Сенсорные сети

Миниатюризация микросхем и прогресс беспроводной связи открывают новые горизонты в информационно-компьютерных технологиях.

Миниатюризация микросхем и прогресс беспроводной связи открывают новые горизонты в информационно-компьютерных технологиях. Эксперты предсказывают, что скоро миллиарды микроскопических сенсоров, встроенных чуть ли не во все окружающие нас предметы, от деревьев до памперсов, смогут реагировать на изменения в обстановке и взаимодействовать друг с другом, решая множество наших насущных проблем. То, о чем несколько десятилетий назад писали фантасты, вот-вот станет обыденностью. Грядет новая парадигма — беспроводные сенсорные ad hoc (Ad hoc - то есть «специальный, созданный для данной цели») сети.

Предпосылки

Достижения микроэлектроники позволяют интегрировать на крохотном кремниевом кристалле как вычислительные блоки, так и устройства для поддержки беспроводных сетей — глобальных, локальных и персональных. А если на том же кристалле расположить и средства передачи данных, голоса и видео? Уже возможно создавать радиоприборы, способные одновременно работать в нескольких режимах и в разных сетях (например, «интеллектуальные» сотовые телефоны и коммуникаторы). И скоро все это будет размещено на одном кристалле, который можно установить в наручных часах, в миниатюрных наушниках, микрофонах, нагрудных значках и т. д. (используя новые подходы в КМОП-технологии и в технологии миниатюрных электромеханических систем (MEMS, micro-electrical mechanical systems), уже сегодня можно интегрировать все основные схемы и компоненты, необходимые для создания КМОП-кристаллов радиомикросхем, на стандартной кремниевой пластине, как не раз отмечалось, например, на Форумах Intel для разработчиков (концепция Radio Free Intel)) Причем все эти «чудеса» станут доступны разработчикам приложений и потребителям уже в конце текущего десятилетия, а то и раньше.

Возможности применения «миниатюрного полупроводникового радио» ограничены только нашей фантазией. Можно организовать сенсорную среду с использованием функций беспроводной передачи данных — например, для температурного или химического анализа. А поскольку стоимость таких датчиков составит несколько центов или даже долей цента, то подобные вычислительные устройства легко интегрировать прямо в окружающую нас среду.

Многообещающе применение сенсоров в медицине — мониторинг сердечного ритма, кровяного давления и других жизненно важных показателей для автоматического предупреждения врачей и оказания неотложной помощи. А, скажем, оборудованная разнообразными сенсорами детская кроватка способна не только контролировать дыхание или температуру тела ребенка, но и предупреждать взрослых об опасных изменениях этих параметров или даже самостоятельно предпринимать какие-то меры. А как вам плавательный бассейн, контролирующий чистоту воды?

Возможности использования сенсорных сетей простираются далеко за пределы жилища, офиса или медицинского учреждения — эксперты называют, прежде всего, экологию и службы спасения: крошечные датчики, разбросанные с самолетов над лесными массивами, поднимут тревогу при возникновении пожара, помогут отыскать заблудившихся туристов, передадут в диспетчерский центр по самоорганизующейся беспроводной сети исчерпывающий сведения о состоянии «зеленого океана». Они же могут следить за созреванием урожая, информируя фермеров о нехватке влаги, удобрений и пр. (см. также врезку). Используя сенсорную сеть для сбора информации о состоянии среды обитания в птичьем заповеднике на острове Грейт-Дак (штат Мэн), биологи совместно с сотрудниками Intel получили данные об особенностях поведения редких видов птиц, что раньше было невозможно. И это только малая часть широчайших перспектив сенсорных сетей.

Самонастраивающиеся беспроводные сенсорные сети

Для эффективной работы нужно объединить сенсоры в сеть. Исследователям Intel удалось создать специальные динамические и самонастраивающиеся сети, использующие питающиеся от батарей сенсоры, которые самостоятельно устанавливают контакт с соседними сенсорами. Когда они перемещаются, сеть динамически изменяет конфигурацию. Сейчас задача состоит в том, чтобы сделать датчики размером с пылинку (mote).

Во время одной из демонстраций подобной сети на Форуме Intel для разработчиков по всей аудитории было раскидано более сотни мячей, снабженных датчиками, а с базовой станции запустили серию алгоритмов, которые определяли положение каждого датчика и его ближайших соседей. Сеть сама вычисляла оптимальный маршрут следования данных, который можно было наблюдать на экране. Узлы перенаправляли данные 20–25 раз секунду в течение примерно пяти перемещений мячей, при этом скорость передачи составляла 10 кбит/с. На изменение конфигурации сеть тратила около пяти секунд. Во время другой демонстрации была создана самая большая в мире самонастраивающуюся сеть, состоявшая из нескольких тысяч узлов. Прикиньте, сможет ли оператор за считанные секунды сконфигурировать сеть, содержащую хотя бы несколько десятков узлов?

