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(BillTraverse)中士和他的突擊隊員們正在戰火肆虐的墨西哥城執行“清掃”任務(wù)，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(wú)人機起不到什么幫助。而在這樣一個(gè)遭受戰火洗禮的城市中，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(méi)有盲目行動(dòng)。他和他的隊員們有一種名叫“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，包括物體的運動(dòng)、生物識別信息、溫度變化和化學(xué)成分。

　　突擊隊有一名士兵專(zhuān)門(mén)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(guò)這些數據，特拉沃斯就可以判斷下一個(gè)轉角處是否有人，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(chǎng)景純屬虛構，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(méi)有全面實(shí)現，但這個(gè)話(huà)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數據發(fā)回數據庫。通過(guò)這種方式，便可以隨時(shí)隨地監控一切信息，并構建更加智能且更具互動(dòng)性的系統。

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

　　這項技術(shù)名叫“智能塵埃”，雖然聽(tīng)起來(lái)很瘋狂，也很新穎，但它其實(shí)并沒(méi)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。我們之所以虛構了上面的軍事場(chǎng)景，是因為它最早就是由這些軍事機構提出的。

　　但從實(shí)踐角度來(lái)看，這種技術(shù)幾乎可以應用到各行各業(yè)。戰場(chǎng)上的“塵埃”可以監控敵人的一舉一動(dòng)，工廠(chǎng)里的“塵埃”可以監控機器的運轉狀況，身體里的“塵埃”可以監控人的健康狀況，森林里的塵?？梢宰粉櫼吧鷦?dòng)物的遷徙以及風(fēng)力和濕度。

　　有了這種無(wú)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電系統(MEMS)來(lái)實(shí)現。美國市場(chǎng)研究公司Gartner在報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)導體激光二極管和一個(gè)用于主動(dòng)光傳輸的MEMS光束控制鏡;一個(gè)用于被動(dòng)光傳輸的MEMS角隅棱鏡回射器;一個(gè)光接收器、信號處理和控制線(xiàn)路;以及一個(gè)用厚膜電池和太陽(yáng)能電池制成的電源。”

　　“智能塵埃”之所以能成為現實(shí)，都要得益于這些MEMS，以及數字電路和無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展。數字電路系統的進(jìn)步可以大幅縮小這些“微粒”的體積，但仍然可以?xún)戎秒姵?、內存和無(wú)線(xiàn)傳輸器，有可能會(huì )使用無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID)，也有可能使用藍牙或尚未推出的無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議。目標是盡可能縮小體積，盡可能延長(cháng)續航，同時(shí)還能運行微操作系統，以便實(shí)現各種功能。

　　“智能塵埃”的挑戰在于，既要全面整合各種傳感器，還要把數據傳輸回基站。加州大學(xué)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(guò)使用光傳輸和無(wú)線(xiàn)電來(lái)實(shí)現數據收發(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”從理念變成現實(shí)。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(kāi)發(fā)者要開(kāi)發(fā)各種開(kāi)源硬件和軟件，那很可能會(huì )用到Arduino和TinyOS兩大操作平臺中的一個(gè)。

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

　　斯坦福大學(xué)完成了TinyOS的多數開(kāi)發(fā)。他們在官網(wǎng)上描述了這款系統的模式：“TinyOS是一款為低能耗無(wú)線(xiàn)設備設計的開(kāi)源操作系統，包括傳感器網(wǎng)絡(luò )、普適計算、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，但它的目的性卻很強。它使用很短的代碼片段來(lái)運行單一任務(wù)，而不會(huì )使用長(cháng)代碼實(shí)現更復雜的動(dòng)作。這也使之非常適合“智能塵埃”的功能要求，從而實(shí)現高頻率的數據搜集和傳輸，但卻不需要支持基站這種專(zhuān)門(mén)收集數據的設施。

　　“塵埃”世界

　　很多專(zhuān)為戰爭創(chuàng )造的技術(shù)已經(jīng)為人類(lèi)帶來(lái)了巨大的技術(shù)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(zhù)它只能應用于軍事領(lǐng)域。

　　上文為了方便敘述而虛構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(shù)來(lái)開(kāi)展星際探索：在可能適宜人類(lèi)居住的星球上利用“塵埃”來(lái)監控環(huán)境，或是監測人類(lèi)大腦內部的運作機制。

　　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用領(lǐng)域：“‘智能塵埃’或許可以部署到一個(gè)地區，用于記錄當地的氣象、地理或行星研究數據。它甚至可以在有線(xiàn)傳感器無(wú)法使用或出現錯誤的環(huán)境中實(shí)現數據測量。例如半導體設備、旋轉電機、風(fēng)洞和消音室。在生物研究中，‘智能塵埃’或許也可以用于監控昆蟲(chóng)或其他小型動(dòng)物的運動(dòng)或內部流程。”

　　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，對整個(gè)世界進(jìn)行量化。