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智能微尘(smart dust)是指具有电脑功能的一种超微型传感器,它可以探测周围诸多环境参数,能够收集大量数据,进行适当计算处理,然后利用双向无线通信装置将这些信息在相距1000英尺的微尘器件间往来传送。智能微尘的应用范围很广,除了主要应用于军事领域外,还可用于健康监控,环境监控,医疗等许多方面。但仍存在一些技术瓶颈,限制了其向市场产品的广泛转化。

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概述编辑本段回目录

智能微尘是一个具有电脑功能的超微型传感器,它由微处理器、双向无线电接收装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将一些微尘散放在一个场地中,它们就能够相互定位,收集数据并向基站传递信息。如果一个微尘功能失常,其他微尘会对其进行修复。

(图)应用产品应用产品

智能微尘又称为智能尘埃,是一种以无线方式传递信息的微型传感器,体积定位在5mm3及以下。每一粒微尘都是由传感器、微处理器、通信系统和电源四大部分组成:主被动传输装置及探测接收装置共同构成通信系统;模拟I/O、DSP、控制模块构成微处理器;电源电容、太阳能电池、薄膜电池都属于电源部分;传感器是相对独立的模块。智能微尘主要基于微机电系统(MEMS)技术和集成电路技术,具有体积微小、功耗极低等特点。一个4.8mm2智能微尘,其MEMS模块实际大小只有2.8mm×2.1mm,而利用0.25μm CMOS工艺制成的集成电路模块实际大小只有1mm×330μm,执行一条指令平均只需12pJ能耗。正是因为智能微尘体积微小功耗极低,使其在组成监测网络时具有独特的优势,如多角度多方位信息融合、低成本高冗余度、近距离接触等。

智能微尘以自组织方式构成的无线网络,是一种不需要基础设施的自创造、自组织和自管理的网络。它们能够相互定位、收集数据并向观察者传递信息,如果一个微尘功能失常,其他微尘会对其进行修复,并不会影响观察数据的获取。智能微尘的出现和智能微尘网络的发展应用带来了一种新的信息获取和处理模式。虽然智能微尘应用前景十分美好,但仍存在着若干技术难题,还不能走向广泛应用。研究者们在将MEMS与其他电子器件集成到单一芯片的过程中遇到严峻的挑战,当前的目标是如何将5mm级的微尘缩小到1mm。

由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进,集成有传感器、计算电路、双向无线通信技术和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小,但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件,未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时,搜集、处理、发射信息。它能够仅依靠微型电池就能工作多年。

应用编辑本段回目录

1、军事应用:
(图)智能微尘智能微尘

智能微尘系统也可以部署在战场上,远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动,智能微尘可以被大量地装在宣传品,子弹或炮弹壳中,在目标地点撒落下去,形成严密的监视网络,敌国的军事力量和人员、物资的运动自然一清二楚。美国五角大楼希望在战场上放置这种微小的无线传感器,以秘密监视敌军的行踪。美国国防部在四年以前就已经把它列为一个重点研发项目。如果像美国预想的那样,智能微尘用在战场上,美国的军事实力又将与其他国家再度拉开距离。智能微尘还可以用于防止生化攻击——智能微尘可以通过分析空气中的化学成分来预告生化攻击。此外,智能微尘还有许多具体的军事应用。
2、远程健康监控:
通过这种无线装置,可以定期检测人体内的葡萄糖水平、脉搏或含氧饱和度,将信息反馈给本人或你的医生,用它来监控病人或老年人的生活。将来老年人或病人生活的屋里将会布满各种智能微尘监控器,如嵌在手镯内的传感器会实时发送老人或病人的血压情况,地毯下的压力传感器将显示老人的行动及体重变化,门框上的传感器了解老人在各房间之间走动的情况,衣服里的传感器送出体温的变化,甚至于抽水马桶里的传感器可以及时分析排泄物并显示出问题……这样,老人或病人即使单独一个人在家也是安全的。

