智能塵埃：隨時隨地追蹤一切的傳感器

2035年，比爾·特拉沃斯(BillTraverse)中士和他的突擊隊員們正在戰(zhàn)火肆虐的墨西哥城執(zhí)行“清掃”任務，他們的目標是找到零星的抵抗力量，將其徹底清除。

在蜿蜒的城市街道中，無人機起不到什么幫助。而在這樣一個遭受戰(zhàn)火洗禮的城市中，科技基礎設施幾年前就被徹底摧毀，所以士兵配備的HUD(平視顯示器)也完全失去了作用。

但特拉沃斯并沒有盲目行動。他和他的隊員們有一種名叫“塵埃”(Dust)的秘密武器。這其實是一種便攜傳感器，可以漂浮在整座城市的空氣中，搜集各種各樣的有用信息，包括物體的運動、生物識別信息、溫度變化和化學成分。

突擊隊有一名士兵專門攜帶通訊接收器，可以將“塵埃”傳感器搜集到的信息發(fā)回到HUD。通過這些數(shù)據(jù)，特拉沃斯就可以判斷下一個轉(zhuǎn)角處是否有人，以及那些人是否攜帶了武器，從而幫助他的隊員們做出準確的判斷……

當然，特拉沃斯和他的手下所面臨的場景純屬虛構(gòu)，而“塵埃”也并不存在。

智能塵埃：隨時隨地追蹤一切的傳感器

物聯(lián)網(wǎng)雖然還沒有全面實現(xiàn)，但這個話題似乎已經(jīng)老掉牙了。物聯(lián)網(wǎng)的核心理念是將傳感器放在任何東西上，然后通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)回數(shù)據(jù)庫。通過這種方式，便可以隨時隨地監(jiān)控一切信息，并構(gòu)建更加智能且更具互動性的系統(tǒng)。

把傳感器放在物體上?太沒創(chuàng)意了。但如果把傳感器散布到空氣中呢?這樣一來，它們就可以監(jiān)控一切信息——溫度、濕度、化學品、運動、腦電波，一切的一切。

這項技術名叫“智能塵埃”，雖然聽起來很瘋狂，也很新穎，但它其實并沒有你想象得那么瘋狂。

美國國防部高等研究計劃署(DARPA)和蘭德公司早在1990年代初就提出了“智能塵埃”的理念。我們之所以虛構(gòu)了上面的軍事場景，是因為它最早就是由這些軍事機構(gòu)提出的。

但從實踐角度來看，這種技術幾乎可以應用到各行各業(yè)。戰(zhàn)場上的“塵埃”可以監(jiān)控敵人的一舉一動，工廠里的“塵埃”可以監(jiān)控機器的運轉(zhuǎn)狀況，身體里的“塵埃”可以監(jiān)控人的健康狀況，森林里的塵?？梢宰粉櫼吧鷦游锏倪w徙以及風力和濕度。

有了這種無處不在的傳感器技術，整個世界都可以量化。但具體的工作模式究竟是什么樣子?

什么是“智能塵埃”?

“智能塵埃”是由“微粒”組成的，其本質(zhì)就是一種具備眾多功能的微型傳感器。這種傳感器需要借助微機電系統(tǒng)(MEMS)來實現(xiàn)。美國市場研究公司Gartner在報告中描述了這些微粒的功能：

“一個典型的智能塵埃微粒通常包含一個導體激光二極管和一個用于主動光傳輸?shù)腗EMS光束控制鏡;一個用于被動光傳輸?shù)腗EMS角隅棱鏡回射器;一個光接收器、信號處理和控制線路;以及一個用厚膜電池和太陽能電池制成的電源。”

“智能塵埃”之所以能成為現(xiàn)實，都要得益于這些MEMS，以及數(shù)字電路和無線通訊技術的發(fā)展。數(shù)字電路系統(tǒng)的進步可以大幅縮小這些“微粒”的體積，但仍然可以內(nèi)置電池、內(nèi)存和無線傳輸器，有可能會使用無線射頻識別(RFID)，也有可能使用藍牙或尚未推出的無線通訊協(xié)議。目標是盡可能縮小體積，盡可能延長續(xù)航，同時還能運行微操作系統(tǒng)，以便實現(xiàn)各種功能。

“智能塵埃”的挑戰(zhàn)在于，既要全面整合各種傳感器，還要把數(shù)據(jù)傳輸回基站。加州大學伯克利分校的克里斯托弗·皮斯特(KristoferPister)、喬·卡恩(JoeKahn)以及伯哈德·博瑟(BernhardBoser)已經(jīng)討論過使用光傳輸和無線電來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的方案。

皮斯特是“智能塵埃”的頂尖研究者和支持者之一，也是DustNetwork公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO。這家創(chuàng)立于2004年的公司希望把“智能塵埃”從理念變成現(xiàn)實。該公司已于2011年被集成電路公司LinearNetworks收購。

用TinyOS控制“塵埃”

如果開發(fā)者要開發(fā)各種開源硬件和軟件，那很可能會用到Arduino和TinyOS兩大操作平臺中的一個。

Arduino和TinyOS的主要區(qū)別在于，后者是為低能耗傳感器設計的，可以支持無線傳輸標準。Arduino則更容易學習和使用，但TinyOS提供了更加全面的功能。因此，TinyOS可以說是設計“智能塵埃”微粒的完美選擇。

斯坦福大學完成了TinyOS的多數(shù)開發(fā)。他們在官網(wǎng)上描述了這款系統(tǒng)的模式：“TinyOS是一款為低能耗無線設備設計的開源操作系統(tǒng)，包括傳感器網(wǎng)絡、普適計算、個人局域網(wǎng)、智能建筑和智能儀表。TinyOS為底層的硬件提供了有用的軟件。”

TinyOS的主要不足在于，它不能運行需要高性能支撐的功能。雖然TinyOS是一款功能完備的操作系統(tǒng)，但它的目的性卻很強。它使用很短的代碼片段來運行單一任務，而不會使用長代碼實現(xiàn)更復雜的動作。這也使之非常適合“智能塵埃”的功能要求，從而實現(xiàn)高頻率的數(shù)據(jù)搜集和傳輸，但卻不需要支持基站這種專門收集數(shù)據(jù)的設施。

“塵埃”世界

很多專為戰(zhàn)爭創(chuàng)造的技術已經(jīng)為人類帶來了巨大的技術突破。核電、噴氣引擎、雷達和互聯(lián)網(wǎng)最初都是出于軍事目的。“塵埃”同樣如此，但這并不意味著它只能應用于軍事領域。

上文為了方便敘述而虛構(gòu)了特拉沃斯中士和他的突擊隊員，但我們希望這種情形永遠不要發(fā)生。我們更希望利用這種技術來開展星際探索：在可能適宜人類居住的星球上利用“塵埃”來監(jiān)控環(huán)境，或是監(jiān)測人類大腦內(nèi)部的運作機制。

皮斯特和卡恩在關于“智能塵埃”的論文中闡述了一些可能的應用領域：“‘智能塵埃’或許可以部署到一個地區(qū)，用于記錄當?shù)氐臍庀?、地理或行星研究?shù)據(jù)。它甚至可以在有線傳感器無法使用或出現(xiàn)錯誤的環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量。例如半導體設備、旋轉(zhuǎn)電機、風洞和消音室。在生物研究中，‘智能塵埃’或許也可以用于監(jiān)控昆蟲或其他小型動物的運動或內(nèi)部流程。”

皮斯特和卡恩或許只介紹了“智能塵埃”的冰山一角，這種微?？赡芎芸炀蛯㈦S風飄向全球各地，對整個世界進行量化。