Zarzucanie bezprzewodowej sieci czujników

Nie wiedziałem o tym wcześniej, ale rośliny uprawiają seks, mówi Kevin Delin. Wskazuje na dwie ogromne sagowce, przypominające palmy uciekinierów z epoki dinozaurów, rosnące w rogu Ogrodu Botanicznego Huntington, sanktuarium 15 000 rzadkich gatunków roślin w San Marino w Kalifornii. Nieznajomość botaniki przez Delina jest usprawiedliwiona. Jest inżynierem z pobliskiego Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA, a to, co go naprawdę interesuje, to nie samce i samice sagowców, ale para strąków sieci sensorycznych ulokowanych w ziemi pod roślinami. Każda kapsuła jest wielkości przenośnego komputera i zawiera procesor, baterię, ogniwo słoneczne, radio, pamięć i czujniki do monitorowania ciepła, wilgotności i wilgotności gleby. Strąki są zastępczymi oczami, uszami, a nawet mózgami opiekunów ogrodu, śledząc, ile światła słonecznego i deszczu rośliny stają się kluczowymi czynnikami dla sagowców, które potrzebują określonych warunków do reprodukcji.

Czujniki nie są niczym nowym. Na przykład samochód wykorzystuje ich dziesiątki do monitorowania czynników, takich jak stan silnika. Ale czujniki w dzisiejszych samochodach, fabrykach i biurowcach są w większości głupie. Brakuje im inteligencji, aby analizować lub działać na podstawie ich ustaleń; zamiast tego wysyłają pomiary z powrotem do centralnego procesora. Większość czujników prądu jest również zablokowana na miejscu, a każdy ruch wymaga kosztownego ponownego okablowania. Strąki Delina są inne. Rozmawiają ze sobą bezprzewodowo oraz z 18 innymi kapsułami w ogrodzie, tworząc własną inteligentną sieć. Co kilka minut strąki aktualizują się nawzajem o swoich najnowszych odczytach, wspólnie przetwarzają informacje w ogólny obraz temperatury i warunków glebowych, a następnie przesyłają tę analizę do kuratorów. To tak, jakby autonomiczny, wysoce świadomy komputer był rozłożony na 40 hektarach krajobrazu.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2003 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wszystko sprowadza się do syntezy globalnej wiedzy z surowych danych w locie, mówi Delin. Jego kapsuły zapowiadały przyszłość, w której inteligentne czujniki zasysają ogromne ilości ważnych danych — powiedzmy, mechaniczne naprężenia na belkach mostu lub dudnienie konwoju wroga w bezksiężycową noc na pustyni — które obecnie nie są rejestrowane. Bezprzewodowe i zasilane bateryjnie, takie czujniki będą dostępne zdalnie i będą umieszczane tam, gdzie niepraktyczne byłoby ciągnięcie danych i linii energetycznych. Małe i tanie, będą swobodnie rozmieszczone i rozmieszczone blisko siebie, dając drobnoziarniste obrazy zjawisk takich jak klimat, które są obecnie sporządzane na mapach tylko na dużą skalę. A ponieważ będą działać wspólnie — organizując się i dzieląc obliczenia w całej siatce — będą dostarczać ludziom użyteczne fragmenty wstępnie przetrawionych informacji, a nie mylące lawiny liczb.

Rzeczywiście, bezprzewodowe sieci czujników są jednym z pierwszych rzeczywistych przykładów wszechobecnego przetwarzania, przekonania, że ​​małe, inteligentne i tanie urządzenia wykrywające i komputerowe w końcu przenikną do środowiska. Pojęcie to krąży w kręgach informatycznych od ponad dekady. Ale teraz, po kilku latach inwestycji badawczych amerykańskiej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony, Narodowej Fundacji Nauki i garstki zaawansowanych technologicznie gigantów, takich jak Intel, pojawia się sprzęt i oprogramowanie fundamentalne dla wszechobecnych komputerów.