3、医疗应用:
英特尔正在研究通过检测压力来预测初期溃疡的“Smart Socks”,以及通过检测伤口化脓情况来确定有效抗生物质的“智能绷带”。如果一个胃不好的病人吞下一颗米粒大小的小金属块就可以在电脑中看到自己胃肠中病情发展的状况,对任何一个胃不好的人来说无疑都是一个福音。智能微尘将来可以植入人体内,为糖尿病患者监控血糖含量的变化。糖尿病人可能需要看着电脑屏幕上显示的血糖指数才能决定合适自己的食物。

(图)智能微尘智能微尘

4、防灾领域的应用:
智能微尘可能会用于发生森林火灾时通过从直升机飞播温度传感器来了解火灾情况。作为进一步的应用,将用于通过传感器网络调查北太平洋海洋板块的美国华盛顿大学“海洋项目”及美国正在推进的行星网络项目中。
5、大面积,长距离无人监控:
以中国西气东输及输油管道的建设为例,由于这些管道在很多地方都要穿越大片荒无人烟的无人区。这些地方的管道监控一直都是道难题,传统的人力巡查几乎是不可能的事,而现有的监控产品,往往复杂且昂贵。智能微尘的成熟产品布置在管道上将可以实时地监控管道的情况,一旦有破损或恶意破坏都能在控制中心实时了解到。如果智能微尘的技术成熟了,仅西气东输这样的一个工程就可能带来上亿元的资金节省。电力监控方面同样如此,据了解,由于电能一旦送出就无法保存,因此,电力管理部门一般都会层层要求下级部门每月上报地区用电要求,但地区用电量的随时波动使这一数据根本无法准确,国内有些地方供电局就常常因数据误差太大而遭上级部门的罚款。但一旦用智能微尘来监控每个用电点的用电情况,这种问题就将迎刃而解。总之,从在拥挤的闹市区可用作交通流量监测器,在家庭则可监测各种家电的用电情况以避开高峰期到感应工业设备的非正常振动来确定制造工艺缺陷,智能微尘技术潜在的应用价值非常之大。而且,微尘器件的价格将大幅下降,已在50到100美元之间,预计5年之内将降到1美元左右,这预示着智能微尘具有广阔的市场前景。

发展编辑本段回目录

虽然智能微尘应用前景十分美好,但当前仍存在着若干技术难题,还不能走向广泛应用。研究者们在将MEMS与其他电子器件集成到单一芯片的过程中遇到了严峻的挑战。研究者们的目标是如何将5mm级的微尘芯片缩小到1mm。

(图)示意图示意图

卡内基梅隆大学MEMS实验室的联合创始人之一Fedder试图利用最新的制造工艺与最先进的设计技术解决这些难题,但要取得突破还有大量的工作要做。而且这需要杰出的、具有超凡的攻关能力的设计工程师来把所有功能集成到单一芯片内。研究者们一直在努力开发先进的设计工具以帮助工程师们最终完成这项艰巨的研究任务。由于研究者们认识到智能微尘技术必将获得广泛应用,并对人类社会产生重大影响,辛勤工作的价值即在于此。这也是美国国防高级研究计划局于1998年便对加州大学伯克利分校该项技术的研究进行资助的原因。

如何对这些极小的微型机械进行供电是当前设计者们所面临的另一个棘手难题。当前这些系统的测试或应用都要靠微型电池供电。比较理想的情况是,未来能随意部署这些无线微尘器件,而无电能之忧。部分研究者们致力于开发所谓的低功耗专用布线协议,以便能用最少的能量实现微尘之间的信息传输。过去两年里,加州大学伯克利分校、麻省理工学院和加州大学已经开始对这样的能源供给问题展开了研究。现在还没有找到一个一揽子解决方案,但无线智能微尘的供电和尺寸两个问题都可望有所突破。在尺寸方面,两年内有可能把几个功能半导体集成到一个半导体上。至于供电问题,加州大学伯克利分校Shad Roundy研究的燃料电池可延长智能微尘器件的工作时间。该燃料电池可以吸收周围工业机械设备振动时所产生的能量,或者从低度光源收集能量,这种技术有望在5年内有所突破。

