Bezvadu sensora tīkla liešana

Es to iepriekš nezināju, bet augiem ir sekss, saka Kevins Delins. Viņš rāda uz divām milzīgām cikādām, plaukstām līdzīgiem dinozauru laikmeta bēgļiem, kas aug Hantingtonas botāniskā dārza stūrī, kas ir 15 000 retu augu sugu patvērums Sanmarīno, Kalifornijā. Delina nezināšana botānikā ir attaisnojama. Viņš ir inženieris no NASA tuvējās reaktīvo dzinēju laboratorijas, un viņu patiesi interesē nevis cikādes tēviņi un mātītes, bet gan sensoru tīkla pākstis, kas atrodas zemē zem augiem. Katrs pods ir rokas datora lielumā, un tajā ir procesors, akumulators, saules baterija, radio, atmiņa un sensori, lai uzraudzītu siltumu, mitrumu un augsnes mitrumu. Pākstis ir dārza kuratoru surogāta acis, ausis un pat smadzenes, kas seko līdzi tam, cik daudz saules gaismas un lietus augi kļūst par būtiskākajiem faktoriem cikādēm, kuru vairošanai nepieciešami īpaši apstākļi.

Sensori nav nekas jauns. Piemēram, automašīna izmanto desmitiem to, lai uzraudzītu tādus faktorus kā dzinēja stāvoklis. Taču sensori mūsdienu automašīnās, rūpnīcās un biroju ēkās lielākoties ir mēmi. Viņiem trūkst saprāta, lai analizētu savus atklājumus vai rīkotos saskaņā ar tiem; tā vietā viņi nosūta mērījumus atpakaļ uz centrālo procesoru. Lielākā daļa strāvas sensoru ir arī iestrēguši vietā, un jebkurai kustībai ir nepieciešama dārga pārslēgšana. Delina pākstis ir atšķirīgas. Viņi sarunājas bezvadu režīmā savā starpā un ar 18 citām dārza pākstīm, veidojot savu viedo tīklu. Ik pēc dažām minūtēm pākstis atjaunina viena otru par saviem jaunākajiem rādījumiem, kopā apstrādā informāciju, veidojot kopējo temperatūras un augsnes apstākļu attēlu, un nosūta šo analīzi kuratoriem. Tas ir tā, it kā autonoms, ļoti informēts dators būtu izkliedēts 40 hektārus ainavas.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2003. gada jūlija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tas viss ir saistīts ar globālo zināšanu sintezēšanu no neapstrādātiem datiem, saka Delins. Viņa pākstis paredzēja nākotni, kurā viedie sensori iesūc milzīgu daudzumu svarīgu datu, piemēram, mehānisku spriedzi uz tilta sijām vai ienaidnieka karavānas dārdoņu bezmēness tuksneša naktī, kas pašlaik netiek reģistrēti. Bezvadu un ar akumulatoru darbināmiem sensoriem varēs piekļūt attālināti, un tie tiks novietoti vietās, kur būtu nepraktiski savienot datus un elektropārvades līnijas. Mazi un lēti tie būs plaši izplatīti un izvietoti cieši, radot smalkus attēlus par tādām parādībām kā klimats, kas pašlaik tiek kartētas tikai lielā mērogā. Un tā kā viņi rīkosies sadarbojoties, organizējot sevi un daloties aprēķinos visā tīklā, viņi nodrošinās cilvēkiem izmantojamas iepriekš sagremotas informācijas daļas, nevis mulsinošu skaitļu mazgāšanu.

Patiešām, bezvadu sensoru tīkli ir viens no pirmajiem reālās pasaules plaši izplatītās skaitļošanas piemēriem, uzskatot, ka mazas, viedas un lētas sensoru un skaitļošanas ierīces galu galā iegūs vidi. Šis jēdziens informācijas tehnoloģiju aprindās ir izplatīts vairāk nekā desmit gadus. Taču tagad, pēc vairāku gadu ilgām investīcijām pētniecībā, ko veic ASV Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra, Nacionālais zinātnes fonds un daži augsto tehnoloģiju giganti, piemēram, Intel, rodas aparatūra un programmatūra, kas ir būtiska visaptverošai skaitļošanai.

