Vysílání bezdrátové senzorové sítě

Dříve jsem to nevěděl, ale rostliny mají sex, říká Kevin Delin. Ukazuje směrem ke dvěma obrovským cykasům, palmovým uprchlíkům z doby dinosaurů rostoucím v rohu Huntingtonské botanické zahrady, útočiště pro 15 000 vzácných rostlinných druhů v San Marinu v Kalifornii. Delinova neznalost botaniky je omluvitelná. Je to inženýr z nedaleké Jet Propulsion Laboratory NASA a to, co ho skutečně nezajímá, nejsou samci a samice cykasů, ale dvojice senzorových webů usazených v zemi pod rostlinami. Každý modul má velikost kapesního počítače a obsahuje procesor, baterii, solární článek, rádio, paměť a senzory pro sledování tepla, vlhkosti a vlhkosti půdy. Lusky jsou náhradní oči, uši a dokonce i mozky kurátorů zahrady, které sledují, kolik slunečního světla a deště jsou rostliny kritickými faktory pro cykasy, které potřebují specifické podmínky k rozmnožování.

Senzory nejsou žádnou novinkou. Automobil jich například používá desítky ke sledování faktorů, jako je stav motoru. Ale senzory v dnešních automobilech, továrnách a kancelářských budovách jsou z větší části hloupé. Chybí jim inteligence k analýze nebo jednání na základě jejich zjištění; místo toho posílají měření zpět do centrálního procesoru. Většina současných senzorů je také zaseknutá na místě, přičemž jakýkoli pohyb vyžaduje nákladné přepojování. Delinovy ​​lusky jsou jiné. Hovoří bezdrátově mezi sebou as 18 dalšími moduly v zahradě a tvoří tak vlastní inteligentní síť. Každých pár minut se lusky vzájemně aktualizují o svých nejnovějších naměřených hodnotách, společně zpracují informace do celkového obrazu teploty a půdních podmínek a odešlou tuto analýzu kurátorům. Je to, jako by byl na 40 hektarech krajiny rozmístěn autonomní, vysoce uvědomělý počítač.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z července 2003

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Je to všechno o syntetizaci globálních znalostí z nezpracovaných dat za běhu, říká Delin. Jeho moduly předpovídají budoucnost, kde chytré senzory nasávají obrovské množství životně důležitých dat – řekněme mechanické namáhání paprsků mostu nebo rachot nepřátelského konvoje za bezměsíčné pouštní noci – které v současnosti zůstávají nezaznamenávány. Bezdrátové a bateriově napájené takové senzory budou přístupné vzdáleně a budou umístěny tam, kde by bylo nepraktické řetězit data a elektrické vedení. Malé a levné, budou libovolně rozmístěny a těsně rozmístěny, což poskytne jemnozrnné obrázky jevů, jako je klima, které jsou v současnosti mapovány pouze ve velkém měřítku. A protože budou jednat kooperativně – organizovat se a sdílet výpočty napříč sítí – poskytnou lidem použitelné kusy předem strávených informací, spíše než matoucí mytí čísel.

Bezdrátové senzorové sítě jsou skutečně jedním z prvních reálných příkladů všudypřítomné výpočetní techniky, představy, že malá, chytrá a levná snímací a výpočetní zařízení nakonec proniknou do prostředí. Tato představa se v kruzích informačních technologií šíří již více než deset let. Ale nyní, po několika letech výzkumných investic ze strany Agentury pro pokročilé výzkumné projekty v oblasti obrany USA, National Science Foundation a hrstky špičkových gigantů, jako je Intel, se objevuje hardware a software, který je základem všudypřítomné výpočetní techniky.

Ačkoli je tato technologie stále na počátku, rozsah potenciálních aplikací je ohromující ( vidět Snímání potenciálu ). Vědci z Intelu a Kalifornské univerzity v Berkeley vyvinuli bezdrátové šasi velikosti pageru, které lze přizpůsobit mnoha druhům senzorů. Výzkumníci pomocí zařízení sledují mikroklima a škůdce ve vinicích, monitorují hnízdní zvyky vzácných mořských ptáků a řídí systémy vytápění a ventilace. A 600 kilometrů po silnici na Kalifornské univerzitě v Los Angeles další výzkumníci nasazují bezdrátové senzory, aby získali podrobná měření účinků seismických vln na budovy. Ještě jiní pracují na způsobech, jak umožnit podnikům monitorovat a ovládat jejich pracovní prostory, od místních kanceláří po montážní linky vzdálené půl kontinentu. Aplikace jsou všude , říká David Culler, přední výzkumník v oblasti síťového snímání na UC Berkeley.