Chociaż technologia jest wciąż w początkowej fazie, zakres potencjalnych zastosowań jest oszałamiający ( zobaczyć Wyczuwanie potencjału ). Naukowcy z Intela i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowali bezprzewodową obudowę wielkości pagera, którą można dostosować za pomocą wielu rodzajów czujników. Naukowcy wykorzystują urządzenia do śledzenia mikroklimatu i szkodników w winnicach, monitorowania zwyczajów gniazdowania rzadkich ptaków morskich oraz kontrolowania systemów ogrzewania i wentylacji. A 600 kilometrów dalej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles inni badacze wdrażają bezprzewodowe czujniki, aby uzyskać szczegółowe pomiary wpływu fal sejsmicznych na budynki. Jeszcze inni pracują nad sposobami umożliwienia firmom monitorowania i kontrolowania swoich miejsc pracy, od lokalnych biur po linie montażowe oddalone o pół kontynentu. Aplikacje są wszędzie , mówi David Culler, czołowy badacz zajmujący się wykrywaniem sieci na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

W umysłach wielu osób jest to technologia, która może okazać się równie ważna jak Internet: ponieważ tak jak Internet pozwala komputerom korzystać z informacji cyfrowych bez względu na to, gdzie są przechowywane, sieci czujników rozszerzą zdolność ludzi do zdalnej interakcji ze światem fizycznym. Culler nazywa urządzenia nową klasą systemów komputerowych, różniących się od sprzętu z przeszłości wszechobecnością i zbiorową umiejętnością analityczną. Przewiduje, że w ciągu tej dekady rozproszone wykrywanie i przetwarzanie danych wkradną się do każdego domu, budynku, biura, fabryki, samochodu, ulicy i gospodarstwa.

Nic dziwnego, że zanim to nastąpi, czeka nas wiele wyzwań. Pod wieloma względami sieci czujników bezprzewodowych są tak zaawansowane, jak Internet w latach 70., kiedy sieć łączyła mniej niż 200 uniwersytetów i laboratoriów wojskowych, a naukowcy wciąż eksperymentowali z protokołami komunikacyjnymi i schematami adresowania. Obecnie większość bezprzewodowych sieci czujników łączy mniej niż 100 punktów lub węzłów; więcej, a linie komunikacyjne stają się tak splątane, że się psują. Koszt przeciętnego węzła jest bliski 100 USD, a żywotność baterii mierzy się w najlepszym razie w miesiącach. I nikt nie jest do końca pewien, jakie zastosowanie przekształci tę technologię w komercyjną bonanzę. Wszyscy, a także ich ciocia i wuj są zainteresowani, mówi Deborah Estrin, dyrektor Centrum Embedded Networked Sensing na UCLA. Ale trudno jest znaleźć model biznesowy.

Naukowcy twierdzą, że żaden z tych problemów prawdopodobnie nie będzie zaporowy. Niektóre czujniki bezprzewodowe są już na rynku, a produkty o intrygujących nowych możliwościach mogą być dostępne w ciągu kilku lat. Na przykład Sensoria w San Diego opracowuje czujniki, które mogą zamienić samochody w węzły podróżujące w miejskich sieciach bezprzewodowych, umożliwiając grupom pojazdów automatyczne gromadzenie w czasie rzeczywistym zdjęć lokalnego ruchu lub współdzielenie obowiązków komunikacyjnych podczas uzyskiwania dostępu do informacji o lokalnych miejscach docelowych. William Kaiser, inżynier elektryk z UCLA i założyciel firmy Sensoria, twierdzi, że Internet zmienił sposób, w jaki prowadzimy interesy z komputerami. To zmieni sposób, w jaki żyjemy na co dzień.