Термин ad hoc отражает суть подобных сетей, которые организуются каждый раз для решения конкретных задач и после их выполнения распадаются на отдельные элементы, готовые образовать новые сети. Крошечные, как пылинки, полупроводниковые устройства, выполняющие вычислительные и коммуникационные функции и способные оптимальным образом автоматически конфигурироваться в сети, являются основой парадигмы сетей ad hoc, повышающей производительность и безопасность сетевых вычислений.

В концепции сенсорных сетей кардинально меняется роль человека, поскольку их элементы — сенсорные микрокомпьютеры — становятся гораздо более самостоятельными, зачастую предвосхищающими наши действия. «Гомоцентрическая» модель сетевых вычислений уходит в прошлое — человек перестает быть центром вычислений и становится лишь посредником между реальным миром и компьютерами, занимаясь общей организацией системы.

Разумеется, чтобы воплотить в жизнь заманчивые мечты о сенсорных беспроводных сетях, предстоит еще многое сделать. Малогабаритные датчики должны не только интеллектуально отслеживать состояние среды, организовываться в единую беспроводную сеть и обладать приличным запасом энергии для автономной работы, но и действовать в зависимости от обстановки. И при этом быть достаточно дешевыми, чтобы их было дешевле выбросить, чем подзарядить. Распространение сенсорных сетей может дать эффект несравнимо больший, нежели распространение Интернета.

Что сделано и что предстоит

Одним из центров разработки сенсорных сетей, координирующим усилия академического сообщества и индустрии, является исследовательская лаборатория Intel в Калифорнийском университете в Беркли. Ее главная цель — создание беспроводной интегрированной вычислительной платформы-сенсора с низким энергопотреблением. Эксперименты ведутся в трех основных направлениях: разработка гибкой и открытой операционной системы; создание сетевых технологий, обеспечивающих самоорганизацию сетей из сенсоров; разработка востребованных приложений для ad hoc сетей.

Те сенсоры, которые демонстрировали пару лет назад возможности самонастраивающихся сетей и использовались для научных исследований на острове Грейт-Дак, на виноградниках и в ряде других случаев, были относительно крупными — площадью примерно с пятирублевую монету (см. фото). Ранние прототипы сенсоров использовали мощный микроконтроллер с частотой 4 МГц, 16 Кбайт флэш-памяти для инструкций, 512 байт статической RAM, несколькими АЦП и примитивными периферийными интерфейсами, а также 256 Мбайт перезаписываемой памяти в качестве вторичного устройства хранения. Сенсоры, актуаторы (аctuators, или активные датчики,— устройства на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только ее регистрировать) и радиочастотная сеть обслуживались как подсистема ввода-вывода. Узлы сети использовали специфическую операционную систему TinyOS, занимающую всего от несколько сотен байт до пары килобайт («форточки» отдыхают). Нынче технологии заметно ушли вперед, и уже создаются сенсоры объемом около 1 куб. мм (см. фото выше).

Приоритетные направления разработок: создание разнообразных актуаторов, биочипов (для анализа состава жидких сред на базе методов прецизионной биологии), сенсоров жидких сред и биологически развивающихся объектов, а также методика объединения сенсоров с предметами, мониторинг которых «вменяется» им в обязанность. Подобные исследования открывают колоссальные перспективы для медицинских и фармацевтических разработок и синтеза разнообразных биологических препаратов. Сенсоры температуры, влажности, атмосферного давления и инфракрасного излучения позволят следить за состоянием живой природы и среды обитания разнообразных организмов в естественных условиях. Данные экологических наблюдений передаются по спутниковому каналу в Интернет, откуда исследователи загружают их в режиме реального времени. Технология сенсорных сетей — это новое слово в наблюдении за состоянием окружающей среды со значительно меньшим воздействием на нее по сравнению с вмешательством человека.

Методика использования сенсорных сетей будет сильно отличаться от нынешних интерактивных вычислений, когда или компьютеры ждут наших указаний, или мы ждем от них результатов. В мире активных вычислений компьютеры будут действовать на переднем крае, буквально предвидя наши пожелания. Следует всерьез задуматься о том времени, когда на каждого землянина придется не один, а сто или даже тысяча компьютеров. Причем человек будет не центром всего этого вычислительного многообразия, а некой вершиной пирамиды, обеспечивающей информационное взаимодействие между компьютером и реальным миром, полагает Дэвид Тенненхауз, вице-президент подразделения Corporate Technology Group корпорации Intel. Эксперты прогнозируют скорое наступление эры так называемых проактивных (превентивных, упреждающих) вычислений, когда компьютеры будут напрямую связаны с физическим миром, смогут предугадывать желания людей и даже поступать по своему усмотрению — естественно, в соответствии с заложенными в них программами.