V myslích mnohých je to technologie, která by se mohla ukázat stejně důležitá jako internet: protože stejně jako internet umožňuje počítačům využívat digitální informace bez ohledu na to, kde jsou uloženy, senzorové sítě rozšíří schopnost lidí na dálku interagovat s fyzickým světem. Culler nazývá zařízení novou třídou počítačových systémů, které se od hardwaru minulosti odlišují svou všudypřítomností a kolektivními analytickými schopnostmi. Předpovídá, že během tohoto desetiletí se distribuované snímání a výpočetní technika vplíží do každého domu, budovy, kanceláře, továrny, auta, ulice a farmy.

Není divu, že předtím, než k tomu dojde, je spousta výzev. V mnoha ohledech jsou bezdrátové senzorové sítě tak daleko jako internet v 70. letech 20. století, kdy síť spojovala méně než 200 univerzit a vojenských laboratoří a výzkumníci stále experimentovali s komunikačními protokoly a schématy adres. Dnes většina bezdrátových senzorových sítí spojuje méně než 100 bodů nebo uzlů; a komunikační linky se tak zamotají, že se rozpadnou. Cena průměrného uzlu se blíží 100 USD, přičemž životnost baterie se měří v nejlepším případě měsíce. A nikdo si není přesně jistý, jaká aplikace přemění technologii v komerční bonanzu. Všichni a jejich teta a strýc mají zájem, říká Deborah Estrin, ředitelka Centra pro vestavěné síťové snímání UCLA. Ale je to problém najít obchodní model.

Výzkumníci tvrdí, že žádný z těchto problémů pravděpodobně nebude překážet. Některé bezdrátové senzory jsou již na trhu a produkty se zajímavými novými schopnostmi by mohly být dostupné během několika let. Sensoria v San Diegu například vyvíjí senzory, které by mohly proměnit auta v cestovní uzly v městských bezdrátových sítích a umožnit skupinám vozidel automaticky sestavovat snímky místní dopravy v reálném čase nebo sdílet komunikační povinnosti při přístupu k informacím o místních destinacích. William Kaiser, elektrotechnik z UCLA a zakladatel společnosti Sensoria, tvrdí, že internet změnil způsob, jakým obchodujeme s počítači. To změní způsob, jakým žijeme náš každodenní život.

Unwiring Industry

Zpátky v Huntingtonových zahradách vchází Delin do konferenční místnosti s hliníkovým kufříkem, jakým vládní agenti v televizi nosí přísně tajné pomůcky. Vytáhne čtyři ze svých nejnovějších senzorových modulů a z jednoho sundá kryt; pod nimi jsou obvodové desky držící vnitřnosti modulu, včetně mikroprocesoru a rádiového vysílače a přijímače, který mu umožňuje komunikovat se svými společníky. Rozmístí moduly po místnosti a během několika sekund se vzájemně najdou a sami se zorganizují do bezdrátové sítě, která mimo jiné monitoruje teplotu a vlhkost. Nedaleký modul – i když kterýkoli z nich by předával informace ze sítě do Delinova notebooku, aby je mohl zobrazit. Aby ukázal, jak síť reaguje na své prostředí, Delin odpojí jedno ze zařízení. Na obrazovce notebooku se zobrazují zbývající moduly, které kompenzují směrováním dat kolem chybějícího modulu. K jednomu modulu připojí elektrický ventilátor a v ruce drží další modul; síť detekuje Delinovo tělesné teplo a zapne ventilátor.

Schopnost modulů komunikovat rádiem, vysvětluje Delin, znamená, že mohou být rozptýleny v oblastech, kam telefon a elektrické vedení nedosáhnou, a mohou se pohybovat podle libosti. Aby však data proudila, musí uzly automaticky najít své sousedy a nastavit rádiová spojení. Tato připojení se mohou rychle měnit, říká Delin, takže sdílení dat přes síť je žonglování. Software běžící na všech modulech koordinuje, které z nich spolu mluví a kdy. Senzorové uzly na sebe naslouchají a nastavují časy pro sdílení dat, zatímco síťové hodiny udržují uzly v synchronizaci. Síť připomíná spíše síť než uspořádání hub-a-spoke používané pro mobilní telefony; místo toho, aby byl každý senzor propojen přímo s centrálním komunikačním bodem, posílají uzly data pouze sousedům v dosahu rádia, čímž šetří energii.