Lai gan tehnoloģija joprojām ir agrīnā stadijā, iespējamo lietojumu klāsts ir prātam neaptverams ( skat Potenciāla sajūta ). Intel un Kalifornijas Universitātes Bērklijā zinātnieki ir izstrādājuši bezvadu peidžera izmēra šasiju, ko var pielāgot ar dažāda veida sensoriem. Pētnieki izmanto ierīces, lai izsekotu mikroklimatu un kaitēkļus vīna dārzos, uzraudzītu reto jūras putnu ligzdošanas paradumus un kontrolētu apkures un ventilācijas sistēmas. Un 600 kilometrus tālāk Kalifornijas Universitātē Losandželosā citi pētnieki izvieto bezvadu sensorus, lai iegūtu detalizētus seismisko viļņu ietekmes mērījumus uz ēkām. Vēl citi strādā pie veidiem, kā ļaut uzņēmumiem uzraudzīt un kontrolēt savas darba telpas, sākot no vietējiem birojiem un beidzot ar montāžas līnijām puskontinenta attālumā. Pieteikumi ir visur , saka Deivids Kalers, vadošais tīkla sensoru pētnieks UC Berkeley.

Daudzi uzskata, ka tā ir tehnoloģija, kas varētu izrādīties tikpat svarīga kā internets: tāpat kā internets ļauj datoriem piekļūt digitālajai informācijai neatkarīgi no tā, kur tā tiek glabāta, sensoru tīkli paplašinās cilvēku iespējas attālināti mijiedarboties ar fizisko pasauli. Culler sauc ierīces par jaunu datorsistēmu klasi, kas atšķiras no pagātnes aparatūras ar to visuresamību un kolektīvajām analītiskajām prasmēm. Viņš prognozē, ka šīs desmitgades laikā izkliedētā uztveršana un skaitļošana iezagsies katrā mājā, ēkā, birojā, rūpnīcā, automašīnā, ielā un fermā.

Nav pārsteidzoši, ka pirms tam ir daudz izaicinājumu. Daudzos veidos bezvadu sensoru tīkli ir tikpat tālu kā internets 1970. gados, kad tīkls savienoja mazāk nekā 200 universitātes un militārās laboratorijas, un pētnieki joprojām eksperimentēja ar sakaru protokoliem un adrešu shēmām. Mūsdienās lielākā daļa bezvadu sensoru tīklu savieno mazāk nekā 100 punktus vai mezglus; vairāk un saziņas līnijas kļūst tik sapinušās, ka pārtrūkst. Vidējā mezgla izmaksas ir tuvu 100 USD, savukārt akumulatora darbības laiks labākajā gadījumā tiek mērīts mēnešos. Un neviens nav īsti pārliecināts, kāda lietojumprogramma pārveidos tehnoloģiju komerciālā labā. Ikviens un viņu tante un onkulis ir ieinteresēti, saka Debora Estrina, UCLA Embedded Networked Sensing centra direktore. Taču ir grūti atrast biznesa modeli.

Pētnieki saka, ka neviena no šīm problēmām, visticamāk, nav pārmērīga. Daži bezvadu sensori jau ir pieejami tirgū, un produkti ar intriģējošām jaunām iespējām varētu būt pieejami dažu gadu laikā. Sensoria Sandjego, piemēram, izstrādā sensorus, kas varētu pārvērst automašīnas par ceļojošiem mezgliem pilsētas bezvadu tīklos, ļaujot transportlīdzekļu grupām automātiski apkopot reāllaika attēlus no vietējās satiksmes vai dalīties sakaru pienākumos, piekļūstot informācijai par vietējiem galamērķiem. Viljams Kaizers, UCLA elektroinženieris un Sensoria dibinātājs, apgalvo: Internets mainīja veidu, kā mēs strādājam ar datoriem. Tas mainīs mūsu ikdienas dzīvesveidu.

