Belaidžio jutiklio tinklo užliejimas

Anksčiau to nežinojau, bet augalai turi lytinių santykių, sako Kevinas Delinas. Jis gestikuliuoja į du didžiulius cikadus, į delnus panašius dinozaurų amžiaus bėglius, augančius Hantingtono botanikos sodo kampelyje – 15 000 retų augalų rūšių prieglobstyje San Marine, Kalifornijoje. Delino botanikos neišmanymas yra atleistinas. Jis yra inžinierius iš netoliese esančios NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorijos, ir jį iš tikrųjų domina ne cikadų patinai ir patelės, o pora jutiklinių tinklelių, esančių žemėje po augalais. Kiekvienas dėklas yra delninio kompiuterio dydžio, jame yra procesorius, baterija, saulės elementas, radijas, atmintis ir jutikliai, skirti stebėti šilumą, drėgmę ir dirvožemio drėgmę. Ankštys yra sodo kuratorių surogatinės akys, ausys ir net smegenys, stebinčios, kiek saulės šviesos ir lietaus augalai yra lemiami veiksniai cikadams, kuriems daugintis reikia specifinių sąlygų.

Jutikliai nėra naujiena. Pavyzdžiui, automobilis naudoja daugybę jų, kad galėtų stebėti tokius veiksnius kaip variklio būklė. Tačiau šiandienos automobilių, gamyklų ir biurų pastatų jutikliai dažniausiai yra kvaili. Jiems trūksta intelekto, kad galėtų analizuoti ar veikti pagal savo išvadas; vietoj to jie siunčia matavimus atgal į centrinį procesorių. Dauguma srovės jutiklių taip pat įstrigo vietoje, o atliekant bet kokį judėjimą reikia brangiai perjungti laidus. Delino ankštys yra skirtingos. Jie belaidžiu būdu kalba tarpusavyje ir su 18 kitų sodo ankščių, sudarydami savo išmanųjį tinklą. Kas kelias minutes ankštys atnaujina viena kitą apie naujausius rodmenis, kartu apdoroja informaciją į bendrą temperatūros ir dirvožemio sąlygų vaizdą ir siunčia šią analizę kuratoriams. Atrodo, tarsi autonominis, labai sąmoningas kompiuteris būtų pasklidęs 40 hektarų kraštovaizdžio.

Šlamšto karai

Ši istorija buvo mūsų 2003 m. liepos mėn. numerio dalis



  • Žr. likusią numerio dalį
  • Prenumeruoti

Viskas apie pasaulinių žinių sintezę iš neapdorotų duomenų, sako Delinas. Jo ankštys numatė ateitį, kai išmanieji jutikliai įsiurbia didžiulį kiekį gyvybiškai svarbių duomenų, tarkime, tilto sijų mechaninius įtempius arba priešo vilkstinės ūžesį dykumos naktį be mėnulio, kurie šiuo metu nėra registruojami. Belaidžiai ir maitinami baterijomis, tokie jutikliai bus pasiekiami nuotoliniu būdu ir patalpinti ten, kur būtų nepraktiška sujungti duomenis ir elektros linijas. Maži ir pigūs, jie bus plačiai paskirstyti ir glaudžiai išdėstyti, o tai suteiks smulkių reiškinių, pvz., klimato, paveikslų, kurie šiuo metu vaizduojami tik dideliu mastu. Ir kadangi jie veiks bendradarbiaudami – organizuos save ir dalinsis skaičiavimais visame tinkle, jie suteiks žmonėms tinkamas iš anksto suskaidytos informacijos dalis, o ne klaidinantį skaičių plovimą.

Iš tiesų, belaidžiai jutiklių tinklai yra vienas iš pirmųjų realiame pasaulyje plačiai paplitusios kompiuterijos pavyzdžių, kai manoma, kad maži, protingi ir pigūs jutimo ir skaičiavimo įrenginiai ilgainiui prasiskverbs į aplinką. Ši mintis informacinių technologijų sluoksniuose sklando daugiau nei dešimtmetį. Tačiau dabar, po kelerių metų JAV gynybos pažangių tyrimų projektų agentūros, Nacionalinio mokslo fondo ir keleto aukštųjų technologijų gigantų, tokių kaip „Intel“, investicijų į mokslinius tyrimus, atsiranda aparatinė ir programinė įranga, kuri yra esminė plačiai paplitusiam skaičiavimui.