Zní to složitě a je to tak. Ale decentralizované bezdrátové sítě, jako je Delin's, jsou již nákladově efektivní pro těžký průmysl: Ember v Bostonu, MA, prodal podobnou technologii zákazníkům frustrovaným konvenčními drátovými senzory v jejich výrobě nebo topných a ventilačních zařízeních. Jeden zákazník používal potrubí své čistírny, kde se odděluje ropa a plyn od odpadních vod, pomocí drahých kabelových teplotních čidel, připojených k ohřívačům, které brání tomu, aby tekutina uvnitř příliš zhoustla. Pokud dojde k poruše senzoru, nádrž by mohla prasknout a donutit elektrárnu k odstavení za cenu 100 000 dolarů za hodinu, říká Robert Poor, spoluzakladatel a hlavní technologický ředitel společnosti Ember. S bezdrátovou sítí lze instalovat více senzorů za dostupnou cenu, nabízí redundanci a poskytuje spolehlivější informace. Křemík je levný. Kabeláž není, říká Poor. (Další informace o Poorových myšlenkách na technologii naleznete v článku Sensors of the World, Unite!).

Několik zbývajících problémů však brání širokému komerčnímu využití této technologie. První je jeho vysoká spotřeba. Zejména pravidelné hovory tam a zpět mezi uzly vybíjejí baterie. Každý přenesený bit přivádí senzorový uzel o jeden okamžik blíže smrti, říká Greg Pottie, spoluzakladatel Sensoria.

Související problém je, že rádia senzorových uzlů mají omezený dosah, obvykle v desítkách metrů. Takže propojení většího prostoru – řekněme velké továrny – vyžaduje hodně uzlů. Mnoho uzlů, které odesílají velké množství dat, vytváří příležitosti pro lokalizovaná selhání, která by mohla nechat části sítě izolované, říká Rick Kriss, generální ředitel společnosti Xsilogy se sídlem v San Diegu. Neexistuje nic takového jako spolehlivá síť, pokud neprovádíte velmi agresivní správu sítě, říká Kriss. Takže uzly Xsilogy pravidelně vysílají svůj stav a dávají síti vědět, zda jim dochází baterie nebo jejich příjem slábne. Poté může síť kompenzovat směrování kolem bodů selhání a upozornění uživatele na hrozící problémy.

Ale je tu další problém, který je těžší vyřešit, a to je cena. V procesu, který je pravým opakem hromadné výroby, většina výrobců senzorových sítí stále ručně dláždí dohromady běžné díly, což zvyšuje náklady na každý uzel na 80 až 100 USD. Tato cena musí klesnout pod 20 dolarů, aby se senzorové sítě mohly komerčně prosadit, říká David Tennenhouse, ředitel výzkumu společnosti Intel.

Pomoci by mohla standardizace. Otevřené standardy a mnoho nezainteresovaných skupin, které testují konkurenční přístupy, zcela znemožní nebo přeruší, zda se to stane široce používáno, říká Culler z UC Berkeley. Ale s tolika společnostmi a univerzitními laboratořemi, které vyvíjejí své vlastní prototypy, se návrhové standardy pro bezdrátové senzory a síťové protokoly teprve začínají objevovat. Jeden potenciálně dominantní design se nazývá mote; jeho operační systém TinyOS byl vyvinut Cullerovou skupinou v Berkeley a prochází dalšími vylepšeními ve společnostech Intel a Crossbow Technology v San Jose v Kalifornii. Mote Berkeley, které byly testovány stovkami výzkumných skupin po celém světě, jsou menší a využívají méně energie než většina komerčních bezdrátových senzorů. Kompromisem je, že nemohou zpracovat tolik dat. Mnoho výzkumníků však tvrdí, že díky jejich přizpůsobivosti – řekněme, že je snadné nasadit senzory pro světlo, zvuk, teplotu nebo pohyb – jsou ekvivalentem počítačů se systémem Windows ve světě síťových senzorů.