Atvienošanas nozare

Atgriežoties Hantingtonas dārzos, Delins ieiet konferenču telpā ar alumīnija portfeli — tādu, kādu televīzijā izmanto valdības aģenti, lai nēsātu līdzi īpaši slepenus sīkrīkus. Viņš izņem četrus savus jaunākos sensoru blokus un noņem vāku vienam; apakšā ir shēmas plates, kas satur podiņa iekšas, tostarp mikroprocesors un radio raiduztvērējs, kas ļauj tam sazināties ar saviem pavadoņiem. Viņš izklāj pākstis pa istabu, un dažu sekunžu laikā tie atrod viens otru un paši organizējas bezvadu tīklā, kas cita starpā uzrauga temperatūru un mitrumu. Netālu esošais pods, lai gan jebkurš no tiem pārsūtītu informāciju no tīkla uz Delin klēpjdatoru, lai to parādītu. Lai parādītu, kā tīkls reaģē uz vidi, Delin atvieno vienu no ierīcēm. Klēpjdatora ekrānā ir redzami atlikušie bloki, kas kompensē datus, novirzot datus ap trūkstošo aplikatoru. Viņš piestiprina elektrisko ventilatoru pie vienas pāksts, pēc tam tur otru podiņu rokā; tīkls nosaka Delina ķermeņa siltumu un ieslēdz ventilatoru.

Delins skaidro, ka podiņu spēja sazināties pa radio nozīmē, ka tās var būt izkaisītas vietās, kur nesasniedz tālruņa un elektropārvades līnijas, un pārvietot pēc vēlēšanās. Bet, lai nodrošinātu datu plūsmu, mezgliem automātiski jāatrod kaimiņi un jāiestata radio savienojumi. Šie savienojumi var strauji mainīties, saka Delins, tāpēc datu koplietošana tīklā ir žonglēšana. Programmatūra, kas darbojas visās podiņos, koordinē, kura no tām sarunājas savā starpā un kad. Sensoru mezgli klausās viens otru un iestata datu kopīgošanas laikus, savukārt tīkla pulkstenis nodrošina mezglu sinhronizāciju. Tīkls drīzāk atgādina tīklu, nevis centrmezglu un spieķu izvietojumu, ko izmanto mobilajiem tālruņiem; tā vietā, lai katru sensoru tieši savienotu ar centrālo sakaru punktu, mezgli sūta datus tikai kaimiņiem radio diapazonā, taupot enerģiju.

Tas izklausās sarežģīti, un tā arī ir. Taču decentralizēti bezvadu tīkli, piemēram, Delin's, jau ir rentabli smagajai rūpniecībai: Ember Bostonā, MA, ir pārdevis līdzīgu tehnoloģiju klientiem, kuri ir neapmierināti ar parastajiem vadu sensoriem to ražošanā vai apkures un ventilācijas iekārtās. Viens klients savā attīrīšanas iekārtā, kur nafta un gāze tiek atdalīta no notekūdeņiem, izklāja caurules ar dārgiem vadu temperatūras sensoriem, kas piestiprināti pie sildītājiem, kas neļauj iekšā esošajam šķidrumam kļūt pārāk biezam. Ja sensors nedarbosies nepareizi, tvertne varētu uzsprāgt, liekot rūpnīcai slēgt, maksājot 100 000 USD stundā, saka Roberts Pūrs, Ember līdzdibinātājs un galvenais tehnoloģiju speciālists. Izmantojot bezvadu tīklu, par pieņemamu cenu var uzstādīt vairāk sensoru, kas nodrošina dublēšanu un sniedz ticamāku informāciju. Silīcijs ir lēts. Elektroinstalācijas nav, saka Poor. (Vairāk par Poor’s domām par tehnoloģiju skatiet Pasaules sensori, apvienojieties!).

Tomēr vairākas atlikušās problēmas kavē tehnoloģiju plašu komerciālu izmantošanu. Pirmais ir tā lielais enerģijas patēriņš. Jo īpaši periodiska saruna starp mezgliem ir akumulatora iztukšošanās. Katrs pārraidītais bits sensora mezglu pietuvina mirkli, saka Gregs Potijs, Sensoria līdzdibinātājs.

Saistīta problēma ir tā, ka sensoru mezglu radioaparātiem ir ierobežots diapazons, parasti desmitiem metru. Tātad, lai izveidotu tīklus lielākai telpai, piemēram, lielai rūpnīcai, ir nepieciešams daudz mezglu. Daudzi mezgli, kas sūta daudz datu, rada iespējas lokalizētiem kļūmēm, kas var atstāt tīkla daļas izolētas, saka Riks Kriss, Sandjego bāzētās Xsilogy izpilddirektors. Nav tādas lietas kā uzticams tīkls, ja vien jūs neveicat ļoti agresīvu tīkla pārvaldību, saka Kriss. Tātad Xsilogy mezgli periodiski pārraida savu statusu, ļaujot tīklam zināt, vai to baterijas ir zemas vai to uztveršana izzūd. Tad tīkls var kompensēt, maršrutējot ap atteices punktiem un brīdinot lietotāju par gaidāmajām problēmām.

