motes 로 알려진 컴퓨팅 개념에 대해 들어본 적이 있을 것 입니다. 이 개념은 스마트 먼지 및 무선 감지 네트워크 라고도 합니다. 어느 시점에서 Popular Science , Discover 및 Wired 의 거의 모든 문제는 오늘날 mote 아이디어의 새로운 적용에 대한 안내문이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 군은 이를 전장에 대한 정보를 수집하는 데 사용할 계획이고, 엔지니어는 이를 콘크리트에 혼합하여 건물 및 교량 의 상태를 내부적으로 모니터링하는 데 사용할 계획 입니다.
티끌을 사용하는 방법에는 수천 가지가 있으며 사람들이 개념에 익숙해지면 더 많은 방법이 떠오릅니다. 이것은 분산 감지에 대한 완전히 새로운 패러다임이며 컴퓨터를 보는 매혹적인 새로운 방법을 열어주고 있습니다.
이 기사에서는 티끌이 어떻게 작동하는지 이해하고 기술의 가능한 많은 응용 프로그램을 볼 수 있습니다. 그런 다음 우리는 MICA 모트를 살펴보겠습니다 . 세상을 감지하는 이 독특한 방법을 실험하기 위해 구입할 수 있는 기존 기술입니다.
- 기본 아이디어
- 일반적인 애플리케이션
- 임시 네트워크
- 전형적인 티끌
- 미래
기본 아이디어
"모트" 개념은 컴퓨터에 대한 새로운 사고 방식을 만들지만 기본 아이디어는 매우 간단합니다.
- 티끌의 핵심은 작고 저렴한 저전력 컴퓨터 입니다.
- 컴퓨터는 하나 이상의 센서를 모니터링 합니다. 온도, 빛, 소리, 위치, 가속도, 진동, 스트레스, 무게, 압력, 습도 등의 센서를 포함하여 모든 종류의 센서를 상상하기 쉽습니다. 모든 티끌 응용 분야에 센서가 필요한 것은 아니지만 감지 응용 프로그램은 매우 일반적입니다.
- 컴퓨터는 라디오 링크 를 통해 외부 세계와 연결 됩니다. 가장 일반적인 무선 링크를 사용하면 티끌이 10~200피트(3~61미터) 거리에서 전송할 수 있습니다. 전력 소비, 크기 및 비용은 장거리를 가로막는 장벽입니다. 티끌의 기본 개념은 작은 크기(및 관련 작은 비용)이기 때문에 소형 및 저전력 라디오가 일반적입니다.
티끌은 배터리가 부족 하거나 특정 애플리케이션에서 전력망 에 연결될 수 있습니다 . 티끌의 크기와 전력 소비가 줄어들면서 태양광 발전 이나 진동 전력 과 같은 특이한 것을 계속 작동 시키는 것을 상상할 수 있습니다.
이 모든 부품은 가능한 한 가장 작은 용기에 함께 포장됩니다. 미래에 사람들은 티끌이 줄어들어 한 면이 몇 밀리미터에 불과하다고 상상합니다. 오늘날 배터리와 안테나를 포함한 티끌은 4분의 5 또는 6개의 더미 크기 또는 담배 한 갑 크기인 것이 더 일반적입니다. 배터리는 일반적으로 현재 패키지의 가장 큰 부분입니다. 현재 티끌은 대량으로 25달러 정도의 비용이 들지만 가격이 떨어지고 있습니다.
혁명을 촉발시키는 티끌만큼 작고 무해한 것을 상상하기는 어렵지만 그것이 바로 그들이 한 일입니다. 다음 섹션에서 가능한 여러 응용 프로그램을 살펴보겠습니다.
일반적인 애플리케이션
사람들이 티끌을 사용하기 위해 생각해 온 다양한 방법에 대해 문헌을 조사하면 엄청나게 다양한 아이디어를 찾을 수 있습니다. 다음은 기사 끝에 있는 링크에서 발췌한 컬렉션입니다.