Nors technologija vis dar yra ankstyvosiose stadijose, galimų pritaikymų spektras yra neįtikėtinas ( matyti Potencialo jutimas ). „Intel“ ir Kalifornijos universiteto Berklio mokslininkai sukūrė belaidę, pranešimų gaviklio dydžio važiuoklę, kurią galima pritaikyti naudojant įvairius jutiklius. Tyrėjai naudoja prietaisus vynuogynų mikroklimatui ir kenkėjams sekti, retų jūros paukščių lizdų įpročiams stebėti, šildymo ir vėdinimo sistemoms valdyti. Kalifornijos universitete, Los Andžele, už 600 kilometrų, kiti mokslininkai diegia belaidžius jutiklius, kad gautų išsamius seisminių bangų poveikio pastatams matavimus. Dar kiti ieško būdų, kaip leisti įmonėms stebėti ir kontroliuoti savo darbo erdves – nuo ​​vietinių biurų iki surinkimo linijų, esančių už pusės žemyno. Paraiškos yra visur , sako Davidas Culleris, pirmaujantis Berklio universiteto tinklinio jutimo tyrėjas.

Daugelio nuomone, tai technologija, kuri gali pasirodyti tokia pat svarbi kaip internetas: kaip internetas leidžia kompiuteriams gauti skaitmeninę informaciją, nesvarbu, kur ji būtų saugoma, jutiklių tinklai padidins žmonių galimybes nuotoliniu būdu bendrauti su fiziniu pasauliu. Culler prietaisus vadina nauja kompiuterinių sistemų klase, išsiskiriančia iš praeities aparatinės įrangos savo visur ir kolektyviniais analitiniais įgūdžiais. Jis prognozuoja, kad per šį dešimtmetį paskirstyti jutikliai ir kompiuteriai įsisuks į kiekvieną namą, pastatą, biurą, gamyklą, automobilį, gatvę ir ūkį.

Nenuostabu, kad prieš tai įvyksta daugybė iššūkių. Daugeliu atžvilgių belaidžių jutiklių tinklai yra tokie pat toli, kaip internetas buvo aštuntajame dešimtmetyje, kai tinklas sujungė mažiau nei 200 universitetų ir karinių laboratorijų, o mokslininkai vis dar eksperimentavo su ryšių protokolais ir adresų schemomis. Šiandien dauguma belaidžių jutiklių tinklų jungia mažiau nei 100 taškų arba mazgų; daugiau ir bendravimo linijos taip susipainioja, kad nutrūksta. Vidutinio mazgo kaina yra beveik 100 USD, o akumuliatoriaus veikimo laikas geriausiu atveju matuojamas mėnesiais. Ir niekas tiksliai nežino, kokia programa pavers technologiją komercine nauda. Visi ir jų teta bei dėdė domisi, sako Deborah Estrin, UCLA įterptųjų tinklų jutimo centro direktorė. Tačiau sunku rasti verslo modelį.

Tyrėjai teigia, kad nė viena iš šių problemų nėra pernelyg didelė. Kai kurie belaidžiai jutikliai jau yra rinkoje, o produktai su intriguojančiomis naujomis galimybėmis gali būti prieinami po kelerių metų. Pavyzdžiui, „Sensoria“ San Diege kuria jutiklius, kurie galėtų paversti automobilius keliaujančiais mazgais miesto belaidžiuose tinkluose, leidžiančiomis transporto priemonių grupėms automatiškai surinkti vietos eismo nuotraukas realiuoju laiku arba dalytis ryšio pareigomis, kai gaunama informacija apie vietines paskirties vietas. William Kaiser, UCLA elektros inžinierius ir „Sensoria“ įkūrėjas, teigia: Internetas pakeitė mūsų verslo su kompiuteriais būdą. Tai pakeis mūsų kasdienį gyvenimą.

