智能尘埃:无线传感网的微缩景观

2010-08-02 11:16:48来源: 中国计算机报

  为调查Condor号宇宙飞船的失踪,强大的“所向披靡”号宇宙飞船降落在名为Regis III的星球。船员们在调查过程中发现,在这个貌似没有生命的荒凉星球上,存在着多种具有自治、自修复能力的微小机器人。与达尔文“物竞天择”的进化论相似,机器人的进化是靠战争完成的。战争中幸存者往往是群居的昆虫状纳米机器人。它们平时对人无害而且行为简单。而一旦被激怒,它们会迅速聚集成一个庞大的“昆虫”云,通过个体间的自组织,表现出十分复杂的行为能力,并发射强大的电磁辐射浪涌来击溃入侵者……

  这个与电影《阿凡达》类似的星球之战的场景,源自波兰科幻小说大师史坦尼斯劳·莱姆1964年出版的科幻小说《所向披靡》(《The Invincible》)。《所向披靡》中有关纳米机器人的感知、自治、自修复和群体内部通信与自组织的描述,被视为对智能尘埃最早的畅想。

  在本世纪最初的几年中,智能尘埃曾经是科技界时髦的话题,然而到了近几年,智能尘埃变得销声匿迹。究其原因,倒不是因为研究方向出现问题,而是即便以今天的技术工艺水平而论,要将传感器、模拟/数字电路、通信乃至电源全部封装在1mm3的空间中,仍然是个艰巨的挑战。

  如今,智能尘埃早已淹没在无线传感网如雷贯耳的声浪中,然而不可否认的是,智能尘埃不仅是无线传感网的源头,而且,还将成为无线传感网的归宿。

  Pister:智能尘埃的发明人

  将莱姆的文字付诸行动的是美国加州大学伯克利分校教授Kristofer Pister。Pister本科毕业于加州大学圣地亚哥分校应用物理学专业后,又在伯克利分校获得计算机、电子学两个硕士学位和电子学专业的博士学位。

  跨学科而又相互关联的知识结构为Pister率先将MEMS(微电子机械系统)技术应用于智能尘埃并最终成为智能尘埃的发明人奠定了坚实的知识基础。

  1992年前后掀起了一阵智能热:智能居室、智能建筑、智能炸弹等等,于是Pister想起了“智能尘埃”这个词。而Pister有关智能尘埃的实质性研究则始于1994年,与此同时,他还开展了相关硬件平台的研发。

  这项得到美国国防部先进研究计划局(DARPA)微系统技术办公室MEMS计划资助的研究,目的是通过演示来证明一个完整的传感器和通信系统可以被集成到立方毫米量级的空间中。由于DARPA的资助范围并不包括传感器,Pister与其同事从一开始就没有把目标放在特殊的传感器,而是将研究的重点放在了系统的微型化、集成技术和能源管理等方面。

  为了配合Pister的智能尘埃项目,DARPA网络嵌入式系统技术办公室(NEST)还资助伯克利分校Jason Hill和David Culler开发超小型操作系统TinyOS。

  TinyOS是一种开源的、基于构件技术的操作系统平台,该研究小组于1999年推出TinyOS的首个版本。时至今日,TinyOS依旧是无线传感网在嵌入式市场中的首选。

  近观智能尘埃

  Pister研究项目的最终目标是到2010年7月,在立方毫米量级上实现具有自治能力的传感器系统。具体而言,传感器采用温度传感器或者加速度传感器;计算单元由可定制化的混合信号CMOS ASIC(专用集成电路)实现,这一专用电路包括模拟I/O、DSP数字信号处理器)、控制器等功能单元;通信部分由激光二极管构成的激光通信发射系统和激光通信接收系统构成;电源部分则由硅光电池、电容器和薄膜电池组成。

  1999年7月,Pister演示了一个体积大约为100立方毫米的硬件系统平台,这个系统有两个芯片,其中一个是基于MEMS技术的光学发射阵列,另一片CMOS专用集成电路(ASIC)则含有光学接受器、充电泵浦和简单的数字控制器。

  到了2010年7月,该项目圆满完成。Pister利用市场上可以买到的现货商品,将温度、湿度、气压、光强、倾角与振动、磁等传感器封存在立方毫米量级的空间内,其中还包括双向无线通信单元、微控制器和电池。该智能尘埃的通信距离达到20米,连续工作时间为1周,如果以1%的工作休眠比计,工作时间可长达2年之久。

  在该项目完成前夕,项目组还做了一些相关的基础实验,只是来不及放到正式的演示中。根据Pister当时邮件,项目组在7月1日做了一个实验,将1Mbps的光学接收机、8位模/数转化器、光传感器和数字控制器放置在0.15mm3空间里。项目组还计划在半导体生产线上将含有数个多功能太阳能电池、一个加速度计和一个模块化光学角反射器的MEMS芯片集成到专用芯片中,从而使得整个系统的体积恰好在1mm3之内。Pister希望在当年8月1日之前实现实验室的功能演示。

  2002年,Pister创建了Dust Networks公司并任CTO,该公司对外提供智能尘埃的技术产品。

  来自长“腿”智能尘埃的挑战

  如果说Pister只研究智能尘埃的话,那还不能说实现了《所向披靡》所描绘的场景。事实上,Pister另一个研究重点是合成昆虫项目,除了不能发射电磁辐射浪涌外,与《所向披靡》所述就比较吻合了。

  Piser在伯克利分校网站其个人主页上透露:合成昆虫项目就是让智能尘埃长上“腿”,从而可以四处走动,甚至飞向天空。为此,他们还与那些研究昆虫行走、奔跑和飞行的生物学家进行合作。

  他乐观地写道:用不了多少年,人们就有能力利用Web上的“切割—粘贴”工具,根据自己的需要选择“腿”、电机、传感器和电子线路来设计机器昆虫,并把互联网上下载的控制算法加载到机器昆虫上,然后将昆虫放到一个3D交互的仿真环境中,看其如何与其他虚拟的虫子进行社交或者战斗。一旦对设计感到满意,只须按下按键,设计就会被提交到工厂去生产,两个月后就可以得到这些小家伙,或许会有几百个小家伙在你办公桌周围四处乱窜。

  此刻的Pister更像是一位科幻作家。不过,这么多小东西如影随形地跟着你,隐私确实很成问题。

  “任何技术都有黑暗的一面,比如说伴随着智能尘埃的是个人隐私的保护将变得越来越困难。”Pister表示,“不论是工程师还是科学家,或者是发型师,任何人在做事情时都要考虑正负两方面的影响。只要我意识到智能尘埃的负面影响能与正面影响相提并论的话,我就不会继续做下去。实际上,我认为智能尘埃带来的好处要远远超过其对个人隐私带来的风险。”

  然而,来自瑞士Futurizon咨询公司的未来学家Ian Pearson则要悲观得多。

  今年7月16日,Register网站刊登了《未来学家警告恶意尘埃威胁》文章,该文谈到在由富士通公司委托的题为《生活,如何更好地享有》的咨询报告中,Pearson表示,一些智能尘埃会从办公设备的通风栏滑进去,在数据达到加密设备之前截获这些数据,还有一些更聪明的智能尘埃甚至可以在打印时巧妙地替换文件。

  有人会说,怎么未来学家比科幻作家还科幻。不过,Futurizon公司在网站首页上把Pearson说得很神,说他过去对未来十年的预测中,85%的预测都应验了。

  信Pister还是信Pearson,这是个问题。

关键字:智能  尘埃  无线  传感网

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2010/0802/article_1107.html
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