티끌을 고독한 센서로 생각할 수 있습니다. 예를 들어:
- 다리에 티끌을 박을 수 있습니다.콘크리트를 부을 때. 모트에는 콘크리트 내의 염분 농도를 감지할 수 있는 센서가 있을 수 있습니다. 그런 다음 한 달에 한 번 트럭을 운전하여 다리 위로 강력한 자기장을 보내는 다리를 건너게 됩니다. 자기장은 다리의 콘크리트 안에 묻힌 티끌이 전원을 켜고 염 농도를 전달할 수 있도록 합니다. 소금(제빙 또는 바다 스프레이)은 콘크리트를 약화시키고 콘크리트를 강화하는 철근을 부식시킵니다. 염수 센서는 교량 유지 보수 직원이 염분이 얼마나 많은 피해를 입히는지 측정할 수 있도록 합니다. 교량의 콘크리트에 내장된 다른 가능한 센서는 진동, 응력, 온도 변화, 균열 등을 감지할 수 있으며, 이 모두는 유지 보수 담당자가 문제가 심각해지기 훨씬 전에 문제를 발견하는 데 도움이 됩니다.
- 온도, 회전수, 오일 레벨 등 기계의 상태를 모니터링할 수 있는 모트에 센서를 연결하고 모트의 메모리에 기록할 수 있습니다. 그런 다음 트럭이 지나갈 때 모트는 기록된 모든 데이터를 전송할 수 있습니다. 이를 통해 유지보수 담당자가 직접 모든 매개변수를 측정할 필요 없이 기계(예: 유전)에 대한 자세한 유지보수 기록을 유지할 수 있습니다.
- 이웃의 수도 계량기나 전력 계량기에 티끌을 붙일 수 있습니다. 티끌은 고객의 전력 및 물 소비량을 기록합니다. 트럭이 지나가면 티끌이 트럭에서 신호를 받고 데이터를 보냅니다. 이것은 사람이 거리를 운전하여 아주 쉽게 이웃의 모든 미터를 읽을 수 있도록 합니다.
이 모든 아이디어가 좋습니다. 일부는 센서가 이전에 없었던 위치(예: 콘크리트에 내장)로 이동할 수 있도록 하고 다른 일부는 센서를 개별적으로 읽는 데 필요한 시간을 줄입니다.
그러나 mote에 대한 가장 큰 흥분의 대부분은 서로 통신하고 ad hoc 네트워크를 형성 하는 많은 수의 mote를 사용한다는 아이디어에서 비롯 됩니다 .
임시 네트워크
DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 모트 아이디어의 원래 후원자 중 하나였습니다. DARPA를 위해 구현된 초기 모트 아이디어 중 하나는 모트가 전장 상황을 감지할 수 있도록 하는 것입니다.
예를 들어, 지휘관이 원격 지역에서 트럭의 움직임을 감지할 수 있기를 원한다고 상상해 보십시오. 비행기가 그 지역을 날아다니며 수천 개의 티끌을 흩뿌 립니다. 각 티끌에는 자력계, 진동 센서 및 GPS 수신기가 장착되어 있습니다. 배터리로 작동되는 티끌은 대략 30미터(100피트)당 1개의 밀도로 떨어집니다. 각 티끌은 깨어나서 위치를 감지한 다음 무선 신호 를 보내 이웃을 찾습니다.
이 지역의 모든 티끌은 데이터를 수집할 수 있는 거대한 무정형 네트워크를 만듭니다. 데이터는 네트워크를 통해 유입되어 수 마일에 걸쳐 신호를 전송할 수 있는 강력한 무선 장치가 있는 수집 노드에 도달합니다. 적 트럭이 해당 지역을 지나갈 때 이를 감지하는 티끌이 위치와 센서 판독값을 전송합니다. 이웃 티트는 신호가 수집 노드에 도착하여 사령관에게 전송될 때까지 전송을 픽업하여 이웃에게 전달하는 식으로 진행됩니다. 이제 사령관은 화면에 데이터를 표시하고 트럭이 티끌 밭을 따라가는 경로를 실시간으로 볼 수 있습니다. 그런 다음 원격 조종 차량 이 트럭 위로 날아가 적의 것인지 확인하고 폭탄을 떨어뜨려 트럭을 파괴할 수 있습니다.