虽然智能微尘具有极广泛的应用前景,而且研究人员和商业开发者们都渴望智能微尘技术能积极推广应用,但也谨慎地指出,尺寸问题和供电问题需要尽快解决。技术还没有成熟,广泛应用估计还需要几年时间。

mote(智能微尘)工作原理编辑本段回目录


Crossbow Technology, Inc.供图
MICA2 mote使用2节AA电池,最多可以为处理器(CPU)/射频板供电一年。
近些年来,也许已经听说了一种名为mote的新计算概念,这一概念也可称为智能微尘无线感知网络。现在,似乎每一期的《大众科学》、《发现》和《连线》都在大肆宣传mote概念的一些新应用。例如,军方计划使用mote采集战场上的信息,工程师打算将其混合到混凝土中,并用它们从内部监视建筑物和桥梁的状况。

mote可能有数千种不同的应用方法,随着人们对这一概念的熟悉,更多的应用方式可能会应运而生。这是分布式感知技术的一种全新模式,翻开了人们审视计算机的诱人新篇章。

在本文中,将有机会了解到mote的工作原理以及这项技术的多种潜在应用。接着,我们将关注一项市场上已有的激动人心的新技术——MICA mote,体验一下另外一种感知世界的独特方法。

“mote”概念创造了一种审视计算机的崭新方法,但其基本原理却相当简单:
  • mote的核心是一种微小的、低成本、低功耗的计算机。
  • 计算机监控一个或多个传感器。很容易想象所有类别的传感器,包括温度传感器、光传感器、声音传感器、位置传感器、加速度传感器、振动传感器、应力传感器、重量传感器、压力传感器、湿度传感器等。并非所有mote应用都需要传感器,但感知应用非常普遍。
  • 计算机通过射频链路与外界连接。最常用的射频链路允许mote的传输距离达到3到60米。功耗、大小和成本都是更长传输距离的障碍。由于mote的基础概念是微小尺寸(及相关联的极低成本),小功率射频和低功率射频是标准的。

Crossbow Technology, Inc. 供图
MICA2DOT mote通常由圆形的“钮扣”式电池供电,其大小与医元硬币相当。
mote可以不使用电池或者在某些应用中可以接入电网。随着mote在大小与功耗方面不断减小,可以想象利用太阳能甚至一些异乎寻常的能量(如振动能)来使它们得以持续运行。

所有这些部件都封装在一个尽可能微小的壳体内。将来,人们可以想象将mote装入一个只有几毫米大小的器件中。而目前的mote(包括电池和天线在内)普遍与一摞五个或六个一元硬币或者一包香烟的大小相当。目前,电池通常是此封装中最大的部件。目前的mote散件的成本大约在200元人民币左右,但价格在不断下降。

很难想象与微尘一样大小且无害的这样一种器件会引发一场革命,但mote确实做到了这一点。我们将在下一部分内容中关注其多种潜在应用。

可以考虑将mote作为单独的传感器。例如:

  • 可以在浇铸混凝土时将mote嵌入桥梁中。mote中包含的传感器可以检测出混凝土中的含盐浓度。之后,可以每月一次驾驶一辆卡车通过桥梁,通过桥梁时卡车会向桥梁中发出强大的磁场。这个磁场使得埋藏在桥梁混凝土中的mote得以通电并传输含盐浓度。盐份(可能来自防冻剂或海水扩散)会削弱混凝土的强度并腐蚀用来加强混凝土的螺纹钢筋。盐份传感器可以使桥梁维护人员测定盐份对桥梁的损害程度。其他可能嵌入桥梁混凝土中的传感器可以检测到振动、应力、温度波动、裂纹等等,所有这些因素都可以帮助维护人员在问题变得严重之前及早发现它们的存在。
  • 可以将能够监控机器的温度、转数、油位等状态并将状态记录到mote内存中的传感器与一个mote连接。之后,当一辆卡车经过时,mote 便可以传输所有记录的数据。如此一来,详细的维护保养记录便可以保存在机器中(例如在油田里),而无需维护人员亲自测量所有这些参数了。
  • 还可以将mote连接到某个居民区的水表或电表上。这些mote会记录客户的用电量和用水量。当一辆卡车经过时,mote接收到来自卡车的信号并发送它们的数据。这样,一个人只需驾车沿街道行驶,就可以非常轻松地读取居民区内的所有仪表。
所有这些想法都很好;某些想法还使传感器进入前所未有的领域(例如嵌入混凝土中),其他一些想法缩短了挨个读传感器数据所需的时间。

