Сенсорные сети: как скоро?
АрхивПлатформаМиниатюризация процессов производства микросхем и прогресс технологий беспроводной связи открывает новые горизонты применения информационно-компьютерных технологий — развитие сенсорных сетей и распределенных вычислений.
Предпосылки
Миниатюризация процессов производства микросхем и прогресс технологий беспроводной связи открывает новые горизонты применения информационно-компьютерных технологий - развитие сенсорных сетей. Эксперты предсказывают, что скоро миллиарды микроскопических сенсоров, встроенных почти во все окружающие нас предметы, от деревьев до детских памперсов, смогут реагировать на изменения в обстановке и взаимодействовать друг с другом, решая множество насущных проблем. То, что несколько десятилетий назад предсказывали писатели-фантасты, уже совсем скоро станет нашей с вами обыденной жизнью. Грядет новая парадигма - беспроводные сенсорные ad hoc сети.
Современные достижения микроэлектроники позволяют интегрировать на одном крохотном кремниевом кристалле как вычислительные блоки, так и все необходимые устройства для поддержки беспроводных сетей - глобальных, локальных и персональных. А если на этом же кристалле расположить и устройства для передачи данных, голоса и видео? Уже возможно создавать радиоустройства, способные работать в нескольких режимах и в разных сетях одновременно (например, «интеллектуальные» сотовые телефоны и коммуникаторы). И скоро все это будет сосредоточено на одном кристалле, который можно разместить в наручных часах, в миниатюрных наушниках, микрофонах, нагрудных значках и так далее.1 Причем все эти «чудеса» станут доступны разработчикам приложений и потребителям уже в конце текущего десятилетия, а то и раньше.
|
Будущие беспроводные сенсоры (motes) будут |
Возможности применить «миниатюрное полупроводниковое 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 легко интегрировать подобные вычислительные устройства прямо в окружающую нас среду.
Крайне многообещающе применение сенсоров в медицине - мониторинг сердечного ритма, измерение кровяного давления и ряда других жизненно важных показателей для автоматического предупреждения врачей и оказания, в случае необходимости, неотложной помощи, облегчение жизни больным и престарелым людям, улучшение комфортности обычной жизни. Оборудованная разнообразными сенсорами детская кроватка способна не только контролировать дыхание ребенка и улавливать изменения температуры его тела, но и предупреждать взрослых об опасных изменениях или даже сама предпринимать какие-то меры. А плавательный бассейн может самостоятельно контролировать свежесть и чистоту воды...
|
Сенсорные сети для «умного» дома - датчики во всех «подручных» объектах. |
Возможности использования сенсорных ad hoc сетей простираются далеко за пределы дома, офиса или медицинского учреждения - эксперты называют, прежде всего, экологию и службы спасения: крошечные датчики, разбросанные с самолетов над большими лесными массивами могут отслеживать либо возникновение лесных пожаров, либо маршрут заблудившейся туристической группы, передавая в диспетчерский центр по самоорганизующейся беспроводной сети доскональный мониторинг состояния «зеленого океана». Они же могут следить за созреванием урожая, информируя фермеров, когда не хватает влаги или удобрений и так далее (см. также врезку).
|
Одна из первых реальных сенсорных сетей |
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 просто невозможно было бы сделать ранее. И это - только малая часть широчайших возможностей сенсорных сетей.
Производство вина - занятие, требующее учета весьма большого объема разнообразной информации. Вино покупается и продается не на вес или объем (как, например, злаковые или овощи) и его цена во многом зависит от места и года, где и когда был выращен и собран виноград. Существует множество вещей, влияющих на качество вина и опытные виноделы тщательно учитывают при этом малейшие нюансы, чтобы добиться желаемого вкуса, цвета и «букета». Но если использовать сенсорные сети, то можно «рассеять» множество беспроводных датчиков по винограднику и непрерывно отслеживать сведения о температуре, влажности и других режимах созревания каждой виноградной лозы. Затем можно проанализировать, какой режим дает то или иное качество вина, и в дальнейшем смешивать сок разных гроздей уже на научной основе.
|
Ричард Беквит вынимает устройства для сбора |
На нескольких виноградниках в долине Вилламет (штат Орегон) исследователи Intel развернули опытный участок такой беспроводной сенсорной сети. Руководит проектом профессиональный... психолог Ричард Беквит (Richard Bechwith), использующий исследовательскую технологию, известную как «наблюдение за участниками». Он наблюдает, с одной стороны, за экспертами, которые собирают научную информацию с сенсоров, размещенных на винограднике, а с другой стороны, за самими виноградарями, чтобы понять, какие параметры и критерии в области виноградарства важны для тех и других и как эта информация увязывается воедино.
|
Один из сенсоров, висящих в винограднике в Орегоне. |
|
В центре новой вычислительной тенденции находится сенсор, умеющий собирать информацию, производить вычисления и общаться. |
Исследователи считают виноградники весьма подходящим местом для «пилотного» применения встроенных сетей (embedded networking), поскольку современные методы ведения сельского хозяйства, до сих пор не очень активно использующего достижения высоких технологий, основаны на усредненных оценках и не могут соответствовать требованиям таких чувствительных и элитных направлений, как выращивание винограда. Информация, собранная сетями сенсоров, может использоваться для обеспечения максимальной урожайности, позволяя владельцам виноградников и менеджерам быстрее окупить инвестиции. Поэтому именно здесь применение сенсорных сетей, как ни странно, может дать максимальный эффект. На первом пробном винограднике сенсоры измеряют температуру окружающего воздуха раз в минуту, а потом запоминают самое высокое и самое низкое значение за прошедший час. Время от времени Беквит ходит по винограднику и собирает информацию, которую накопили сенсоры, при помощи небольшого устройства с возможностями беспроводной связи. Пока он делает это раз в несколько недель, но скоро он планирует это делать ежедневно при помощи собаки по кличке Роджер: Беквит прикрепит ему на ошейник специальное устройство для сбора информации от сенсоров.
