Возможно, вы слышали о вычислительной концепции, известной как пылинки . Эту концепцию также называют умными сетями обнаружения пыли и беспроводными датчиками . В какой-то момент почти в каждом сегодняшнем выпуске Popular Science , Discover и Wired появляется реклама о каком-то новом применении идеи пылинки. Например, военные планируют использовать их для сбора информации о полях сражений, а инженеры планируют смешивать их с бетоном и использовать для внутреннего контроля состояния зданий и мостов .
Существуют тысячи различных способов использования пылинок, и по мере того, как люди знакомятся с концепцией, они придумывают еще больше. Это совершенно новая парадигма распределенного восприятия, открывающая новый увлекательный взгляд на компьютеры.
В этой статье у вас будет возможность понять, как работают пылинки, и увидеть множество возможных применений этой технологии. Затем мы рассмотрим соринку MICA — существующую технологию, которую вы можете купить, чтобы поэкспериментировать с этим уникальным способом восприятия мира.
- Основная мысль
- Типичные области применения
- Специальные сети
- Типичная пылинка
- Будущее
Основная мысль
Концепция «пылинки» создает новый способ мышления о компьютерах, но основная идея довольно проста:
- Ядром мота является небольшой недорогой маломощный компьютер .
- Компьютер контролирует один или несколько датчиков . Легко представить всевозможные датчики, в том числе датчики температуры, света, звука, положения, ускорения, вибрации, напряжения, веса, давления, влажности и т. д. Не для всех удаленных приложений требуются датчики, но приложения для датчиков очень распространены.
- Компьютер соединяется с внешним миром по радиоканалу . Наиболее распространенные радиоканалы позволяют моту передавать данные на расстояние примерно от 10 до 200 футов (от 3 до 61 метра). Энергопотребление, размер и стоимость являются препятствиями для больших расстояний. Поскольку основной концепцией мотов является крошечный размер (и связанная с этим крошечная стоимость), маленькие и маломощные радиоприемники являются нормальными.
Motes могут либо работать от батарей , либо подключаться к электросети в определенных приложениях. Поскольку пылинки уменьшаются в размерах и потребляемой мощности, можно представить себе солнечную энергию или даже что-то экзотическое, например , энергию вибрации , чтобы поддерживать их работу.
Все эти части упакованы вместе в наименьший возможный контейнер. В будущем люди воображают, что пылинки уменьшаются, чтобы поместиться во что-то со стороной всего в несколько миллиметров. Сегодня пылинки, включая батареи и антенны, чаще всего имеют размер стопки из пяти или шести четвертаков или размером с пачку сигарет. Аккумулятор, как правило, сейчас самая большая часть упаковки. Текущие мотыльки оптом могут стоить что-то порядка 25 долларов, но цены падают.
Трудно представить себе что-то столь же маленькое и безобидное, как пылинка, вызвавшая революцию, но именно это они и сделали. В следующем разделе мы рассмотрим ряд возможных приложений.
Типичные области применения
Если вы изучите литературу, посвященную различным способам использования соринок, придуманных людьми, вы найдете огромное количество идей. Вот коллекция, взятая из ссылок в конце статьи.
Можно думать о соринках как об одиноких датчиках. Например:
- Вы можете вставлять пылинки в мостыкогда заливаешь бетон. На пылинке может быть датчик, который может определять концентрацию соли в бетоне. Затем раз в месяц по мосту можно было проехать на грузовике, который посылает на мост мощное магнитное поле. Магнитное поле позволит пылинкам, зарытым в бетоне моста, включаться и передавать концентрацию соли. Соль (возможно, из-за антиобледенения или брызг океана) ослабляет бетон и разъедает стальную арматуру, укрепляющую бетон. Датчики соли позволят обслуживающему персоналу моста оценить, какой ущерб наносит соль. Другие возможные датчики, встроенные в бетон моста, могут обнаруживать вибрацию, напряжение, перепады температуры, растрескивание и т. д. Все это поможет обслуживающему персоналу выявлять проблемы задолго до того, как они станут критическими.
- Вы можете подключить к пылинке датчики, которые будут отслеживать состояние оборудования — температуру, количество оборотов, уровень масла и т. д., и регистрировать это в памяти пылинки. Затем, когда мимо проезжает грузовик, мот может передавать все зарегистрированные данные. Это позволит вести подробные записи о техническом обслуживании оборудования (например, на нефтяном месторождении), без необходимости самостоятельного измерения обслуживающим персоналом всех этих параметров.
- Вы можете прикрепить пылинки к счетчикам воды или электроэнергии в районе. Моты будут регистрировать потребление энергии и воды для клиента. Когда мимо проезжает грузовик, пылинки получают сигнал от грузовика и отправляют свои данные. Это позволило бы человеку очень легко считывать показания всех счетчиков в районе, просто проезжая по улице.