Przemysł odłączania

Po powrocie do ogrodów Huntington Delin wchodzi do sali konferencyjnej z aluminiową teczką, taką, jaką agenci rządowi w telewizji używają do noszenia ściśle tajnych gadżetów. Wyjmuje cztery ze swoich najnowszych kapsuł z czujnikami i odrywa osłonę jednego; pod spodem znajdują się płytki drukowane trzymające wnętrzności kapsuły, w tym mikroprocesor i nadajnik-odbiornik radiowy, który umożliwia komunikację z towarzyszami. Rozprowadza kapsuły po całym pokoju, a w ciągu kilku sekund lokalizują się nawzajem i samoorganizują się w sieć bezprzewodową, która monitoruje między innymi temperaturę i wilgotność. Pobliski kapsuła — choć każdy z nich przesłałby informacje z sieci do laptopa Delina w celu wyświetlenia. Aby pokazać, jak sieć reaguje na otoczenie, Delin odłącza jedno z urządzeń. Ekran laptopa pokazuje pozostałe zasobniki, które kompensują się, kierując dane wokół brakującego zasobnika. Przymocowuje wentylator elektryczny do jednej kapsuły, a następnie trzyma w dłoni drugą kapsułę; sieć wykrywa ciepło ciała Delina i włącza wentylator.

Zdolność kapsuł do komunikacji radiowej, wyjaśnia Delin, oznacza, że ​​mogą być rozproszone w obszarach, do których nie docierają linie telefoniczne i energetyczne, i przemieszczać się po nich do woli. Aby jednak uzyskać przepływ danych, węzły muszą automatycznie znaleźć swoich sąsiadów i skonfigurować połączenia radiowe. Te połączenia mogą się szybko zmieniać, mówi Delin, więc udostępnianie danych w sieci to żonglerka. Oprogramowanie działające na wszystkich kapsułach koordynuje, które z nich rozmawiają ze sobą i kiedy. Węzły czujników nasłuchują się nawzajem i konfigurują czas udostępniania danych, podczas gdy zegar sieci zapewnia synchronizację węzłów. Sieć przypomina raczej siatkę niż układ typu hub-and-spoke używany w telefonach komórkowych; zamiast łączyć każdy czujnik bezpośrednio z centralnym punktem komunikacyjnym, węzły wysyłają dane tylko do sąsiadów znajdujących się w zasięgu radiowym, oszczędzając energię.

Brzmi skomplikowanie i tak jest. Ale zdecentralizowane sieci bezprzewodowe, takie jak Delin, są już opłacalne dla przemysłu ciężkiego: Ember w Bostonie w stanie Massachusetts sprzedał podobną technologię klientom sfrustrowanym konwencjonalnymi czujnikami przewodowymi w ich produkcji lub sprzęcie grzewczym i wentylacyjnym. Jeden z klientów wykładał rury w swojej oczyszczalni, gdzie olej i gaz są oddzielane od ścieków, za pomocą drogich przewodowych czujników temperatury, przymocowanych do grzejników, które zapobiegają nadmiernemu zagęszczeniu płynu. Jeśli czujnik ulegnie awarii, zbiornik może pęknąć, zmuszając fabrykę do zamknięcia kosztem 100 000 USD za godzinę, mówi Robert Poor, współzałożyciel i dyrektor ds. technologii Ember. Dzięki sieci bezprzewodowej można zainstalować więcej czujników w przystępnej cenie, oferując nadmiarowość i dostarczając bardziej wiarygodnych informacji. Krzem jest tani. Okablowanie nie jest, mówi Poor. (Aby dowiedzieć się więcej o technologii Poor, zobacz Sensors of the World, Unite! ).

Kilka pozostałych problemów utrudnia jednak szerokie komercyjne zastosowanie technologii. Pierwszy to wysoki pobór mocy. W szczególności okresowa rozmowa tam iz powrotem między węzłami powoduje zużycie baterii. Każdy przesłany bit przybliża węzeł czujnika o chwilę do śmierci, mówi Greg Pottie, współzałożyciel Sensorii.

Powiązanym problemem jest to, że radia węzłów czujników mają ograniczony zasięg, zwykle dziesiątki metrów. Tak więc tworzenie sieci większej przestrzeni — powiedzmy dużej fabryki — wymaga wielu węzłów. Rick Kriss, dyrektor generalny Xsilogy z siedzibą w San Diego, mówi Rick Kriss, dyrektor generalny Xsilogy z siedzibą w San Diego, mówi Rick Kriss, w którym liczne węzły wysyłające duże ilości danych stwarzają możliwość wystąpienia lokalnych awarii, które mogą spowodować odizolowanie części sieci. Nie ma czegoś takiego jak niezawodna sieć, chyba że robisz bardzo agresywne zarządzanie siecią, mówi Kriss. Tak więc węzły Xsilogy okresowo transmitują swój status, informując sieć, czy ich baterie się wyczerpują lub ich odbiór słabnie. Wtedy sieć może to zrekompensować, omijając punkty awarii i ostrzegając użytkownika o zbliżających się problemach.