然而,mote最令人兴奋之处是使用大量相互通信且构成自组织网络的mote的想法。

美国国防高级研究计划局(DARPA)是mote概念的最初赞助方之一。DARPA实现的其中一个初期mote概念可使mote感知战场状况。

例如,让我们做出这样的设想:一位指挥官希望能够查明某个遥远区域坦克的运动。一架飞机从该区域飞过,散落数千个mote,每个mote都配备了一个磁力计、一个振动传感器和一个GPS 接收器。这些受电池操控的mote的散落密度是大约每30米一个。每个mote激活,感知其位置,然后发出一个射频信号来发现其附近的mote。

该区域中的所有mote构建了一个巨大的可以采集数据的自组织网络。数据通过网络传输并到达一个采集节点,该节点具有强大的射频,可以将信号传输很远的距离。当一辆敌方坦克通过该区域时,检测到这辆坦克的mote将传输各自的位置及其传感器的读数。附近的mote接收传输的数据并将数据转发给它们附近的mote,直到信号到达采集节点并传输给指挥官。这时,指挥官可以将数据显示在屏幕上并实时查看该坦克在mote区域移动的路线。随后,一架无人驾驶飞机可以飞到坦克上方,确定它属于敌方后扔下炸弹摧毁它。

认识到这些mote替代的系统之前,实现这种应用似乎有些困难重重。过去,指挥官用来阻止坦克或军队在某个遥远区域运动的工具一直是地雷。士兵在该区域埋下数千颗反坦克地雷或反步兵地雷。通过该区域的任何人,无论是友军还是敌军,都会被炸。当然另一个问题是,在战争结束后很长一段时间内,这些地雷仍然起作用并且可能致命,它们埋在地下等待夺取所有过路人的四肢甚至生命。据这份 UNICEF 报告称,过去30年中地雷已经导致超过100万人死亡或者致残,其中很多是儿童。而对于mote,战后遗留下的仅仅是微小、完全无害的传感器。由于mote耗电极小,因此电池将持续一年或两年。之后,这些mote将悄无声息,不会对附近平民带来任何实质性威胁。

由数百个或数千个相互通信并且逐个传送数据的mote构成的自组织网络是个非常强有力的概念。下面介绍几个已投入使用的概念的示例:

  • 设想一个偏远居民区或者公寓大楼内装有用来监视水表和电表的mote(如上一部分所描述的)。由于普通居民区内所有仪表(和mote)的相互间距在30米以内,因此连接的mote之间可以形成一个自组织网络。在居民区的一头有一个具有网络连接或手机链路的超级mote。在这个假想的居民区内,读表工不用每月驾驶一辆卡车穿过居民区来读取各个水表或电表,这些mote将逐个传送数据,而超级mote将传输数据。如果有需要,可以每小时或每天进行测量。
  • 农场主、葡萄园主或生态学者可能在mote中安装检测温度、湿度等的传感器,使每个mote成为一个微型气象站。通过散布在田间、葡萄园或森林内的这些mote,他们可以对居民区域气候进行跟踪。
  • 楼宇管理人员可以在大楼内遍布的每条电线上安装mote。这些mote具有感应传感器,可以用来检测具体某条电线上的用电量,并可让楼宇管理人员查看某个插座的耗电量。如果大楼内的耗电量较高,那么楼宇管理人员可以跟踪到特定的某个租户。虽然通过电线也可以实现这一点,但使用mote成本要低许多。
  • 生物学家可以在一种濒临灭绝的动物身上装上含有mote的项圈,这种mote可以感应位置、温度等。当这种动物四处走动时,mote会采集并存储来自传感器的数据。在这种动物的环境内,生物学家可以构建由数据采集mote组成的区或带。当这种动物在其中某个区域内走动时,项圈内的 mote将其数据转储到该区域中的自组织网络,然后自组织网络将数据传输给生物学家。  
  • 在公路上每隔30米放置一些配备了检测交通流量的传感器的mote,可以帮助警察确定由于事故使交通中断的位置。由于不需要电线,安装成本相对更低。

