Udstøbning af det trådløse sensornet

Jeg vidste det ikke før, men planter har sex, siger Kevin Delin. Han peger mod to enorme cycader, palmelignende flygtninge fra dinosaurtiden, der vokser i et hjørne af Huntington Botanical Gardens, et fristed for 15.000 sjældne plantearter i San Marino, CA. Delins uvidenhed om botanik er undskyldelig. Han er en ingeniør fra NASA's nærliggende Jet Propulsion Laboratory, og det, der virkelig interesserer ham, er ikke han- og huncykaderne, men parret af sensor-webbælge, der ligger i jorden under planterne. Hver pod er på størrelse med en håndholdt computer og indeholder en processor, batteri, solcelle, radio, hukommelse og sensorer til at overvåge varme, luftfugtighed og jordfugtighed. Bælgene er surrogatøjne, ører og endda hjerner hos havens kuratorer, der holder styr på, hvor meget sollys og regn, planterne får kritiske faktorer for cycader, som har brug for specifikke forhold for at formere sig.

Sensorer er ikke noget nyt. En bil, for eksempel, bruger snesevis af dem til at overvåge faktorer såsom motorforhold. Men sensorerne i nutidens biler, fabrikker og kontorbygninger er for det meste dumme. De mangler intelligensen til at analysere eller handle på deres resultater; i stedet sender de målinger tilbage til en central processor. De fleste strømsensorer sidder også fast, og enhver bevægelse kræver dyr omledning. Delins bælg er anderledes. De taler trådløst med hinanden og med 18 andre poder i haven og danner deres eget intelligente netværk. Med få minutters mellemrum opdaterer poderne hinanden om deres seneste aflæsninger, bearbejder sammen informationen til et samlet billede af temperatur og jordbundsforhold og sender denne analyse til kuratorerne. Det er, som om en selvstændig, meget bevidst computer var spredt ud over 40 hektar landskab.

Denne historie var en del af vores juli-udgave 2003

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det handler om at syntetisere global viden fra rå data på farten, siger Delin. Hans pods varsler en fremtid, hvor smarte sensorer suger enorme mængder af vitale data til sig, f.eks. mekaniske belastninger på en bros bjælker eller rumlen fra en fjendtlig konvoj på en måneløs ørkennat - som i øjeblikket ikke er registreret. Trådløse og batteridrevne, sådanne sensorer vil blive tilgået eksternt og placeret hvor det ville være upraktisk at strenge data og elledninger. Små og billige, de vil være liberalt fordelt og tæt på hinanden, hvilket giver finkornede billeder af fænomener som klima, der i øjeblikket kun er kortlagt i stor skala. Og fordi de vil handle i fællesskab - organisere sig selv og dele beregninger på tværs af nettet - vil de give folk brugbare bidder af forudfordøjet information snarere end en forvirrende vask af tal.

Trådløse sensornetværk er faktisk et af de første eksempler fra den virkelige verden på pervasive computing, forestillingen om, at små, smarte og billige sensor- og computerenheder i sidste ende vil gennemsyre miljøet. Den forestilling har gennemsyret i informationsteknologiske kredse i mere end et årti. Men nu, efter flere års forskningsinvesteringer fra U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, National Science Foundation og en håndfuld højteknologiske giganter som Intel, dukker den hardware og software, der er grundlæggende for pervasive computing, frem.

Selvom teknologien stadig er i sine tidlige dage, er rækken af ​​potentielle anvendelser forbløffende ( se Fornemmelse af potentialet ). Forskere ved Intel og University of California, Berkeley, har udviklet et trådløst chassis i personsøgerstørrelse, som kan tilpasses med mange slags sensorer. Forskerne bruger enheder til at spore mikroklimaer og skadedyr i vinmarker, overvåge redevaner for sjældne havfugle og kontrollere varme- og ventilationssystemer. Og 600 kilometer nede af vejen ved University of California, Los Angeles, anvender andre forskere trådløse sensorer for at få detaljerede målinger af virkningerne af seismiske bølger på bygninger. Atter andre arbejder på måder at lade virksomheder overvåge og kontrollere deres arbejdspladser, fra lokale kontorer til samlebånd et halvt kontinent væk. Ansøgningerne er overalt , siger David Culler, en førende forsker med netværkssansning ved UC Berkeley.