이 티끌이 대체하는 시스템을 깨닫기 전까지는 해결해야 할 문제가 너무 많아 보일 수 있습니다. 과거에는 지휘관이 트럭이나 부대의 외진 이동을 방지하기 위해 사용했던 도구가 지뢰 였습니다. 군인들은 수천 개의 대트럭 또는 대인지뢰로 그 지역을 묶을 것 입니다. 아군이든 적군이든 이 지역을 통과하는 사람은 모두 폭파됩니다. 물론 또 다른 문제는 분쟁이 끝난 후에도 지뢰가 여전히 활동적이고 치명적이라는 점입니다. 지뢰는 행인의 사지와 생명을 얻기 위해 기다리고 있습니다. 이 유니세프 보고서 에 따르면, 지난 30년 동안 지뢰로 인해 100만 명이 넘는 사람들이 죽거나 불구가 되었으며 그 중 다수는 어린이입니다. 티끌을 사용하면 전쟁 후 남은 것은 작고 완전히 무해한 센서입니다. 티끌은 전력을 거의 소모하지 않기 때문에 배터리는 1~2년 동안 지속됩니다. 그러면 티끌이 조용히 사라지고 근처의 민간인에게 물리적인 위협이 되지 않습니다.
서로 통신하고 데이터를 서로 전달하는 수백 또는 수천 개의 티끌로 구성된 Ad Hoc 네트워크 개념은 매우 강력합니다. 다음은 작동 중인 개념의 몇 가지 예입니다.
- (이전 섹션에서 설명한 대로) 수도 및 전력 계량기를 모니터링하는 티끌이 있는 교외 지역이나 아파트 단지를 상상해 보십시오. 일반적인 이웃의 모든 미터(모트)는 서로 100피트(30미터) 이내에 있으므로 연결된 모트가 그들 사이에 임시 네트워크를 형성할 수 있습니다. 이웃의 한쪽 끝에는 네트워크 연결 또는 휴대 전화 링크가 있는 슈퍼 모트가 있습니다. 이 상상의 동네에서 누군가는 매달 이웃을 통해 트럭을 운전하여 개별 수도 계량기나 전력 계량기를 읽을 필요가 없습니다. 티끌은 데이터를 서로 전달하고 슈퍼 모터는 이를 전송합니다. 측정은 원하는 경우 매시간 또는 매일 수행할 수 있습니다.
- 농부, 포도원 소유주 또는 생태학자는 티끌에 온도, 습도 등을 감지하는 센서를 장착하여 각 티끌을 미니 기상 관측소로 만들 수 있습니다. 들판, 포도원 또는 숲 전체에 흩어져 있는 이 티끌은 미기후를 추적할 수 있습니다.
- 건물 관리자는 사무실 건물 전체의 모든 전선에 티끌을 부착할 수 있습니다. 이 티끌에는 개별 전선의 전력 소비를 감지하고 건물 관리자가 개별 콘센트까지의 전력 소비를 볼 수 있도록 유도 센서가 있습니다. 건물의 전력 소비량이 높은 것 같으면 건물 관리자가 개별 세입자에게 이를 추적할 수 있습니다. 이것은 와이어로 할 수 있지만 티끌을 사용하면 훨씬 저렴할 것입니다.
- 생물학자는 위치, 온도 등을 감지하는 티끌이 포함된 목걸이를 멸종 위기에 처한 동물에게 장착할 수 있습니다. 동물이 이동할 때 티끌은 센서에서 데이터를 수집하고 저장합니다. 동물의 환경에서 생물학자는 데이터 수집 티끌이 있는 구역이나 스트립을 배치할 수 있습니다. 동물이 이 구역 중 하나로 방황하면 옷깃에 있는 티끌이 데이터를 구역의 임시 네트워크에 버리고 생물학자에게 전송합니다.
- 고속도로에 100피트마다 배치되고 교통 흐름을 감지하는 센서가 장착된 티끌은 경찰이 사고로 인해 교통이 멈춘 위치를 인식하는 데 도움이 될 수 있습니다. 전선이 필요 없기 때문에 설치 비용이 비교적 저렴합니다.