Atjungimo pramonė

Grįžęs į Hantingtono sodus, Delinas įeina į konferencijų salę su aliuminio portfeliu, tokiu, kokiu vyriausybės agentai per televiziją nešiojasi itin slaptus įtaisus. Jis išima keturis naujausius jutiklių lizdus ir nuima vieno dangtelį; apačioje yra plokštės, laikančios ankšties žarnas, įskaitant mikroprocesorių ir radijo siųstuvą-imtuvą, leidžiantį bendrauti su savo palydovais. Jis paskirsto ankštis po kambarį ir per kelias sekundes jie nustato vienas kitą ir susitvarko į belaidį tinklą, kuris, be kita ko, stebi temperatūrą ir drėgmę. Netoliese esantis blokas, nors bet kuris iš jų persiunčia informaciją iš tinklo į Delin nešiojamąjį kompiuterį, kad būtų rodomas. Norėdami parodyti, kaip tinklas reaguoja į aplinką, Delin atjungia vieną iš įrenginių. Nešiojamojo kompiuterio ekrane rodomi likę blokai, kurie kompensuoja duomenis nukreipiant aplink trūkstamą bloką. Prie vienos ankšties jis pritvirtina elektrinį ventiliatorių, paskui laiko kitą rankoje; tinklas aptinka Delin kūno šilumą ir įjungia ventiliatorių.

Delin aiškina, kad ankščių gebėjimas susisiekti per radiją reiškia, kad jos gali būti išsklaidytos tose vietose, kurių nepasiekia telefono ir elektros linijos, ir judinti jos nori. Tačiau norėdami gauti duomenų srautą, mazgai turi automatiškai rasti kaimynus ir nustatyti radijo ryšius. Tie ryšiai gali greitai keistis, sako Delinas, todėl dalijimasis duomenimis tinkle yra žongliravimo veiksmas. Programinė įranga, veikianti visose ankštyse, koordinuoja, kuri iš jų kalbasi tarpusavyje ir kada. Jutiklių mazgai klausosi vienas kito ir nustato duomenų bendrinimo laiką, o tinklo laikrodis palaiko mazgų sinchronizavimą. Tinklas labiau primena tinklelį, o ne stebulės ir stipinų išdėstymą, naudojamą mobiliesiems telefonams; Užuot susieję kiekvieną jutiklį tiesiogiai su centriniu ryšio tašku, mazgai siunčia duomenis tik kaimynams radijo diapazone, taupydami energiją.

Skamba sudėtingai, ir taip yra. Tačiau decentralizuoti belaidžiai tinklai, tokie kaip Delin's, jau yra ekonomiškai veiksmingi sunkiajai pramonei: Ember Bostone, MA, pardavė panašias technologijas klientams, nusivylusiems įprastais laidiniais jutikliais jų gamyboje arba šildymo ir vėdinimo įrangoje. Vienas klientas savo valymo įrenginio vamzdžius išklojo, kur nafta ir dujos buvo atskirtos nuo nuotekų, brangiais laidiniais temperatūros jutikliais, pritvirtintais prie šildytuvų, kurie neleidžia per tirštėti viduje esantis skystis. Jei jutiklis sugestų, bakas gali sprogti, todėl gamykla turi būti išjungta ir kainuos 100 000 USD per valandą, sako Robertas Pooras, „Ember“ įkūrėjas ir vyriausiasis technologijų pareigūnas. Naudojant belaidį tinklą, už prieinamą kainą galima įdiegti daugiau jutiklių, kurie užtikrina dubliavimą ir suteikia patikimesnę informaciją. Silicis yra pigus. Laidai nėra, sako Pooras. (Daugiau Poor’o minčių apie technologiją žr. Pasaulio jutikliai, vienykitės!).

Tačiau kelios likusios problemos trukdo plačiam komerciniam šios technologijos pritaikymui. Pirmasis yra didelis energijos suvartojimas. Periodiškas pokalbis pirmyn ir atgal tarp mazgų ypač išeikvoja akumuliatorių. Kiekvienas perduotas bitas jutiklio mazgą priartina prie mirties, sako Gregas Pottie, „Sensoria“ įkūrėjas.