Bet ir vēl viena problēma, kuru ir grūtāk novērst, un tā ir cena. Procesā, kas ir gluži pretējs masveida ražošanai, lielākā daļa sensoru tīklu ražotāju joprojām ar rokām bruģē kopā nopērkamās daļas, palielinot katra mezgla izmaksas diapazonā no 80 līdz 100 USD. Šai cenai ir jāsamazinās zem 20 USD, lai sensoru tīkli sāktu komerciāli pacelties, saka Deivids Tenenhauss, Intel pētniecības direktors.

Standartizācija varētu palīdzēt. Atklāti standarti un daudzas neieinteresētas grupas, kas pārbauda konkurējošas pieejas, pilnībā ietekmēs vai sabojās, vai tas tiks plaši izmantots, saka UC Berkeley's Culler. Taču, tā kā daudzi uzņēmumi un universitātes laboratorijas izstrādā savus prototipus, bezvadu sensoru un tīkla protokolu dizaina standarti tikai sāk parādīties. Vienu potenciāli dominējošo dizainu sauc par mote; tās operētājsistēmu TinyOS izstrādāja Culler grupa Bērklijā, un tā tiek tālāk pilnveidota Intel un Crossbow Technology Sanhosē, Kalifornijā. Berkeley motes, kuras ir pārbaudījušas simtiem pētniecības grupu visā pasaulē, ir mazākas un patērē mazāk enerģijas nekā vairums komerciālo bezvadu sensoru. Kompromiss ir tāds, ka viņi nevar apstrādāt tik daudz datu. Taču daudzi pētnieki apgalvo, ka viņu pielāgošanās spējas — gaismas, skaņas, temperatūras vai kustības sensorus ir viegli piefiksēt — padara tos par tīkla sensoru pasaules ekvivalentu Windows datoram.

Faktiski iespējamā bezvadu sensoru platformas izvēle varētu būt tikpat nozīmīga kā Windows kā dominējošās patērētāju operētājsistēmas parādīšanās vai pat, viena eksperta skatījumā, kā elektroenerģijas standartizācija. Tā ir līdzīga vēsturiskajai cīņai starp maiņstrāvu un līdzstrāvu, saka Lerijs Smars, Kalifornijas Telekomunikāciju un informācijas tehnoloģiju institūta direktors Sandjego. Kamēr nebija visuresošs uzvarētājs, elektrisko ierīču nozare nevarēja pacelties.

Skaldi un iekaro

It kā gatavi pacelties gaisā, 50 nepāra tauriņa lieluma plankumi pielīp pie Deboras Estrinas laboratorijas griestiem un sienām UCLA, uzraugot temperatūru, gaismu un kustību. Citi guļ izjaukti uz galddatoriem un soliem. Dažām motejām pat ir riteņi; viņi ripojas pa grīdu sava dzinēja vadīti, trenējoties vienu dienu, kad viņi pārvietojas, lai atrastu vislabāko radio uztveršanu vai piegādātu akumulatoru uzlādējamam kaimiņam. Šeit ir savienojamības attēls, saka Estrins, turot papīra lapu ar nesaprotamu līniju mudžekli uz tās. Tas izskatās kā spageti plāksne: saziņas ceļu skaits eksplodē, jo tiek pievienoti vairāk mezglu, padarot tīklu arvien vairāk pakļauti avārijām.

Risinājums, kas tiek pārbaudīts Estrin laboratorijā: sadali un valdi. Padomājiet par to kā par lielu vakariņu organizēšanu, viņa saka. Nozīmīgas sarunas nevar notikt, ja cilvēki pārmaiņus nerunā un neklausās. Un augsta līmeņa komunikācija ir visefektīvākā, ja cilvēki organizējas klasteros un izvēlas personu, kas runā katras kopas vārdā. Tāpēc mezgli paši grupējas un pielāgojas lidojuma laikā, mainot klasterus oportūnistiski, lai optimizētu gan enerģijas patēriņu, gan informācijas plūsmu caur tīklu.