전형적인 티끌
MICA mote는 연구원과 개발자가 널리 사용하는 상용 제품입니다. 그것은 티끌의 모든 전형적인 특징을 가지고 있으므로 이 기술이 오늘날 무엇을 가능하게 하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. MICA 티끌은 Crossbow 라는 회사를 통해 일반 대중에게 제공됩니다 . 이 티끌은 두 가지 폼 팩터로 제공됩니다.
- 2.25 x 1.25 x 0.25인치(5.7 x 3.18 x.64센티미터) 크기의 직사각형으로 전원을 공급하는 AA 배터리 2개를 끼울 수 있는 크기입니다.
- 1.0 x 0.25인치(2.5 x 0.64센티미터) 크기의 원형이며 3볼트 버튼 셀 배터리 상단에 맞는 크기입니다.
MICA mote는 4MHz에서 실행되는 Atmel ATmega 128L 프로세서를 사용합니다. 128L은 128KB 온보드 플래시 메모리 가 있는 8비트 마이크로컨트롤러로 모트의 프로그램을 저장합니다. 이 CPU는 원래 IBM PC(1982년경)에 있는 8088 CPU만큼 강력합니다. 가장 큰 차이점은 ATmega가 실행 중일 때 8mA만 소비하고 절전 모드에서 15mA만 소비한다는 것입니다.
이 낮은 전력 소비로 MICA mote는 2개의 AA 배터리로 1년 이상 작동할 수 있습니다. 일반적인 AA 배터리는 약 1,000밀리암페어-시간을 생산할 수 있습니다. 8mA에서 ATmega는 지속적으로 작동하면 약 120시간 동안 작동합니다. 그러나 프로그래머는 일반적으로 CPU가 대부분의 시간 동안 절전 모드에 있도록 코드를 작성하여 배터리 수명을 상당히 연장할 수 있습니다. 예를 들어, 티끌은 10초 동안 잠을 자다가 깨어나서 몇 마이크로초 동안 상태를 확인한 다음 다시 잠자기 상태로 돌아갈 수 있습니다.
MICA mote는 데이터를 저장하기 위한 512KB의 플래시 메모리와 함께 제공됩니다. 또한 센서 데이터를 디지털화할 수 있도록 10비트 A/D 변환기가 있습니다. 도터 카드의 별도 센서를 모트에 연결할 수 있습니다. 사용 가능한 센서에는 온도, 가속도, 빛, 소리 및 자기가 포함됩니다. GPS 신호 와 같은 고급 센서 가 개발 중입니다.
MICA mote의 마지막 구성 요소는 라디오 입니다. 범위는 수백 피트이며 초당 약 40,000비트를 전송할 수 있습니다. 꺼져 있을 때 라디오는 1마이크로암페어 미만을 소비합니다. 데이터를 수신할 때 10mA를 소비합니다. 전송할 때 25mA를 소비합니다. 무선 전력을 절약하는 것은 배터리 수명을 연장하는 열쇠입니다.
이러한 모든 하드웨어 구성 요소는 함께 MICA 모트를 만듭니다. 프로그래머는 티끌을 제어하고 특정 방식으로 작동하도록 하는 소프트웨어를 작성합니다. MICA motes의 소프트웨어 는 TinyOS 라는 운영 체제를 기반으로 합니다 . TinyOS는 라디오 및 전원 관리 시스템을 처리하고 모트용 소프트웨어를 훨씬 쉽게 작성할 수 있도록 해주기 때문에 유용합니다.
미래
2003년 3월, 연구원들은 티끌에 필요한 모든 부품 을 각 면이 3mm 미만인 단일 칩에 쑤셔넣었습니다 . 전체 크기는 약 5제곱밀리미터로, 한 푼에 십여 개 이상의 칩을 넣을 수 있습니다.
이 칩에는 CPU, 메모리, 센서 데이터를 읽기 위한 A/D 변환기 및 무선 송신기와 같은 모트에서 볼 수 있는 모든 구성 요소가 포함되어 있습니다. 패키지를 완성하려면 센서, 배터리 및 안테나를 부착해야 합니다. 양산되면 칩 가격이 1달러도 안 된다. 자세한 내용은 이 페이지 를 참조하십시오.
티끌, 응용 프로그램 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.