JLH Labs 供图
Spec”是一种单芯片mote(隐藏在白色方蜡下面),大小约为2毫米x2.5毫米,有一个类似于AVR的RISC核心、3K的内存、8位的片上ADC、FSK射频发射器、分页内存系统、通信协议加速引擎、寄存器窗口及更多器件。

JLH Labs 供图
用来激活Spec(上图所示)的工作台。

JLH Labs 供图
放在上一代UC Berkeley mote-- Mica节点上的“Spec”。尺寸的锐减令人惊奇。
MICA mote是一种市售产品,已经得到相关研究人员和开发人员的广泛使用。它具有mote的所有典型功能,因此可以帮助你了解当前这项技术可行的情况。一家名为Crossbow的公司向公众提供MICA mote。这些mote有两种外形尺寸:
  • 矩形,尺寸为5.7x3.18x0.64 厘米,加工至可以放在为其供电的两节 AA电池上的尺寸。
  • 圆形,尺寸为2.5x0.64厘米,加工至可以放在一节3伏钮扣式电池上的尺寸。
MICA mote使用一块以4 MHz速度运行的Atmel ATmega 128L处理器。128L是一个8位微控制器,它有一128 KB板载闪存用来存储mote的程序。此CPU的运算能力大致与最初IBM PC(大约在1982年推出)中的8088 CPU相当。一个较大的差异是ATmega在运行时仅消耗8毫安电流,而在休眠模式下仅消耗15微安的电流。

这种低功耗使得MICA mote仅用两节AA电池就可以运行一年以上。一节普通AA 电池可以产生大约1,000毫安每小时的电量。工作电流为8毫安时,ATmega可以连续工作大约120小时。不过,程序员通常会编写代码使CPU在多数时间内处于休眠状态,从而显著延长电池寿命。例如,mote可能会休眠10秒钟,苏醒并检查状况若干微秒,然后恢复休眠状态。


JLH Labs 供图
放在上一代UC Berkeley mote--Mica 节点上的“Spec”的清晰视图。“Spec”是在中间凸起的一小块上的微小方块。

MICA mote带有512 KB闪存来保存数据。它们还具有10位A/D转换器,因此可以使传感器数据数字化。子卡上的单独传感器可以与mote连接。可用的传感器包括温度传感器、加速度传感器、光传感器、声音传感器和磁场传感器。针对GPS 信号等的高级传感器正处于开发中。

MICA mote的最后一个部件是射频板,其传输范围为几十到几百米,每秒大约可以传输40,000比特。关闭时,射频板消耗不到一微安的电流。接收数据时,消耗10毫安电流。传输数据时,消耗25毫安电流。节约射频功率是延长电池寿命的关键。

所有这些硬件部件合起来构成一个MICA mote。程序员编写软件来控制mote并使它按照特定的方式执行操作。MICA mote上的软件是在名为TinyOS 的操作系统上构建的。TinyOS很有用,因为它可以为您处理射频和电源管理系统并且大大简化了为mote编写软件的过程。2003年3月,研究人员成功将mote所需的所有器件封装到一个每边不足3毫米的芯片上。总尺寸大约为5平方毫米,这意味着你可以在一个一角硬币上放下十几个这样的芯片。


在圆珠笔的笔尖旁边展示的“Spec”

这种芯片包含了mote中的所有部件:CPU、内存、用于读取传感器数据的A/D转换器和射频发射器。要完成封装,你还需要安装传感器、电池及天线。批量生产时,这种芯片的成本甚至不到一美元。 

参考资料编辑本段回目录

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标签: 智能微尘

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同义词: 智能尘粒,智能尘,smart dust,mote

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