Susijusi problema yra ta, kad jutiklių mazgų radijo ryšio diapazonas yra ribotas, dažniausiai dešimtimis metrų. Taigi, norint sujungti į tinklą didesnę erdvę, tarkime, didelę gamyklą, reikia daug mazgų. Daugybė mazgų, siunčiančių daug duomenų, sukuria galimybes lokalizuotiems gedimams, dėl kurių tinklo dalis gali likti izoliuota, sako Rickas Krissas, San Diege įsikūrusios „Xsilogy“ generalinis direktorius. Nėra tokio dalyko kaip patikimas tinklas, nebent valdote labai agresyvų tinklą, sako Krissas. Taigi „Xsilogy“ mazgai periodiškai transliuoja savo būseną, pranešdami tinklui, ar jų baterijos senka, ar jų priėmimas silpnėja. Tada tinklas gali kompensuoti maršrutą aplink gedimo taškus ir įspėdamas vartotoją apie gresiančias problemas.

Tačiau yra dar viena problema, kurią sunkiau išspręsti, ir tai yra kaina. Vykdant procesą, kuris yra visiškai priešingas masinei gamybai, dauguma jutiklių tinklų gamintojų vis tiek rankomis sujungia jau parduodamas dalis, todėl kiekvieno mazgo kaina padidėja iki 80–100 USD. „Intel“ tyrimų direktorius Davidas Tennenhouse'as teigia, kad ši kaina turi nukristi žemiau 20 USD, kad jutiklių tinklai pradėtų kilti komerciškai.

Standartizacija galėtų padėti. Atviri standartai ir daug nesuinteresuotų grupių, išbandančių konkuruojančius metodus, visiškai pakenks arba sulaužys, ar tai bus plačiai naudojama, sako UC Berkeley's Culler. Tačiau kai tiek daug įmonių ir universitetų laboratorijų kuria savo prototipus, belaidžių jutiklių ir tinklo protokolų projektavimo standartai tik pradeda atsirasti. Vienas potencialiai dominuojantis dizainas vadinamas mote; jos operacinę sistemą „TinyOS“ sukūrė Culler grupė Berklyje, o „Intel“ ir „Crossbow Technology“ San Chosė, Kalifornijoje, toliau tobulinama. „Berkeley“ taškai, kuriuos išbandė šimtai tyrimų grupių visame pasaulyje, yra mažesni ir naudoja mažiau energijos nei dauguma komercinių belaidžių jutiklių. Kompromisas yra tas, kad jie negali apdoroti tiek daug duomenų. Tačiau daugelis tyrinėtojų teigia, kad dėl jų pritaikomumo – nesunku pajungti šviesos, garso, temperatūros ar judėjimo jutiklius – jie yra tinkle sujungtų jutiklių pasaulio atitikmenys „Windows“ kompiuteriui.

Tiesą sakant, galutinis belaidžio jutiklio platformos pasirinkimas gali būti toks pat svarbus kaip Windows, kaip dominuojančios vartotojų operacinės sistemos, atsiradimas arba, vieno eksperto nuomone, elektros energijos standartizavimas. Tai tarsi istorinė kova tarp kintamosios srovės ir nuolatinės srovės, sako Larry Smarras, Kalifornijos telekomunikacijų ir informacinių technologijų instituto San Diege direktorius. Kol nebuvo visuotinio nugalėtojo, elektros prietaisų pramonė negalėjo pakilti.

Skaldyk ir valdyk

Tarsi pasiruošę pakilti, 50 nelygių drugelio dydžio dėmių priglunda prie UCLA Deborah Estrin laboratorijos lubų ir sienų, stebi temperatūrą, šviesą ir judėjimą. Kiti guli išmontuoti ant stalinių kompiuterių ir suolų. Kai kurie iš jų turi net ratus; jie rieda per grindis savo varomi, treniruodamiesi dieną, kai judės, kad surastų geriausią radijo signalą arba pristatytų akumuliatorių įkrauti sugedusiam kaimynui. Štai ryšio paveikslėlis, sako Estrin, iškėlęs popieriaus lapą su nesuprantamu linijų raizginiu. Tai atrodo kaip spagečių lėkštė: ryšio kelių skaičius sprogsta, kai pridedama daugiau mazgų, todėl tinklas vis labiau linkęs strigti.

Sprendimas išbandomas Estrin laboratorijoje: skirstyk ir valdyk. Pagalvokite apie tai kaip apie didelės vakarienės organizavimą, sako ji. Prasmingi pokalbiai negali vykti, nebent žmonės paeiliui kalba ir nesiklauso. O aukšto lygio komunikacija yra efektyviausia, jei žmonės susiskirsto į grupes ir išrenka asmenį kalbėti už kiekvieną klasterį. Todėl mazgai patys susigrupuoja ir prisitaiko skraidydami, oportunistiškai keisdami grupes, kad optimizuotų energijos suvartojimą ir informacijos srautą tinkle.