Ve skutečnosti by případná volba platformy bezdrátových senzorů mohla být stejně důležitá jako vznik Windows jako dominantního operačního systému pro spotřebitele – nebo dokonce, v očích jednoho odborníka, jako standardizace elektřiny. Je to něco jako historická bitva mezi AC a DC, říká Larry Smarr, ředitel Kalifornského institutu pro telekomunikace a informační technologie v San Diegu. Dokud nebyl všudypřítomný vítěz, nemohl se průmysl elektrospotřebičů rozjet.

Rozděl a panuj

Na strop a stěny laboratoře Deborah Estrinové na UCLA, jako by byly připraveny vzlétnout, se 50 zvláštních motáků velikosti motýla drží a monitorují teplotu, světlo a pohyb. Jiné leží rozebrané na stolech a lavicích. Některé z motes mají dokonce kola; válejí se po podlaze vlastním pohonem a trénují na jeden den, kdy se budou pohybovat, aby našli nejlepší příjem rádia nebo dobili baterii selhávajícímu sousedovi. Tady je obrázek konektivity, říká Estrin a zvedne list papíru s nepochopitelnou změtí čar. Vypadá to jako talíř špaget: počet komunikačních cest exploduje, jak se přidávají další uzly, takže síť je stále náchylnější ke zhroucení.

Řešení testované v Estrinině laboratoři: rozděl a panuj. Ber to jako uspořádání velké večeře, říká. Smysluplné konverzace se nemohou uskutečnit, pokud se lidé nebudou střídat v mluvení a naslouchání. A komunikace na vysoké úrovni je nejúčinnější, pokud se lidé organizují do klastrů a volí jednotlivce, který bude mluvit za každý klastr. Proto se uzly shlukují samy a přizpůsobují se za běhu, příležitostně mění shluky, aby se optimalizovala spotřeba energie i tok informací sítí.

Dalším úkolem je jednoduše nasměrovat záplavu dat. Myšlenkou je vložit zpracování do každého uzlu, což mu umožní kondenzovat nezpracovaná data do vzorů a předávat méně bitů, než přijal. Trosky nad Estrininou hlavou by například mohly sledovat její pohyby a varovat své sousedy, kteří zjistí směr, kterým jde, a přenesou právě tyto informace – ne celý záznam jejího pohybu – do databáze v mateřském uzlu. Tento uzel může doporučit zhasnutí světel, například pokud usoudí, že Estrin opustila místnost a nejsou přítomni žádní další lidé. Zpracování dat po troškách v celé síti, říká Estrin, je prvním krokem k naprogramování systému, který pomůže činit inteligentní rozhodnutí. Šetří také drahocennou energii baterie.

Aby byla senzorová síť skutečně užitečná, měla by uživatelům posílat pouze své analýzy zajímavých událostí, nikoli samotné surové bity. Lidé chtějí odpovědi, ne čísla, poukazuje Steven Glaser, profesor stavebního a environmentálního inženýrství na UC Berkeley, jehož skupina používá senzorové sítě ke studiu seismické aktivity.

Mezi odpovědi, které chtějí inženýři a seismologové jako Glaser: jak zemětřesení ovlivňují jednotlivé součásti budov a jak struktury reagují na lokalizované změny síly zemětřesení? Tým UCLA vedený Paulem Davisem, geofyzikem a hlavním vyšetřovatelem v Estrinově centru, rozmisťuje 50-uzlovou řadu seismických senzorů napříč kampusem ve snaze zjistit část odpovědi. Prvním krokem je pouze shromáždit data zaznamenaná ze země ve 100metrových intervalech – mnohem vyšší rozlišení, než jaké poskytují současné seismické senzory, které jsou od sebe vzdáleny kilometry, říká Davis. Vědci pak porovnají, jak se země třese s vibracemi měřenými ve stejnou dobu uvnitř budovy kampusu připojené společností U.S. Geological Survey po zemětřesení v Northridge v Kalifornii v roce 1994.

Seismické snímání

Výzkumníci z UCLA nasazují 50-uzlovou senzorovou síť k monitorování seismické aktivity v jemnějším měřítku než kdykoli předtím. Na této mapě kampusu UCLA jsou překryta umístění pozemních vibračních senzorů (hvězd), vzdálených od sebe 100 metrů.

