mote(智能微塵)的原理

引言

MICA2 mote使用2節(jié)AA電池，最多可以為處理器(CPU)/射頻板供電一年。

近些年來，您也許已經(jīng)聽說了一種名為mote的新計算概念,這一概念也可稱為智能微塵和無線感知網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在，似乎每一期的《大眾科學(xué)》、《發(fā)現(xiàn)》和《連線》都在大肆宣傳mote概念的一些新應(yīng)用。例如，軍方計劃使用mote采集戰(zhàn)場上的信息，工程師打算將其混合到混凝土中，并用它們從內(nèi)部監(jiān)視建筑物和橋梁的狀況。

mote可能有數(shù)千種不同的應(yīng)用方法，隨著人們對這一概念的熟悉，更多的應(yīng)用方式可能會應(yīng)運而生。這是分布式感知技術(shù)的一種全新模式，翻開了人們審視計算機的誘人新篇章。

在本文中，您將有機會了解到mote的工作原理以及這項技術(shù)的多種潛在應(yīng)用。接著，我們將關(guān)注一項市場上已有的激動人心的新技術(shù)——MICA mote，體驗一下另外一種感知世界的獨特方法。

mote基本原理

“mote”概念創(chuàng)造了一種審視計算機的嶄新方法，但其基本原理卻相當簡單：

• mote的核心是一種微小的、低成本、低功耗的計算機。
• 計算機監(jiān)控一個或多個傳感器。很容易想象所有類別的傳感器，包括溫度傳感器、光傳感器、聲音傳感器、位置傳感器、加速度傳感器、振動傳感器、應(yīng)力傳感器、重量傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器等。并非所有mote應(yīng)用都需要傳感器，但感知應(yīng)用非常普遍。
• 計算機通過射頻鏈路與外界連接。最常用的射頻鏈路允許mote的傳輸距離達到3到60米。功耗、大小和成本都是更長傳輸距離的障礙。由于mote的基礎(chǔ)概念是微小尺寸（及相關(guān)聯(lián)的極低成本），小功率射頻和低功率射頻是標準的。

MICA2DOT mote通常由圓形的“鈕扣”式電池供電，其大小與醫(yī)元硬幣相當。

mote可以不使用電池或者在某些應(yīng)用中可以接入電網(wǎng)。隨著mote在大小與功耗方面不斷減小，可以想象利用太陽能甚至一些異乎尋常的能量（如振動能）來使它們得以持續(xù)運行。

所有這些部件都封裝在一個盡可能微小的殼體內(nèi)。將來，人們可以想象將mote裝入一個只有幾毫米大小的器件中。而目前的mote（包括電池和天線在內(nèi)）普遍與一摞五個或六個一元硬幣或者一包香煙的大小相當。目前，電池通常是此封裝中最大的部件。目前的mote散件的成本大約在200元人民幣左右，但價格在不斷下降。

很難想象與微塵一樣大小且無害的這樣一種器件會引發(fā)一場革命，但mote確實做到了這一點。我們將在下一部分內(nèi)容中關(guān)注其多種潛在應(yīng)用。?

MOTE典型應(yīng)用

如果您查閱資料時搜索人們已經(jīng)考慮到的mote的不同使用方式，您會發(fā)現(xiàn)各式各樣的想法。下面介紹從本文結(jié)尾處的鏈接中精選的一組mote的應(yīng)用。

可以考慮將mote作為單獨的傳感器。例如：

• 您可以在澆鑄混凝土?xí)r將mote嵌入橋梁中。mote中包含的傳感器可以檢測出混凝土中的含鹽濃度。之后，您可以每月一次駕駛一輛卡車通過橋梁，通過橋梁時卡車會向橋梁中發(fā)出強大的磁場。這個磁場使得埋藏在橋梁混凝土中的mote得以通電并傳輸含鹽濃度。鹽份（可能來自防凍劑或海水擴散）會削弱混凝土的強度并腐蝕用來加強混凝土的螺紋鋼筋。鹽份傳感器可以使橋梁維護人員測定鹽份對橋梁的損害程度。其他可能嵌入橋梁混凝土中的傳感器可以檢測到振動、應(yīng)力、溫度波動、裂紋等等，所有這些因素都可以幫助維護人員在問題變得嚴重之前及早發(fā)現(xiàn)它們的存在。
  