Nākamais izaicinājums ir vienkārši virzīt datu plūdus. Ideja ir ievietot apstrādi katrā mezglā, ļaujot tam apkopot neapstrādātos datus modeļos un nodot mazāk bitu, nekā tas saņēma. Piemēram, plankumi virs Estrinas galvas varētu sekot viņas kustībām un brīdināt savus kaimiņus, kuri nosaka viņa staigāšanas virzienu un pārraida tikai šo informāciju, nevis visu viņas kustību ierakstu, uz mātes mezgla datubāzi. Šis mezgls var ieteikt izslēgt apgaismojumu, piemēram, ja tas nolemj, ka Estrin ir atstājis telpu un klāt nav citu cilvēku. Estrin saka, ka datu apstrāde pamazām visā tīklā ir pirmais solis ceļā uz sistēmas programmēšanu, lai palīdzētu pieņemt saprātīgus lēmumus. Tas arī ietaupa dārgo akumulatora enerģiju.

Lai sensoru tīkls būtu patiesi noderīgs, tas lietotājiem sūta tikai interesantu notikumu analīzi, nevis pašus neapstrādātos bitus. Cilvēki vēlas atbildes, nevis skaitļus, norāda Stīvens Glasers, UC Berkeley civilās un vides inženierijas profesors, kura grupa seismiskās aktivitātes pētīšanai izmanto sensoru tīklus.

Viena no atbildēm, ko vēlas inženieri un seismologi, piemēram, Glasers: kā zemestrīces ietekmē atsevišķas ēku sastāvdaļas un kā struktūras reaģē uz zemestrīces stipruma vietējām izmaiņām? UCLA komanda, kuru vada ģeofiziķis un Estrinas centra galvenais pētnieks Pols Deiviss, visā universitātes pilsētiņā izvieto 50 mezglu seismisko sensoru masīvu, lai mēģinātu uzzināt daļu no atbildes. Pirmais solis ir tikai uzkrāt datus, kas ierakstīti no zemes ar 100 metru intervālu — daudz augstāka izšķirtspēja nekā tā, ko nodrošina pašreizējie seismiskie sensori, kas atrodas kilometru attālumā viens no otra, saka Deiviss. Pēc tam pētnieki salīdzinās zemes satricinājumu ar vibrācijām, kas vienlaikus tika izmērītas universitātes pilsētiņas ēkā, ko pieslēdzis ASV Ģeoloģijas dienests pēc 1994. gada zemestrīces Northridge, Kalifornijā.

Seismiskā sensācija

UCLA pētnieki izvieto 50 mezglu sensoru tīklu, lai uzraudzītu seismisko aktivitāti smalkākā mērogā nekā jebkad agrāk. Šajā UCLA universitātes pilsētiņas kartē ir izvietotas zemes vibrācijas sensoru (zvaigžņu) atrašanās vietas, kas atrodas 100 metru attālumā viena no otras.

Mērķis ir izstrādāt modeli, kā smalka mēroga seismiskā aktivitāte ietekmē dažādas struktūras. Šāds modelis, kas ieprogrammēts pārnēsājamos sensoru tīklos, kurus varētu īslaicīgi izvietot pilsētas apkaimēs, varētu palīdzēt pilsētplānotājiem uzzināt, kur ģeoloģiskie apstākļi mēdz palielināt zemestrīces un kā padarīt ēkas šajās vietās drošākas. Nākotnē sensori, kas novietoti defektu līniju tuvumā, varētu pat noteikt tuvojošos seismiskos viļņus un izraisīt trauksmes signālus, dodot ēkas iemītniekiem vērtīgas sekundes, lai nokļūtu drošākās zonās. Bet, Deiviss saka, tas ir zilas debess lietas.

Google fiziskajai pasaulei

Gudrs, autonoms un pašapzinīgs: tas ir sensoru tīklu galvenais redzējums. Daudzējādā ziņā tas ir zilas debesis. Taču divi nozares projekti sniedz ieskatu tīklā savienotā nākotnē.