|
В следующем сезоне Роджер поможет собирать данные при помощи закрепленного на ошейнике устройства для сбора информации с сенсоров. |
Самонастраивающиеся беспроводные сенсорные сети
Условием эффективной работы является необходимость объединить сенсоры в единую сеть из множества узлов. Исследователям Intel удалось создать специальные динамические и самонастраивающиеся сети, использующие работающие от батарей mote-сенсоры, которые ищут и самостоятельно устанавливают контакт с соседними сенсорами. Когда эти сенсоры перемещаются, сеть динамически изменяет конфигурацию. Сейчас задача состоит в том, чтобы сделать датчики действительно размером с пылинку (mote).
На одной из публичных демонстраций подобной сети на Форуме Intel для разработчиков по всей аудитории было раскидано более сотни мячей с прикрепленными к ним датчиками, а с базовой станции запустили серию алгоритмов, которые определяли положение каждого датчика и его ближайших датчиков-соседей. Сеть сама вычисляла оптимальный маршрут прохождения данных. На экране можно было наблюдать, по какому пути проходят данные. Узлы перенаправляли данные 20-25 раз секунду в течение примерно пяти перемещений мячей, при этом скорость передачи данных составляла 10 Кбит/с. Для того, чтобы самостоятельно изменить конфигурацию сети, требовалось около 5 секунд. Во время другой демонстрации была создана самая большая в мире самонастраивающуюся сеть, состоявшая из нескольких тысяч узлов. Прикиньте, сможет ли оператор всего за несколько секунд сконфигурировать сеть, содержащую хотя бы несколько десятков узлов?
Термин ad hoc (специальный, созданный для данной цели) отражает суть подобных сенсорных сетей, которые организуются каждый раз для решения конкретных задач и распадаются на отдельные элементы после их выполнения, готовые образовать новые сети, как только в этом возникнет необходимость. Крошечные, как «пылинки» (mote), полупроводниковые устройства, выполняющие одновременно вычислительные и коммуникационные функции и способные наиболее оптимальным образом автоматически конфигурироваться в самоорганизующиеся сети, и являются основой новой парадигмы ad-hoc-сетей, повышающей производительность и безопасность сетевых вычислений.
|
Экспериментальные беспроводные сенсоры ранних поколений. |
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 с человеком в качестве центрального звена в такой новой сети отходит в прошлое - человек перестает быть центром вычислений и становится лишь посредником между реальным миром и компьютерами, концентрируясь на общей организации системы.
Разумеется, чтобы воплотить в жизнь заманчивые мечты о сенсорных беспроводных сетях, предстоит еще многое сделать. Малогабаритные датчики (mote) должны не только интеллектуально отслеживать состояние среды, самоорганизовываться в единую беспроводную сеть и обладать приличным запасом энергии для автономной работы, но и действовать в зависимости от обстановки. И быть при этом достаточно дешевыми, чтобы их было дешевле выбросить, чем подзарядить. Распространение сенсорных сетей может создать эффект несравнимо больший, чем распространение Интернета. Читать дальше >>>
1. Действительно, 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, непосредственно на стандартной кремниевой пластине, как неоднократно отмечалось, например, на регулярно проходящих Форумах Intel для разработчиков (Intel Developer Forum) - концепция «Radio Free Intel». [вернуться]
Что сделано и что предстоит
Одним из центров разработки сенсорных сетей, координирующим усилия академического сообщества и индустрии, является исследовательская лаборатория корпорации Intel в Калифорнийском университете в Беркли. Главной целью служит создание беспроводной интегрированной вычислительной платформы-сенсора с низким энергопотреблением. Работы 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 (см. выше) и использовались для научных исследований на острове Грейт-Дак, на виноградниках (см. врезку) и в ряде других случаев, были относительно крупногабаритными - площадью примерно с пятирублевую монету (см. фото).
|
Сенсоры, применяемые для исследований лабораторией |
|
Эволюция сенсоров с 2002 года. |
Ранние прототипы сенсоров использовали микромощный 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»2 и радиочастотная сеть обслуживались как подсистема ввода-вывода. Узлы сети использовали специфическую операционную системы TinyOS, занимающую всего от несколько сотен байт до пары килобайт («форточки» отдыхают). Нынче технологии заметно ушли вперед и уже создаются кремниевые сенсоры объемом около 1 куб. мм, что станет настоящим прорывом.
Приоритетные направления разработок: создание разнообразных актуаторов, биочипов (для анализа жидких сред и их состава - 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, осуществления химических процессов и изготовления биологических препаратов. Сенсоры температуры, влажности, атмосферного давления и инфракрасного излучения позволят ученым без вмешательства извне 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 на нее воздействием по сравнению с вмешательством человека.
Методика использования сенсорных сетей будет очень сильно отличаться от нынешних интерактивных вычислений, когда или компьютеры ждут наших указаний, либо мы ждем от них результатов. В мире активных вычислений компьютеры будут действовать на переднем крае, буквально предвидя и предчувствуя все наши пожелания, а иногда даже действуя от нашего имени на опережение. Надо всерьез задуматься о том времени, когда на каждого человека на Земле будет приходиться не один, а сто или даже тысяча компьютеров. При этом человек будет не центром всего этого вычислительного многообразия, а некоей «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 новой 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.
По материалам еженедельника «Компьютерра».
2. Аctuators или активные датчики - устройства на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только регистрировать ее состояние. [вернуться]