Все эти идеи хороши; некоторые позволяют датчикам перемещаться в места, где их раньше не было (например, встроенные в бетон), а другие сокращают время, необходимое для считывания датчиков по отдельности.
Однако наибольший интерес к мотам вызывает идея использования большого количества мотов, которые взаимодействуют друг с другом и образуют специальные сети .
Специальные сети
Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) было одним из первых покровителей этой идеи. Одна из первоначальных идей пылинок, реализованных для DARPA, позволяет пылинкам ощущать условия поля боя.
Например, представьте, что командир хочет иметь возможность обнаруживать движение грузовика в отдаленном районе. Самолет пролетает над местностью и разбрасывает тысячи пылинок, каждая из которых оснащена магнитометром, датчиком вибрации и GPS-приемником . Пылинки с батарейным питанием падают с плотностью одна каждые 100 футов (30 метров) или около того. Каждая пылинка просыпается, определяет свое положение, а затем посылает радиосигнал, чтобы найти своих соседей.
Все пылинки в этом районе создают гигантскую аморфную сеть, которая может собирать данные. Данные проходят через сеть и поступают в узел сбора, который оснащен мощным радиомодулем, способным передавать сигнал на многие мили. Когда по территории проезжает вражеский грузовик, пылинки, обнаружившие его, передают свое местоположение и показания датчиков. Соседние моты подхватывают передачи и пересылают их своим соседям и так далее, пока сигналы не поступят на узел сбора и не будут переданы командиру. Командир теперь может отображать данные на экране и видеть в режиме реального времени траекторию движения грузовика через поле пылинок. Затем над грузовиком может пролететь дистанционно управляемый автомобиль , убедиться, что он принадлежит врагу, и сбросить бомбу, чтобы уничтожить его.
Это может показаться ужасной проблемой, пока вы не осознаете систему, которую заменяют эти пылинки. В прошлом инструментом, который командир использовал для предотвращения движения грузовиков или войск через отдаленные районы, были противопехотные мины . Солдаты усеяли территорию тысячами противотанковых и противопехотных мин . Любой, кто передвигается по территории, будь то друг или враг, взрывается. Еще одна проблема, конечно, заключается в том, что еще долгое время после окончания конфликта мины все еще активны и смертоносны, они подстерегают, чтобы забрать конечности и даже жизни любого прохожего. Согласно этому отчету ЮНИСЕФ, за последние 30 лет наземные мины убили или покалечили более 1 миллиона человек, многие из которых дети. Что касается пылинок, то после войны остаются крошечные, совершенно безвредные датчики. Поскольку пылинки потребляют так мало энергии, батарейки хватит на год или два. Тогда пылинки просто замолчали, не представляя физической угрозы для находящихся поблизости мирных жителей.
Эта концепция одноранговых сетей, образованных сотнями или тысячами мотов, которые взаимодействуют друг с другом и передают данные от одного к другому, чрезвычайно эффективна. Вот несколько примеров концепции в действии:
- Представьте себе пригородный район или жилой комплекс с мотами, которые контролируют счетчики воды и электроэнергии (как описано в предыдущем разделе). Поскольку все метры (и моты) в типичном районе находятся в пределах 100 футов (30 метров) друг от друга, присоединенные моты могут образовывать между собой специальную сеть. На одном конце квартала находится супермот с сетевым подключением или связью с сотовым телефоном. В этом воображаемом районе кому-то не нужно каждый месяц проезжать через район на грузовике, чтобы снять показания с отдельных счетчиков воды или электроэнергии — пылинки передают данные от одного к другому, а супер-мот передает их. Измерение может происходить ежечасно или ежедневно, если это необходимо.
- Фермер, владелец виноградника или эколог может оснастить пылинки датчиками, определяющими температуру, влажность и т. д., превратив каждую пылинку в мини-метеостанцию. Разбросанные по полю, винограднику или лесу, эти пылинки позволили бы отслеживать микроклимат.
- Управляющий зданием может прикрепить пылинки к каждому электрическому проводу в офисном здании. Эти пылинки будут иметь индукционные датчики для определения энергопотребления на этом отдельном проводе и позволят управляющему зданием видеть энергопотребление вплоть до отдельной розетки. Если энергопотребление в здании кажется высоким, управляющий зданием может отследить его до отдельного жильца. Хотя это можно было бы сделать с помощью проводов, с пылинками это было бы намного дешевле.