Ale jest jeszcze inny problem, który jest trudniejszy do obejścia, a to jest cena. W procesie, który jest zupełnym przeciwieństwem masowej produkcji, większość producentów sieci czujników nadal ręcznie skleja gotowe części, podnosząc koszt każdego węzła do przedziału od 80 do 100 USD. Ta cena musi spaść poniżej 20 dolarów, aby sieci czujników mogły wystartować komercyjnie, mówi David Tennenhouse, dyrektor ds. badań w Intelu.

Pomóc może standaryzacja. Otwarte standardy i wiele bezinteresownych grup testujących konkurencyjne podejścia z pewnością sprawią, że stanie się to powszechnie stosowane, lub złamie je, mówi Culler z UC Berkeley. Jednak przy tak wielu firmach i laboratoriach uniwersyteckich opracowujących własne prototypy, standardy projektowania czujników bezprzewodowych i protokołów sieciowych dopiero zaczynają się pojawiać. Jeden potencjalnie dominujący projekt nazywa się mote; jego system operacyjny, TinyOS, został opracowany przez grupę Culler w Berkeley i przechodzi dalsze udoskonalenia w Intel and Crossbow Technology w San Jose w Kalifornii. Czujniki Berkeley, które zostały przetestowane przez setki grup badawczych na całym świecie, są mniejsze i zużywają mniej energii niż większość komercyjnych czujników bezprzewodowych. Kompromis polega na tym, że nie mogą przetwarzać tylu danych. Jednak wielu badaczy twierdzi, że ich zdolność adaptacji — powiedzmy, że łatwo jest podłączyć czujniki światła, dźwięku, temperatury lub ruchu — sprawia, że ​​są one odpowiednikiem komputerów z systemem Windows z czujnikami sieciowymi.

W rzeczywistości ostateczny wybór platformy z czujnikami bezprzewodowymi może być tak samo istotny, jak pojawienie się systemu Windows jako dominującego systemu operacyjnego dla konsumentów, a nawet, w oczach jednego eksperta, jako standaryzacja energii elektrycznej. To trochę jak historyczna bitwa między AC i DC, mówi Larry Smarr, dyrektor Kalifornijskiego Instytutu Telekomunikacji i Technologii Informacyjnych w San Diego. Dopóki nie pojawił się wszechobecny zwycięzca, branża urządzeń elektrycznych nie mogła wystartować.

Dziel i rządź

Jakby gotowe do startu, 50 drobinek wielkości motyli przyczepia się do sufitu i ścian laboratorium Deborah Estrin na UCLA, monitorując temperaturę, światło i ruch. Inne leżą zdemontowane na biurkach i ławkach. Kilka z nich ma nawet koła; toczą się po podłodze pod własnym napędem, ćwicząc przez jeden dzień, w którym będą się przemieszczać, aby znaleźć najlepszy odbiór radiowy lub naładować akumulator upadłemu sąsiadowi. Oto obraz połączenia, mówi Estrin, trzymając kartkę papieru z niezrozumiałą plątaniną linii. Wygląda jak talerz spaghetti: liczba ścieżek komunikacyjnych eksploduje w miarę dodawania kolejnych węzłów, co sprawia, że ​​sieć jest coraz bardziej podatna na awarie.