I manges bevidsthed er det en teknologi, der kan vise sig at være lige så vigtig som internettet: For ligesom internettet tillader computere at tappe digital information, uanset hvor den er gemt, vil sensornetværk udvide folks evne til at fjerninteragere med den fysiske verden. Culler kalder enhederne en ny klasse af computersystemer, der adskiller sig fra fortidens hardware ved deres allestedsnærværende og deres kollektive analytiske evner. Inden for dette årti forudsiger han, at distribueret sansning og databehandling vil krybe ind i ethvert hjem, bygning, kontor, fabrik, bil, gade og gård.

Ikke overraskende er der masser af udfordringer, før det sker. På mange måder er trådløse sensorbaner lige så langt fremme, som internettet var i 1970'erne, hvor netværket forbandt færre end 200 universiteter og militærlaboratorier, og forskere stadig eksperimenterede med kommunikationsprotokoller og adresseordninger. I dag forbinder de fleste trådløse sensornetværk færre end 100 punkter eller noder; længere, og kommunikationslinjerne bliver så sammenfiltrede, at de går i stykker. Prisen for den gennemsnitlige node er tæt på $100, mens batterilevetiden i bedste fald måles i måneder. Og ingen er helt sikker på, hvilken applikation der vil forvandle teknologien til en kommerciel bonanza. Alle og deres tante og onkel er interesserede, siger Deborah Estrin, direktør for UCLAs Center for Embedded Networked Sensing. Men det er en kamp at finde forretningsmodellen.

Forskere siger, at ingen af ​​disse problemer sandsynligvis vil være uoverkommelige. Nogle trådløse sensorer er allerede på markedet, og produkter med spændende nye muligheder kan være tilgængelige inden for få år. Sensoria i San Diego udvikler eksempelvis sensorer, der kan forvandle biler til rejseknudepunkter i trådløse bynetværk, så grupper af køretøjer automatisk kan samle realtidsbilleder af lokal trafik eller dele kommunikationsopgaver, når de får adgang til oplysninger om lokale destinationer. William Kaiser, en UCLA-elektroingeniør og grundlægger af Sensoria, hævder, at internettet har ændret den måde, vi gør forretninger med computere på. Dette vil ændre den måde, vi lever vores hverdag på.

Afviklingsindustrien

Tilbage i Huntington-haven træder Delin ind i et mødelokale med en aluminiumsmappe, den venlige regeringsagenter på tv bruger til at bære tophemmelige gadgets. Han tager fire af sine seneste sensorkapsler frem og piller dækslet af en; nedenunder er printplader, der holder poden's indvolde, inklusive mikroprocessoren og radiotransceiveren, der lader den kommunikere med sine ledsagere. Han spreder bælgerne rundt i rummet, og inden for få sekunder finder de hinanden og organiserer sig selv i et trådløst netværk, der blandt andet overvåger temperatur og luftfugtighed. En nærliggende pod - selvom enhver af dem ville videresende information fra netværket til Delins bærbare computer til visning. For at vise, hvordan netværket reagerer på sit miljø, afbryder Delin en af ​​enhederne. Den bærbare computers skærm viser de resterende pods, der kompenserer ved at dirigere data rundt om den manglende pod. Han sætter en elektrisk blæser på den ene pod, og holder så en anden pod i hånden; netværket registrerer Delins kropsvarme og tænder for blæseren.

Podernes evne til at kommunikere via radio, forklarer Delin, betyder, at de kan blive spredt i områder, som telefon- og elledninger ikke når, og flyttes rundt efter behag. Men for at få data til at flyde, skal noder finde deres naboer automatisk og oprette radioforbindelser. Disse forbindelser kan ændre sig hurtigt, siger Delin, så deling af data over netværket er en jonglering. Software, der kører på alle pods, koordinerer, hvem af dem, der taler med hinanden, og hvornår. Sensornoderne lytter efter hinanden og sætter tider op til at dele data, mens et netværksur holder noderne synkroniseret. Netværket ligner et mesh snarere end hub-and-spoke-arrangementet, der bruges til mobiltelefoner; i stedet for at forbinde hver sensor direkte til et centralt kommunikationspunkt, sender noderne kun data til naboer inden for radiorækkevidde, hvilket sparer strøm.

