智能塵埃：隨時(shí)隨地追蹤一切的傳感器

2035年，比爾·特拉沃斯(Bill Traverse)中士和他的突擊隊(duì)員們正在戰(zhàn)火肆虐的墨西哥城執(zhí)行“清掃”任務(wù)，他們的目標(biāo)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(jī)起不到什么幫助。而在這樣一個(gè)遭受戰(zhàn)火洗禮的城市中，科技基礎(chǔ)設(shè)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(dòng)。他和他的隊(duì)員們有一種名叫“塵埃”(Dust)的秘密武器。這其實(shí)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(yùn)動(dòng)、生物識(shí)別信息、溫度變化和化學(xué)成分。

突擊隊(duì)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(gè)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(duì)員們做出準(zhǔn)確的判斷……

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

智能塵埃：隨時(shí)隨地追蹤一切的傳感器

物聯(lián)網(wǎng)雖然還沒有全面實(shí)現(xiàn)，但這個(gè)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?cái)?shù)據(jù)庫。通過這種方式，便可以隨時(shí)隨地監(jiān)控一切信息，并構(gòu)建更加智能且更具互動(dòng)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(xué)品、運(yùn)動(dòng)、腦電波，一切的一切。

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

美國國防部高等研究計(jì)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(chǎng)景，是因?yàn)樗钤缇褪怯蛇@些軍事機(jī)構(gòu)提出的。

但從實(shí)踐角度來看，這種技術(shù)幾乎可以應(yīng)用到各行各業(yè)。戰(zhàn)場(chǎng)上的“塵埃”可以監(jiān)控?cái)橙说囊慌e一動(dòng)，工廠里的“塵埃”可以監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，身體里的“塵埃”可以監(jiān)控人的健康狀況，森林里的塵埃可以追蹤野生動(dòng)物的遷徙以及風(fēng)力和濕度。

有了這種無處不在的傳感器技術(shù)，整個(gè)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)來實(shí)現(xiàn)。美國市場(chǎng)研究公司Gartner在報(bào)告中描述了這些微粒的功能：

“一個(gè)典型的智能塵埃微粒通常包含一個(gè)導(dǎo)體激光二極管和一個(gè)用于主動(dòng)光傳輸?shù)腗EMS光束控制鏡;一個(gè)用于被動(dòng)光傳輸?shù)腗EMS角隅棱鏡回射器;一個(gè)光接收器、信號(hào)處理和控制線路;以及一個(gè)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(shí)，都要得益于這些MEMS，以及數(shù)字電路和無線通訊技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字電路系統(tǒng)的進(jìn)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(huì)使用無線射頻識(shí)別(RFID)，也有可能使用藍(lán)牙或尚未推出的無線通訊協(xié)議。目標(biāo)是盡可能縮小體積，盡可能延長(zhǎng)續(xù)航，同時(shí)還能運(yùn)行微操作系統(tǒng)，以便實(shí)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(xué)伯克利分校的克里斯托弗·皮斯特(Kristofer Pister)、喬·卡恩(Joe Kahn)以及伯哈德·博瑟(Bernhard Boser)已經(jīng)討論過使用光傳輸和無線電來實(shí)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Dust Network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(shí)。該公司已于2011年被集成電路公司Linear Networks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(huì)用到Arduino和TinyOS兩大操作平臺(tái)中的一個(gè)。

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

斯坦福大學(xué)完成了TinyOS的多數(shù)開發(fā)。他們?cè)诠倬W(wǎng)上描述了這款系統(tǒng)的模式：“TinyOS是一款為低能耗無線設(shè)備設(shè)計(jì)的開源操作系統(tǒng)，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、普適計(jì)算、個(gè)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(yùn)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(qiáng)。它使用很短的代碼片段來運(yùn)行單一任務(wù)，而不會(huì)使用長(zhǎng)代碼實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的動(dòng)作。這也使之非常適合“智能塵埃”的功能要求，從而實(shí)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(shè)施。

“塵埃”世界

很多專為戰(zhàn)爭(zhēng)創(chuàng)造的技術(shù)已經(jīng)為人類帶來了巨大的技術(shù)突破。核電、噴氣引擎、雷達(dá)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(yīng)用于軍事領(lǐng)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(duì)員，但我們希望這種情形永遠(yuǎn)不要發(fā)生。我們更希望利用這種技術(shù)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(cè)人類大腦內(nèi)部的運(yùn)作機(jī)制。

皮斯特和卡恩在關(guān)于“智能塵埃”的論文中闡述了一些可能的應(yīng)用領(lǐng)域：“‘智能塵埃’或許可以部署到一個(gè)地區(qū)，用于記錄當(dāng)?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(cuò)誤的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。例如半導(dǎo)體設(shè)備、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、風(fēng)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(dòng)物的運(yùn)動(dòng)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(fēng)飄向全球各地，對(duì)整個(gè)世界進(jìn)行量化。