- Биолог мог бы снабдить вымирающее животное ошейником, содержащим пылинку, которая определяет положение, температуру и т. д. Когда животное перемещается, пылинка собирает и сохраняет данные с датчиков. В среде животного биологи могли размещать зоны или полосы с пылинками для сбора данных. Когда животное попадает в одну из этих зон, пылинка в ошейнике сбрасывает свои данные в специальную сеть в этой зоне, которая затем передает их биологу.
- Мотыльки, размещенные через каждые 100 футов на шоссе и оснащенные датчиками для обнаружения транспортного потока, могут помочь полиции определить, где авария остановила движение. Поскольку провода не нужны, стоимость установки будет относительно низкой.
Типичная пылинка
MICA Mote — это коммерчески доступный продукт, который широко используется исследователями и разработчиками. Он обладает всеми типичными характеристиками пылинки и, следовательно, может помочь вам понять, что эта технология делает возможным сегодня. Частицы MICA доступны широкой публике через компанию Crossbow . Эти пылинки бывают двух форм-факторов:
- Прямоугольный, размером 2,25 х 1,25 х 0,25 дюйма (5,7 х 3,18 х 64 см), он рассчитан на две батарейки типа АА, которые питают его.
- Круглый, размером 1,0 на 0,25 дюйма (2,5 x 0,64 сантиметра), он рассчитан на то, чтобы поместиться сверху 3-вольтовой батарейки-таблетки.
В MOTE используется процессор Atmel ATmega 128L, работающий на частоте 4 мегагерца. 128L — это 8-битный микроконтроллер со 128 килобайтами встроенной флэш-памяти для хранения программы мота. Этот ЦП примерно такой же мощный, как ЦП 8088, установленный в оригинальном IBM PC (около 1982 г.). Большая разница в том, что ATmega потребляет всего 8 миллиампер во время работы и всего 15 микроампер в спящем режиме.
Это низкое энергопотребление позволяет MICA работать более года с двумя батареями AA. Типичная батарея типа АА может производить около 1000 миллиампер-часов. При 8 миллиамперах ATmega проработает около 120 часов, если будет работать постоянно. Однако программист обычно пишет свой код так, чтобы ЦП большую часть времени спал, что позволяет значительно продлить срок службы батареи. Например, мот может заснуть на 10 секунд, проснуться и проверить состояние на несколько микросекунд, а затем вернуться в спящий режим.
Моты MICA поставляются с 512 килобайтами флэш-памяти для хранения данных. Они также имеют 10-битный аналого-цифровой преобразователь, позволяющий оцифровывать данные датчика. Отдельные датчики на дочерней плате могут подключаться к моту. Доступны датчики температуры, ускорения, света, звука и магнитные. Усовершенствованные датчики для таких вещей, как сигналы GPS , находятся в стадии разработки.
Последним компонентом мота MICA является радио . Он имеет диапазон в несколько сотен футов и может передавать примерно 40 000 бит в секунду. В выключенном состоянии магнитола потребляет менее одного микроампера. При приеме данных потребляет 10 миллиампер. При передаче потребляет 25 миллиампер. Экономия мощности радиомодуля является ключом к длительному сроку службы батареи.
Все эти аппаратные компоненты вместе создают узел MICA. Программист пишет программное обеспечение для управления мотом и заставляет его работать определенным образом. Программное обеспечение на узлах MICA построено на операционной системе TinyOS . TinyOS полезна, потому что она имеет дело с системами управления радио и питанием и значительно упрощает написание программного обеспечения для мота.
Будущее
В марте 2003 года исследователям удалось втиснуть все детали, необходимые для соринки, на один чип размером менее 3 миллиметров с каждой стороны . Общий размер составляет около 5 квадратных миллиметров, а это означает, что на копейку можно уместить более десятка таких чипов.
Чип содержит все компоненты, присутствующие в пылинке: процессор, память, аналого-цифровой преобразователь для считывания данных датчиков и радиопередатчик. Чтобы завершить комплект, вы прикрепляете датчик(и), аккумулятор и антенну. Стоимость чипа будет меньше доллара при его массовом производстве. Подробнее см. на этой странице .
Для получения дополнительной информации о пылинках, их применении и смежных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.
Много дополнительной информации
Статьи по Теме
- Как работают операционные системы
- Как работает память компьютера
- Как работает флэш-память
- Как работает оперативная память
- Как работает ПЗУ
- Как работает виртуальная память
- Как работают биты и байты
- Как работают микропроцессоры
- Как работают микроконтроллеры
- Как работает радио
Больше отличных ссылок
- Проекты NEST в Беркли
- Крупномасштабная демонстрация самоорганизующихся беспроводных сенсорных сетей
- Делаем вина лучше с помощью беспроводной связи
- Умные здания признают свои ошибки
- Отслеживание транспортных средств с помощью сенсорной сети, доставляемой БПЛА