Det lyder kompliceret, og det er det. Men decentraliserede trådløse netværk som Delins er allerede omkostningseffektive for tung industri: Ember i Boston, MA, har solgt lignende teknologi til kunder, der er frustrerede over de konventionelle kablede sensorer i deres fremstilling eller varme- og ventilationsudstyr. En kunde plejede at fore rørene på sit rensningsanlæg - hvor olie og gas adskilles fra spildevand - med dyre kablede temperatursensorer, der er fastgjort til varmelegemer, der forhindrer væsken inde i at blive for tyk. Hvis en sensor fejlede, kunne en tank briste, hvilket tvinge anlægget til at lukke ned til en pris på $100.000 i timen, siger Robert Poor, Embers medstifter og teknologichef. Med et trådløst netværk kan flere sensorer installeres til en overkommelig pris, hvilket giver redundans og giver mere pålidelig information. Silicium er billigt. Ledninger er det ikke, siger Poor. (For flere af Poors tanker om teknologien, se Sensors of the World, Unite!).

Adskillige tilbageværende problemer hindrer imidlertid bred kommerciel anvendelse af teknologien. Den første er dens høje strømforbrug. Især den periodiske snak frem og tilbage mellem knudepunkterne er en dræning af batterier. Hver bit, der transmitteres, bringer en sensorknude et øjeblik tættere på døden, siger Greg Pottie, en medstifter af Sensoria.

Et relateret problem er, at sensorknudernes radioer har en begrænset rækkevidde, normalt i snesevis af meter. Så at netværke en større plads, f.eks. en stor fabrik, tager en masse noder. Talrige noder, der sender masser af data, skaber muligheder for lokaliserede fejl, der kan efterlade dele af netværket isoleret, siger Rick Kriss, CEO for San Diego-baserede Xsilogy. Der er ikke sådan noget som et pålideligt netværk, medmindre du laver meget aggressiv netværksstyring, siger Kriss. Så Xsilogys noder udsender periodisk deres status og fortæller netværket, om deres batterier er ved at løbe tør, eller deres modtagelse falmer. Så kan netværket kompensere ved at dirigere rundt på fejlpunkterne og advare brugeren om forestående problemer.

Men der er et andet problem, som er sværere at løse, og det er prisen. I en proces, der er det helt modsatte af masseproduktion, samler de fleste sensornetproducenter stadig hyldedele sammen i hånden, hvilket hæver prisen på hver knude til $80 til $100. Den pris skal falde til under 20 dollars, for at sensornet kan tage fart kommercielt, siger David Tennenhouse, forskningsdirektør hos Intel.

Standardisering kan hjælpe. At have åbne standarder og mange uinteresserede grupper, der tester konkurrerende tilgange, vil absolut gøre eller bryde, om dette bliver meget brugt, siger UC Berkeley's Culler. Men med så mange virksomheder og universitetslaboratorier, der udvikler deres egne prototyper, er designstandarder for trådløse sensorer og netværksprotokoller kun begyndt at dukke op. Et potentielt dominerende design kaldes en mote; dets operativsystem, TinyOS, er udviklet af Cullers gruppe i Berkeley og gennemgår yderligere forbedringer hos Intel og Crossbow Technology i San Jose, Californien. Berkeley-moterne, som er blevet testet af hundredvis af forskergrupper rundt om i verden, er mindre og bruger mindre strøm end de fleste kommercielle trådløse sensorer. Afvejningen er, at de ikke kan behandle så meget data. Men mange forskere siger, at deres tilpasningsevne - det er nemt at sætte på sensorer for lys, lyd, temperatur eller bevægelse - gør dem til netværkssensorverdenens ækvivalent til en Windows-pc.

Faktisk kunne det endelige valg af en trådløs sensorplatform være lige så konsekvens som fremkomsten af ​​Windows som det dominerende forbrugeroperativsystem - eller endda, i en eksperts øjne, som standardiseringen af ​​elektricitet. Det er lidt ligesom den historiske kamp mellem AC og DC, siger Larry Smarr, direktør for California Institute for Telecommunications and Information Technology i San Diego. Indtil der var en allestedsnærværende vinder, kunne el-apparatindustrien ikke tage fart.