Cílem je vyvinout model toho, jak seismická aktivita v jemném měřítku ovlivňuje různé struktury. Takový model naprogramovaný do přenosných senzorových sítí, které by mohly být dočasně rozmístěny v městských čtvrtích, by mohl urbanistům pomoci zjistit, kde geologické podmínky mají tendenci zesilovat otřesy a jak zajistit, aby budovy v těchto oblastech byly bezpečnější. V budoucnu by senzory umístěné v blízkosti zlomových linií mohly dokonce detekovat blížící se seismické vlny a spouštět alarmy, což dává obyvatelům budovy drahocenné vteřiny na to, aby se dostali do bezpečnějších oblastí. Ale, říká Davis, to je modrá obloha.

Google pro fyzický svět

Chytré, autonomní a sebevědomé: to je nejlepší vize senzorových sítí. V mnoha ohledech je modrá obloha. Ale dva průmyslové projekty poskytují záblesky propojené budoucnosti.

Existuje nebezpečí, že přístup k datům shromážděným senzorovými sítěmi bude jako pití z hasičské hadice, jen horší, říká Feng Zhao, manažer výzkumné oblasti Embedded Collaborative Computing v Palo Alto Research Center v Kalifornii. Jinými slovy, zaplavení příliš velkým množstvím dat může být stejně paralyzující jako nedostatek. Je to dilema, kterého si je dobře vědom každý, kdo používá web. A, říká Zhao, řešení pro senzorové sítě může být podobné. Ve snaze vytvořit uživatelsky přívětivá rozhraní pro senzorové sítě, Zhaoova skupina experimentuje s novým druhem vyhledávače, který popisuje jako Google pro fyzický svět.

Představte si, vysvětluje Zhao, přihlásí se na internet a zadá: Potřebuje můj trávník více vody? Síť přeloží otázku do standardizovaného databázového dotazu, prozkoumá údaje ze senzorů vlhkosti v okolí vašeho domova a pošle zpět výzvu ano nebo ne. Podobné systémy pro řízení a zabezpečení dodavatelského řetězce by mohly být dostupné za pět až sedm let, říká Zhao. Ve skladech mohli manažeři zkoumat trendy v zásobách senzorů na policích, zatímco strážci v zabezpečených zařízeních mohli naprogramovat chytré sítě pohybových senzorů tak, aby vydávaly alarmy, když si všimnou podezřelých vzorců pohybu.

Nakonec se senzorové sítě mohou zdát živé. Na základně americké armády ve Fort Leonard Wood, MO, letos v dubnu inženýři Sensoria předvedli znepokojivě sebevědomý systém, který se fyzicky přestavuje v reakci na měnící se podmínky. Zatímco 80 diváků sledovalo, bitevní tank M1-A1 Abrams duněl po poli s pluhem připevněným k přední části a razil cestu houštím neozbrojených min o průměru 12 centimetrů. Poté, co tank rozdrtil asi půl tuctu min a pokračoval v cestě, zbývající miny se znovu rozmístily, aby zaplnily mezeru za tankem, který skákal vzduchem s praskáním petard vycházejících z malých raketových posilovačů.

Doly dosáhly tohoto výkonu tím, že vydávaly a naslouchaly akustickým pulzům, které jim pomohly lokalizovat jejich sousedy s přesností na několik centimetrů, říká Kaiser. Porucha v síti přiměje doly, aby zjistily, kteří sousedé byli přesunuti nebo zničeni, a vypočítaly, jak se přerozdělit. Na skutečném bitevním poli by takové chytré miny mohly porazit nepřátelské odminovací úsilí, nebo se dokonce vzdálit z cesty přátelským silám a poté za nimi obnovit obranu.

Navzdory tak dramatickým ukázkám síly bezdrátových senzorových sítí je těžké předvídat, zda obrana, výroba nebo nějaké dosud neznámé pole bude hostitelem jejich zabijácké aplikace. Je to jako PC na začátku 80. let. Lidé si mysleli, že se budou používat hlavně k vyrovnání šekových knížek, říká Delin. Pokud jde o krátkodobý komerční trh, bude to na chvíli delikátní špinavé prostředí se spoustou příležitostí pro nováčky, předpovídá Ember’s Poor. Je to proto, že potenciální aplikace jsou všude kolem nás – kdekoli lze z našeho prostředí získat užitečné informace. Když se dnešní výzkum přenese do levných produktů odolných proti nárazu, nemusí to znamenat nic jiného než sloučení virtuálního světa s fyzickým světem. Stane se to, říká Zhao. Otázkou je, jak brzy?

skrýt