种期望，即我们越能控制周围的世界，我们从特定活动中获得的成果就越好。最近，这引发了精准农业等理念，该理念有望优化资源利用，从而提高可持续性。成功的控制需要对过程变量进行高质量、可靠的测量，例如在农业的情况下，温度、太阳辐射和土壤湿度。

几个世纪以来，工程师和物理学家已经完善了我们进行高精度测量的能力，但在许多新兴应用中，挑战与通常情况略有不同。也就是说，要求不是尽可能准确地测量某个特定位置或时间点的某物。相反，需要的是在相对较大的表面上估计统计特性，这种方式不太强调单个读数的精度，但需要进行多次测量。

例如，在葡萄园中，可以确定大片土地上太阳辐射的平均值和方差，以告知葡萄的选择。另一个例子可能来自建筑领域，土木工程师越来越频繁地寻求有关大型结构（例如混凝土柱）上应力分布的信息。

使用分散在感兴趣区域或对象上的许多传感器进行测量的技术通常被称为“分布式传感”。其最大的挑战之一是从每个单独的传感器读取数据需要大量的基础设施和电力，因此非常浪费。如果传感器（数量可能在数万到数千之间）可以直接相互交互，最终就最终输出报告“达成一致”，那就更好了。就像房间里的人一样，一个人可以只询问一个人关于共识的问题，而不是质疑他们所有人。

大约两年前，东京工业大学的科学家提出为此目的使用“混沌振荡器”。混沌振荡器是非常简单的电路，具有单独和集体产生复杂行为的特殊能力，即使使用单个晶体管也可以实现。

一项试验性实验证明了将它们无线“耦合”并使其相互交互以实现光强度的集体测量的可能性，该试验涉及放置在实验室小表面上的有限数量的传感器。

在考虑实际应用时，让传感器相互交互的要求在物理上变得难以满足。混沌振荡器需要在相当长的距离上耦合，例如几米或更远，相互交换足够的能量以保持同步，同时遵守无线电使用的所有监管要求。尽管在分布式传感中保留一种“集体智能”的想法是令人信服的，但最终条件似乎导致电路比最初假设的更复杂。

然后，一天早上，在听蝉鸣的时候，我想到了一种完全不同的方法来解决这个问题。我意识到我们非常善于注意到声音的差异，即使这些声音来自许多杂乱无章的重叠该研究的主要作者 Ludovico Minati 博士说。

事实上，高度同步活动的情况，例如萤火虫同时在树上闪烁的情况非常罕见，并引起了相当大的惊奇。只听许多来源就可以提取很多信息，即使这些来源不连贯。

正如住在繁忙街道附近的每个人都可以证明的那样，不相关的源不只是相互抵消。即使在视觉上，我们也可以很容易地发现频率的差异，无论多个源之间是否存在固定的相位关系。

图 1. 频率和相位对重叠波的影响。基本概念的简化表示，基于从四个假设源（白色圆圈）发出的正弦径向波进行可视化。在四个源具有相同频率 f 的情况下，规律很容易看到，而不管底层相位是随机的（顶部）这一事实。相比之下，当它们的频率 f 不同时，会出现更大的可变性（底部）。在实际情况中，情况更加复杂，因为来源范围很广，但潜在的关系仍然部分可辨。（图片：卢多维科米纳蒂）

基于这个简单的想法，东京工业大学的工程师考虑了另一种分布式传感方法，其中每个节点简单地发出一个混沌信号，其频率内容取决于测量值。假设两者之间的关系足够丰富和独特，那么仅基于从整个传感器集合接收信号就可以对值的统计分布进行合理的猜测。

这种方法虽然没有一些限制，但可以使每个传感器的设计变得相当简单。此外，它可以通过使用神经网络“解码”接收到的频谱来轻松实现。

一个非常简单的混沌振荡器可以用来产生适合传输的信号。我们之前在实验室开发了同类型的混沌振荡器，但现在我们已经大大提高了它的功耗和工作频率，达到了大约 2 mW 和4 GHz。构建设备原型的纳米传感单元负责人 Hiroyuki Ito 博士解释说。

图 2. 系统架构。根据提议的想法，每个传感器节点将由一个混沌振荡器组成，该振荡器从本地源获取能量并通过小型无线电天线简单地传输其信号，而其动态以及因此频率内容由反映一个参数的参数控制测量值。这种传感器将分散在一个扩展区域，而它们的集合信号被一个或多个接收器拾取，这些接收器以电子或数字方式获得叠加的频谱。通过将该频谱馈送到已经用来自混沌振荡器的信号进行预训练的神经网络，可以以可接受的精度估计要感测的变量的潜在均值和方差。（图片：卢多维科米纳蒂）

根据提议的想法，每个传感器节点将由一个混沌振荡器组成，该振荡器从本地源获取能量并通过小型无线电天线简单地传输其信号，而其动态以及因此频率内容由反映一个参数的参数控制测量值。

根据外部提供的电压，该电路会产生精美复杂的频率模式，即使在许多传感器的输出（每个传感器测量的值略有不同）重叠时，其主要特征仍然清晰可见。因此，可以训练一个可以在低功耗设备上实现的小型神经网络，以对基础值进行有根据的猜测。

一个值得注意的事情是，即使考虑到相对较小的频率窗口，这种方法似乎也能很好地工作，有效地截取我们观察到的频谱模式切片。这应该有助于未来在天线和放大器设计方面的实施。Dr. 博士补充道，与 Korkut Kaan Tokgoz 来自同一实验室。

图 3. 频谱图。为了使这个想法可行，每个传感器必须生成一个频率内容足够丰富的信号，并以尽可能明确的方式反映输入变量的值。这就是混沌振荡器特别方便的地方，尽管电路非常简单，但仍能产生精美丰富的频率模式。即使当这种模式的许多列重叠时，仍然可以看到足够的结构来猜测基础值，并且在考虑到对应于频率窗口的水平切片时，这在某种程度上仍然是可能的。（图片使用限制：无；图片来源：Ludovico Minati）

研究人员计划通过设计一个适合在实验室外测试的完整传感器来推进这项工作，并最终在现场进行精密灌溉等应用试验。