Kitas iššūkis yra tiesiog nukreipti duomenų srautą. Idėja yra įdėti apdorojimą į kiekvieną mazgą, leidžiantį neapdorotus duomenis kondensuoti į šablonus ir perduoti mažiau bitų nei gavo. Pavyzdžiui, dėmės virš Estrinos galvos gali sekti jos judesius ir įspėti kaimynus, kurie nustato jos ėjimo kryptį ir perduoda tik tą informaciją, o ne visą jos judesių įrašą, į motininio mazgo duomenų bazę. Šis mazgas gali rekomenduoti išjungti apšvietimą, pavyzdžiui, jei nusprendžia, kad Estrin išėjo iš kambario ir nėra kitų žmonių. Duomenų apdorojimas po truputį visame tinkle, sako Estrinas, yra pirmasis žingsnis programuojant sistemą, kuri padėtų priimti protingus sprendimus. Taip pat taupoma brangi akumuliatoriaus energija.

Kad jutiklių tinklas būtų tikrai naudingas, jis turėtų siųsti vartotojams tik įdomių įvykių analizę, o ne pačius neapdorotus bitus. Žmonės nori atsakymų, o ne skaičių, pabrėžia Stevenas Glaseris, UC Berkeley civilinės ir aplinkos inžinerijos profesorius, kurio grupė seisminiam aktyvumui tirti naudoja jutiklių tinklus.

Tarp atsakymų, kurių nori inžinieriai ir seismologai, tokie kaip Glaseris: kaip žemės drebėjimai veikia atskirus pastatų komponentus ir kaip konstrukcijos reaguoja į vietinius žemės drebėjimo stiprumo pokyčius? UCLA komanda, vadovaujama Paulo Daviso, geofiziko ir pagrindinio Estrino centro tyrėjo, visame miestelyje dislokuoja 50 mazgų seisminių jutiklių masyvą, siekdama sužinoti dalį atsakymo. Pirmas žingsnis yra tiesiog kaupti duomenis, įrašytus nuo žemės 100 metrų intervalais – daug didesne skiriamąja geba nei ta, kurią suteikia dabartiniai seisminiai jutikliai, esantys kilometrų atstumu, sako Davisas. Tada mokslininkai palygins žemės drebėjimą su vibracijomis, išmatuotomis tuo pačiu metu universiteto miestelio pastate, kurį prijungė JAV geologijos tarnyba po 1994 m. Northridge, Kalifornijos valstijos, drebėjimo.

Seisminis jutimas

UCLA mokslininkai diegia 50 mazgų jutiklių tinklą, kad galėtų stebėti seisminį aktyvumą tikslesniu mastu nei bet kada anksčiau. Šiame UCLA universiteto miestelio žemėlapyje yra žemės vibracijos jutiklių (žvaigždžių) vietos, išdėstytos 100 metrų atstumu.

Tikslas yra sukurti modelį, kaip smulkaus masto seisminis aktyvumas veikia skirtingas struktūras. Toks modelis, užprogramuotas nešiojamuosiuose jutiklių tinkluose, kurie galėtų būti laikinai dislokuoti miestų apylinkėse, galėtų padėti miestų planuotojams sužinoti, kur geologinės sąlygos linkusios padidinti drebėjimus ir kaip tose vietose pastatus padaryti saugesnius. Ateityje jutikliai, patalpinti šalia gedimų linijų, netgi galėtų aptikti artėjančias seismines bangas ir suaktyvinti pavojaus signalus, suteikdami pastato gyventojams brangių sekundžių patekti į saugesnes vietas. Tačiau Davisas sako, kad tai mėlyno dangaus dalykai.

„Google“ fiziniam pasauliui

Sumanus, savarankiškas ir sąmoningas: tai yra didžiausia jutiklių tinklų vizija. Daugeliu atžvilgių tai yra mėlynas dangus. Tačiau du pramonės projektai suteikia žvilgsnį į tinklinę ateitį.