Del og hersk

Som om de var klar til at tage af sig selv, klæber 50-sommerfugle-størrelser sig til loftet og væggene i Deborah Estrins laboratorium ved UCLA og overvåger temperatur, lys og bevægelse. Andre ligger afmonteret på skriveborde og bænke. Nogle få af moterne har endda hjul; de ruller hen over gulvet under deres egen fremdrift og øver sig i en dag, hvor de vil bevæge sig rundt for at finde den bedste radiomodtagelse eller levere en batteriopladning til en svigtende nabo. Her er et billede af forbindelsen, siger Estrin og holder et ark papir op med et uforståeligt virvar af streger på. Det ligner en plade spaghetti: Antallet af kommunikationsveje eksploderer, efterhånden som flere noder tilføjes, hvilket gør netværket mere og mere udsat for nedbrud.

Løsningen, der testes i Estrins laboratorium: del og hersk. Tænk på det som at arrangere et stort middagsselskab, siger hun. Meningsfulde samtaler kan ikke forekomme, medmindre folk skiftes til at tale og lytte. Og kommunikation på højt niveau er mest effektiv, hvis folk organiserer sig i klynger og vælger en person til at tale for hver klynge. Derfor klynger knuderne sig selv og justerer sig på farten, og skifter klynger opportunistisk for at optimere både strømforbruget og informationsstrømmen gennem netværket.

Den næste udfordring er simpelthen, hvordan man kanaliserer datastrømmen. Ideen er at lægge behandling i hver node, så den kan kondensere rådata til mønstre og videregive færre bits, end den modtog. Sporene over Estrins hoved kunne for eksempel følge hendes bevægelser og advare deres naboer, som finder ud af den retning, hun går, og transmitterer netop den information - ikke hele registreringen af ​​hendes bevægelser - til en database på en moderknude. Denne node kan anbefale, at lyset slukkes, for eksempel hvis den beslutter, at Estrin har forladt lokalet, og der ikke er andre mennesker til stede. At behandle data lidt ad gangen i hele netværket, siger Estrin, er et første skridt i retning af at programmere systemet til at hjælpe med at træffe intelligente beslutninger. Det sparer også dyrebar batteristrøm.

For at være virkelig nyttigt bør et sensornetværk kun sende brugerne sine analyser af interessante begivenheder, ikke selve råbits. Folk vil have svar, ikke tal, påpeger Steven Glaser, professor i civil- og miljøteknik ved UC Berkeley, hvis gruppe bruger sensornet til at studere seismisk aktivitet.

Blandt de svar, som ingeniører og seismologer som Glaser ønsker: hvordan påvirker jordskælv individuelle komponenter i bygninger, og hvordan reagerer strukturer på lokale variationer i et jordskælvs styrke? Et UCLA-hold ledet af Paul Davis, en geofysiker og hovedefterforsker ved Estrins center, implementerer et 50-node-array af seismiske sensorer på tværs af campus i et forsøg på at lære en del af svaret. Det første skridt er blot at akkumulere dataene, optaget fra jorden med 100 meters intervaller - en meget højere opløsning end den, der leveres af nuværende seismiske sensorer, som er placeret kilometer fra hinanden, siger Davis. Forskerne vil derefter sammenligne, hvordan jorden ryster, med vibrationer målt på samme tid inde i en campusbygning, der er forbundet med U.S. Geological Survey efter jordskælvet i Northridge, CA, i 1994.

Seismisk sansning

Forskere ved UCLA implementerer et 50-node sensornetværk for at overvåge seismisk aktivitet i en finere skala end nogensinde før. Overlejret på dette kort over UCLA-campus er placeringerne af jordens vibrationssensorer (stjerner), med en afstand på 100 meter fra hinanden.