Rozwiązanie testowane w laboratorium Estrin: dziel i rządź. Pomyśl o tym jak o zorganizowaniu dużego przyjęcia, mówi. Istotne rozmowy nie mogą się odbyć, chyba że ludzie na zmianę mówią i słuchają. A komunikacja na wysokim szczeblu jest najskuteczniejsza, jeśli ludzie organizują się w klastry i wybierają osobę, która wypowiada się w imieniu każdego klastra. Dlatego węzły grupują się i dostosowują w locie, zmieniając klastry oportunistycznie, aby zoptymalizować zarówno zużycie energii, jak i przepływ informacji przez sieć.

Kolejnym wyzwaniem jest po prostu ukierunkowanie napływu danych. Ideą jest umieszczenie przetwarzania w każdym węźle, co pozwala na kondensację surowych danych we wzorce i przekazywanie mniejszej liczby bitów niż odebranych. Na przykład pyłki nad głową Estrin mogą śledzić jej ruchy i ostrzegać sąsiadów, którzy ustalają kierunek, w którym idzie, i przesyłają tylko te informacje – a nie cały zapis jej ruchów – do bazy danych w węźle macierzystym. Ten węzeł może zalecić wyłączenie świateł, na przykład, jeśli uzna, że ​​Estrin opuściła pokój i nie ma innych osób. Przetwarzanie danych po trochu w całej sieci, mówi Estrin, jest pierwszym krokiem w kierunku zaprogramowania systemu, który pomaga podejmować inteligentne decyzje. Oszczędza również cenną energię baterii.

Aby była naprawdę użyteczna, sieć czujników powinna wysyłać użytkownikom tylko analizy interesujących zdarzeń, a nie same surowe bity. Ludzie chcą odpowiedzi, a nie liczb, wskazuje Steven Glaser, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na UC Berkeley, którego grupa wykorzystuje sieci czujników do badania aktywności sejsmicznej.

Wśród odpowiedzi, których oczekują inżynierowie i sejsmolodzy, tacy jak Glaser: w jaki sposób trzęsienia ziemi wpływają na poszczególne elementy budynków i jak konstrukcje reagują na lokalne zmiany siły trzęsienia ziemi? Zespół UCLA kierowany przez Paula Davisa, geofizyka i głównego badacza w centrum Estrin, rozmieszcza na terenie kampusu 50-węzłowy układ czujników sejsmicznych, próbując poznać część odpowiedzi. Pierwszym krokiem jest po prostu zgromadzenie danych, zarejestrowanych z ziemi w odstępach 100-metrowych – znacznie wyższej rozdzielczości niż ta, którą zapewniają obecne czujniki sejsmiczne, które są oddalone od siebie o kilometry – mówi Davis. Naukowcy porównają następnie, jak ziemia się trzęsie, z wibracjami mierzonymi w tym samym czasie wewnątrz budynku kampusu podłączonego przez U.S. Geological Survey po trzęsieniu w Northridge w Kalifornii w 1994 roku.

Wykrywanie sejsmiczne

Naukowcy z UCLA wdrażają 50-węzłową sieć czujników do monitorowania aktywności sejsmicznej na większą niż kiedykolwiek skalę. Na tej mapie kampusu UCLA nałożone są lokalizacje czujników drgań gruntu (gwiazd), oddalonych od siebie o 100 metrów.

Celem jest opracowanie modelu wpływu aktywności sejsmicznej o małej skali na różne konstrukcje. Taki model, zaprogramowany w przenośnych sieciach czujników, które można by tymczasowo rozmieścić w dzielnicach miast, mógłby pomóc urbanistom dowiedzieć się, gdzie warunki geologiczne nasilają trzęsienia i jak sprawić, by budynki na tych obszarach były bezpieczniejsze. W przyszłości czujniki umieszczone w pobliżu linii uskoków mogą nawet wykrywać zbliżające się fale sejsmiczne i wyzwalać alarmy, dając użytkownikom budynku cenne sekundy na dotarcie do bezpieczniejszych obszarów. Ale, jak mówi Davis, to błękit nieba.

Google dla świata fizycznego

Inteligentne, autonomiczne i samoświadome: to najlepsza wizja sieci czujników. Pod wieloma względami jest to błękitne niebo. Ale dwa projekty branżowe dają przebłyski sieciowej przyszłości.