Pastāv briesmas, ka piekļuve sensoru tīklu savāktajiem datiem būs kā dzeršana no ugunsdzēsības šļūtenes, tikai vēl sliktāk, saka Fengs Džao, Kalifornijas Palo Alto pētniecības centra iegultās sadarbības skaitļošanas pētniecības apgabala vadītājs. Citiem vārdiem sakot, pārņemts ar pārāk daudz datu var būt tikpat paralizējošs kā nepietiekamība. Tā ir dilemma, ko ikviens, kas izmanto tīmekli, labi apzinās. Un, saka Zhao, risinājums sensoru tīkliem var būt līdzīgs. Cenšoties izveidot lietotājam draudzīgas saskarnes sensoru tīkliem, Zhao grupa eksperimentē ar jaunu meklētājprogrammu veidu, ko viņš raksturo kā Google fiziskajai pasaulei.

Iedomājieties, Džao skaidro, piesakoties internetā un ierakstot: Vai manam zālienam ir nepieciešams vairāk ūdens? Tīkls pārvērš jautājumu par standartizētu datu bāzes vaicājumu, pārbaudīs jūsu mājas mitruma sensoru skaitļus un nosūtīs atpakaļ atbildi, jā vai nē. Līdzīgas piegādes ķēdes pārvaldības un drošības sistēmas varētu būt pieejamas piecu līdz septiņu gadu laikā, saka Džao. Noliktavās vadītāji varēja pārbaudīt plauktos uzstādītos sensorus par krājumu tendencēm, savukārt apsargi drošās telpās varētu ieprogrammēt viedos kustības sensoru tīklus, lai tie signalizētu, pamanot aizdomīgus kustības modeļus.

Galu galā sensoru tīkli var pat šķist dzīvi. ASV armijas bāzē Fortleonardvudā, MO, šā gada aprīlī Sensoria inženieri demonstrēja satraucoši sevi apzinošu sistēmu, kas fiziski pārkārtojas, reaģējot uz mainīgajiem apstākļiem. Kamēr to vēroja 80 skatītāji, kaujas tanks M1-A1 Abrams dārdēja pa lauku, kura priekšpusē bija piestiprināts arkls, izmetot taku cauri neapbruņotu, 12 centimetru diametra mīnu biezoknim. Pēc tam, kad tanks saspieda apmēram pusduci mīnu un devās ceļā, atlikušās mīnas pārdalījās, lai aizpildītu tukšumu aiz tanka lēkāšanas pa gaisu ar petaržu sprādzieniem, kas izplūst no sīkiem raķešu pastiprinātājiem.

Raktuves paveica šo varoņdarbu, izstarojot un klausoties akustiskos impulsus, kas palīdzēja viņiem noteikt kaimiņu atrašanās vietu dažu centimetru rādiusā, saka Kaisers. Traucējumi tīklā mudina raktuves noskaidrot, kuri kaimiņi ir pārvietoti vai iznīcināti, un aprēķināt, kā pašiem pārdalīties. Reālā kaujas laukā šādas viedās mīnas varētu pieveikt ienaidnieka mīnu atmīnēšanas centienus vai pat izkļūt no ceļa draudzīgiem spēkiem un pēc tam atjaunot aizsardzību aiz tiem.

Neskatoties uz tik dramatiskām bezvadu sensoru tīklu jaudas demonstrācijām, ir grūti paredzēt, vai aizsardzība, ražošana vai kāda vēl nezināma joma būs viņu slepkavas lietotnes saimniekdators. Tas ir kā personālie datori astoņdesmito gadu sākumā. Cilvēki domāja, ka tos galvenokārt izmantos čeku grāmatiņu līdzsvarošanai, saka Delins. Runājot par tuvākā laika komerciālo tirgu, tas kādu laiku būs ļoti nekārtīgs vide, kurā būs daudz iespēju jaunpienācējiem, prognozē Ember’s Poor. Tas ir tāpēc, ka potenciālās lietojumprogrammas ir mums visapkārt — no mūsu vides var iegūt noderīgu informāciju jebkurā vietā. Ja mūsdienu pētījumi tiek pārvērsti par lētiem, triecienizturīgiem izstrādājumiem, tas var nozīmēt tikai virtuālās pasaules un fiziskās pasaules saplūšanu. Tas notiks, saka Džao. Jautājums ir, cik drīz?

paslēpties