Målet er at udvikle en model for, hvordan finskala seismisk aktivitet påvirker forskellige strukturer. En sådan model, der er programmeret ind i bærbare sensornet, der kan installeres midlertidigt i bykvarterer - kunne hjælpe byplanlæggere med at lære, hvor geologiske forhold har tendens til at forstørre jordskælv, og hvordan man gør bygninger i disse områder sikrere. I fremtiden vil sensorer placeret i nærheden af ​​fejllinjer endda kunne detektere seismiske bølger, der nærmer sig, og udløse alarmer, hvilket giver bygningens beboere dyrebare sekunder til at komme til sikrere områder. Men, siger Davis, det er blå himmel-ting.

Google for den fysiske verden

Smart, autonom og selvbevidst: det er den ultimative vision for sensornet. På mange måder er det blå himmel. Men to industriprojekter giver glimt af en netværksforbundet fremtid.

Der er en fare for, at adgang til data indsamlet af sensornetværk vil være som at drikke af en brandslange, kun værre, siger Feng Zhao, leder af forskningsområdet Embedded Collaborative Computing ved Palo Alto Research Center i Californien. Med andre ord kan det være lige så lammende at blive oversvømmet med for meget data som ikke at have nok. Det er et dilemma, som enhver, der bruger internettet, godt er klar over. Og, siger Zhao, løsningen for sensornetværk kan være ens. I et forsøg på at konstruere brugervenlige grænseflader til sensornetværk, eksperimenterer Zhaos gruppe med en ny type søgemaskine, som han beskriver som Google for den fysiske verden.

Forestil dig, forklarer Zhao, logger på internettet og skriver: Har min græsplæne brug for mere vand? Netværket ville oversætte spørgsmålet til en standardiseret databaseforespørgsel, undersøge tal fra fugtsensorer i dit hjem og sende et ja eller nej tilbage. Lignende systemer til supply chain management og sikkerhed kan være tilgængelige om fem til syv år, siger Zhao. På varehuse kunne ledere udspørge hyldemonterede sensorer om lagertrends, mens vagter i sikre faciliteter kunne programmere smarte netværk af bevægelsessensorer til at udløse alarmer, når de bemærker mistænkelige bevægelsesmønstre.

Til sidst kan sensornet endda virke levende. På en amerikansk hærbase i Fort Leonard Wood, MO, demonstrerede Sensoria-ingeniører i april et foruroligende selvbevidst system, der fysisk omarrangerer sig selv som reaktion på skiftende forhold. Mens 80 tilskuere så på, buldrede en M1-A1 Abrams kampvogn hen over en mark med en plov fastgjort på dens forside, og slog et spor gennem et krat af ubevæbnede miner med en diameter på 12 centimeter. Efter at tanken knuste et halvt dusin eller deromkring af minerne og fortsatte sin vej, omfordelte de resterende miner sig selv for at udfylde hullet bag tanken, der hoppede gennem luften med fyrværkeri, der kom fra små raketforstærkere.

Minerne opnåede denne bedrift ved at udsende og lytte efter akustiske impulser, der hjalp dem med at lokalisere deres naboer inden for få centimeter, siger Kaiser. En forstyrrelse i netværket får minerne til at finde ud af, hvilke naboer der er blevet flyttet eller ødelagt og beregne, hvordan de skal omfordele sig. På en rigtig slagmark kunne sådanne smarte miner besejre fjendens minerydningsbestræbelser eller endda rykke af vejen for venlige styrker og derefter genetablere forsvar bag dem.

På trods af sådanne dramatiske demonstrationer af kraften i trådløse sensornet, er det svært at forudsige, om forsvar, fremstilling eller et endnu ukendt felt vil være vært for deres dræberapp. Det er ligesom pc'er i begyndelsen af ​​1980'erne. Folk troede, at de primært ville blive brugt til at balancere checkhæfter, siger Delin. Hvad angår det kommercielle marked på kort sigt, vil det være et lækkert rodet miljø i et stykke tid med masser af muligheder for nytilkomne, forudser Ember's Poor. Det skyldes, at de potentielle applikationer er overalt omkring os - hvor som helst nyttig information kan udvindes fra vores miljø. Når nutidens forskning omsættes til billige, stødsikre produkter, kan det betyde intet mindre end en fusion mellem den virtuelle verden og den fysiske verden. Det kommer til at ske, siger Zhao. Spørgsmålet er, hvor hurtigt?

skjule