Kyla pavojus, kad prieiga prie jutiklių tinklų surinktų duomenų bus tarsi gėrimas iš gaisrinės žarnos, tik dar blogiau, sako Feng Zhao, Kalifornijos Palo Alto tyrimų centro įterptosios bendradarbiavimo kompiuterijos tyrimų srities vadovas. Kitaip tariant, užplūdus per daug duomenų gali būti lygiai taip pat paralyžiuotas, kaip ir nepakankamas. Tai dilema, kurią puikiai žino visi, besinaudojantys žiniatinkliu. Ir, sako Zhao, jutiklių tinklų sprendimas gali būti panašus. Siekdama sukurti patogias jutiklių tinklų sąsajas, Zhao grupė eksperimentuoja su naujos rūšies paieškos varikliu, kurį jis apibūdina kaip „Google“ fiziniam pasauliui.

Įsivaizduokite, aiškina Zhao, prisijungdamas prie interneto ir įvesdamas: Ar mano vejai reikia daugiau vandens? Tinklas pavers klausimą standartizuota duomenų bazės užklausa, išnagrinės jūsų namuose esančių drėgmės jutiklių duomenis ir atsiųs atsakymą „taip“ arba „ne“. Panašios tiekimo grandinės valdymo ir saugumo sistemos gali būti prieinamos per penkerius ar septynerius metus, sako Zhao. Sandėliuose vadybininkai galėtų apklausti lentynose montuojamus jutiklius apie atsargų tendencijas, o apsauginiai saugiose patalpose galėtų užprogramuoti išmaniuosius judesio jutiklių tinklus, kad jie, pastebėję įtartinus judėjimo modelius, skambėtų pavojaus signalu.

Galų gale jutiklių tinklai gali atrodyti net gyvi. JAV armijos bazėje Fort Leonard Wood, MO, šių metų balandį „Sensoria“ inžinieriai pademonstravo nerimą keliančią save suvokiančią sistemą, kuri fiziškai persitvarko reaguodama į besikeičiančias sąlygas. Kai stebėjo 80 žiūrovų, mūšio tankas M1-A1 Abrams, kurio priekyje buvo pritvirtintas plūgas, burzgė per lauką, skrodžiantis pėdsaką neginkluotų, 12 centimetrų skersmens minų tankmėje. Po to, kai tankas sutraiškė apie pusšimtį minų ir pajudėjo savo keliu, likusios minos persiskirstė, kad užpildytų spragą už tanko šokinėjimo per orą petardų sprogimais, sklindančiais iš mažyčių raketų stiprintuvų.

Kasyklos padarė šį žygdarbį skleisdamos ir įsiklausydamos į akustinius impulsus, kurie padėjo joms kelių centimetrų atstumu rasti savo kaimynus, sako Kaiseris. Tinklo sutrikimas skatina kasyklas išsiaiškinti, kurie kaimynai buvo perkelti arba sunaikinti, ir apskaičiuoti, kaip persiskirstyti. Tikrame mūšio lauke tokios išmaniosios minos galėtų nugalėti priešo išminavimo pastangas arba net pasitraukti iš kelio draugiškoms pajėgoms ir tada atkurti gynybą už jų.

Nepaisant tokių dramatiškų belaidžių jutiklių tinklų galios demonstravimo, sunku nuspėti, ar gynyba, gamyba ar kokia nors dar nežinoma sritis taps jų žudiko programos šeimininku. Tai panašu į asmeninius kompiuterius devintojo dešimtmečio pradžioje. Žmonės manė, kad jie daugiausia bus naudojami čekių knygelėms subalansuoti, sako Delinas. Kalbant apie artimiausio laikotarpio komercinę rinką, tai kurį laiką bus nepaprastai netvarkinga aplinka, kurioje bus daug galimybių naujokams, prognozuoja Ember’s Poor. Taip yra todėl, kad galimos programos yra visur aplink mus – bet kur iš mūsų aplinkos galima gauti naudingos informacijos. Kai šiandieniniai tyrimai paverčiami nebrangiais, smūgiams atspariais gaminiais, tai gali reikšti ne ką kita, kaip virtualaus ir fizinio pasaulio susijungimą. Tai įvyks, sako Zhao. Kyla klausimas, kaip greitai?

paslėpti