Istnieje niebezpieczeństwo, że dostęp do danych zebranych przez sieci czujników będzie przypominał picie z węża strażackiego, tylko gorsze, mówi Feng Zhao, kierownik obszaru badawczego Embedded Collaborative Computing w Palo Alto Research Center w Kalifornii. Innymi słowy, zasypywanie zbyt dużą ilością danych może być równie paraliżujące, jak brak ich wystarczającej ilości. To dylemat, o którym doskonale zdaje sobie sprawę każdy, kto korzysta z sieci. I, mówi Zhao, rozwiązanie dla sieci czujników może być podobne. Próbując skonstruować przyjazne dla użytkownika interfejsy dla sieci czujników, grupa Zhao eksperymentuje z nowym rodzajem wyszukiwarek, które opisuje jako Google dla świata fizycznego.

Wyobraź sobie, wyjaśnia Zhao, logując się do Internetu i wpisując: Czy mój trawnik potrzebuje więcej wody? Sieć przetłumaczy pytanie na standardowe zapytanie do bazy danych, zbada dane z czujników wilgoci w Twoim domu i odeśle odpowiedź tak lub nie. Podobne systemy zarządzania łańcuchem dostaw i bezpieczeństwa mogą być dostępne za pięć do siedmiu lat, mówi Zhao. W magazynach menedżerowie mogliby pytać czujniki zamontowane na półkach na temat trendów w stanie zapasów, podczas gdy strażnicy w bezpiecznych obiektach mogliby zaprogramować inteligentne sieci czujników ruchu, aby uruchamiały alarmy, gdy zauważą podejrzane wzorce ruchu.

W końcu sieci czujników mogą nawet wydawać się żywe. W kwietniu tego roku w bazie armii amerykańskiej w Fort Leonard Wood, w stanie Massachusetts, inżynierowie Sensorii zademonstrowali niepokojąco samoświadomy system, który fizycznie przestawia się w odpowiedzi na zmieniające się warunki. Na oczach 80 widzów czołg bojowy M1-A1 Abrams przetoczył się przez pole z pługiem przymocowanym z przodu, przecierając szlak przez gąszcz nieuzbrojonych min o średnicy 12 centymetrów. Po tym, jak czołg zmiażdżył około pół tuzina min i ruszył w swoją drogę, pozostałe miny rozproszyły się, aby wypełnić lukę za czołgiem, skacząc w powietrzu petardami dochodzącymi z maleńkich silników rakietowych.

Kopalnie dokonały tego wyczynu, emitując i nasłuchując impulsów akustycznych, które pomogły im zlokalizować sąsiadów z dokładnością do kilku centymetrów, mówi Kaiser. Zakłócenie w sieci skłania kopalnie do ustalenia, którzy sąsiedzi zostali przemieszczeni lub zniszczeni, oraz do obliczenia sposobu ich redystrybucji. Na prawdziwym polu bitwy takie inteligentne miny mogą pokonać próby rozminowania wroga, a nawet zejść z drogi przyjaznym siłom, a następnie przywrócić za nimi obronę.

Pomimo tak dramatycznych demonstracji mocy bezprzewodowych sieci czujników, trudno jest przewidzieć, czy obrona, produkcja lub jakaś jeszcze nieznana dziedzina będzie gospodarzem ich zabójczej aplikacji. To jak pecety we wczesnych latach 80-tych. Ludzie myśleli, że będą używane głównie do równoważenia książeczek czekowych, mówi Delin. Jeśli chodzi o rynek komercyjny w najbliższym czasie, przez jakiś czas będzie to rozkosznie bałagan, z dużą ilością okazji dla nowicjuszy, przewiduje Ember’s Poor. Dzieje się tak, ponieważ potencjalne aplikacje są wszędzie wokół nas — wszędzie można uzyskać przydatne informacje z naszego środowiska. Kiedy dzisiejsze badania zostaną przełożone na niedrogie, odporne na awarie produkty, może to oznaczać jedynie połączenie świata wirtualnego ze światem fizycznym. To się wydarzy, mówi Zhao. Pytanie brzmi, jak szybko?

ukryć