• 可以將能夠監(jiān)控機器的溫度、轉(zhuǎn)數(shù)、油位等狀態(tài)并將狀態(tài)記錄到mote內(nèi)存中的傳感器與一個mote連接。之后，當一輛卡車經(jīng)過時，mote 便可以傳輸所有記錄的數(shù)據(jù)。如此一來，詳細的維護保養(yǎng)記錄便可以保存在機器中（例如在油田里），而無需維護人員親自測量所有這些參數(shù)了。
  
• 您還可以將mote連接到某個居民區(qū)的水表或電表上。這些mote會記錄客戶的用電量和用水量。當一輛卡車經(jīng)過時，mote接收到來自卡車的信號并發(fā)送它們的數(shù)據(jù)。這樣，一個人只需駕車沿街道行駛，就可以非常輕松地讀取居民區(qū)內(nèi)的所有儀表。

所有這些想法都很好；某些想法還使傳感器進入前所未有的領(lǐng)域（例如嵌入混凝土中），其他一些想法縮短了挨個讀傳感器數(shù)據(jù)所需的時間。

然而，mote最令人興奮之處是使用大量相互通信且構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)的mote的想法。

MOTE的自組織網(wǎng)絡(luò)

美國國防高級研究計劃局(DARPA)是mote概念的最初贊助方之一。DARPA實現(xiàn)的其中一個初期mote概念可使mote感知戰(zhàn)場狀況。

例如，讓我們做出這樣的設(shè)想：一位指揮官希望能夠查明某個遙遠區(qū)域坦克的運動。一架飛機從該區(qū)域飛過，散落數(shù)千個mote，每個mote都配備了一個磁力計、一個振動傳感器和一個GPS 接收器。這些受電池操控的mote的散落密度是大約每30米一個。每個mote激活，感知其位置，然后發(fā)出一個射頻信號來發(fā)現(xiàn)其附近的mote。

該區(qū)域中的所有mote構(gòu)建了一個巨大的可以采集數(shù)據(jù)的自組織網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并到達一個采集節(jié)點，該節(jié)點具有強大的射頻，可以將信號傳輸很遠的距離。當一輛敵方坦克通過該區(qū)域時，檢測到這輛坦克的mote將傳輸各自的位置及其傳感器的讀數(shù)。附近的mote接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給它們附近的mote，直到信號到達采集節(jié)點并傳輸給指揮官。這時，指揮官可以將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上并實時查看該坦克在mote區(qū)域移動的路線。隨后，一架無人駕駛飛機可以飛到坦克上方，確定它屬于敵方后扔下炸彈摧毀它。

在您認識到這些mote替代的系統(tǒng)之前，實現(xiàn)這種應(yīng)用似乎有些困難重重。過去，指揮官用來阻止坦克或軍隊在某個遙遠區(qū)域運動的工具一直是地雷。士兵在該區(qū)域埋下數(shù)千顆反坦克地雷或反步兵地雷。通過該區(qū)域的任何人，無論是友軍還是敵軍，都會被炸。當然另一個問題是，在戰(zhàn)爭結(jié)束后很長一段時間內(nèi)，這些地雷仍然起作用并且可能致命，它們埋在地下等待奪取所有過路人的四肢甚至生命。據(jù)這份 UNICEF 報告稱，過去30年中地雷已經(jīng)導(dǎo)致超過100萬人死亡或者致殘，其中很多是兒童。而對于mote，戰(zhàn)后遺留下的僅僅是微小、完全無害的傳感器。由于mote耗電極小，因此電池將持續(xù)一年或兩年。之后，這些mote將悄無聲息，不會對附近平民帶來任何實質(zhì)性威脅。

由數(shù)百個或數(shù)千個相互通信并且逐個傳送數(shù)據(jù)的mote構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)是個非常強有力的概念。下面介紹幾個已投入使用的概念的示例：

• 設(shè)想一個偏遠居民區(qū)或者公寓大樓內(nèi)裝有用來監(jiān)視水表和電表的mote（如上一部分所描述的）。由于普通居民區(qū)內(nèi)所有儀表（和mote）的相互間距在30米以內(nèi)，因此連接的mote之間可以形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)。在居民區(qū)的一頭有一個具有網(wǎng)絡(luò)連接或手機鏈路的超級mote。在這個假想的居民區(qū)內(nèi)，讀表工不用每月駕駛一輛卡車穿過居民區(qū)來讀取各個水表或電表，這些mote將逐個傳送數(shù)據(jù)，而超級mote將傳輸數(shù)據(jù)。如果有需要，可以每小時或每天進行測量。
  
• 農(nóng)場主、葡萄園主或生態(tài)學(xué)者可能在mote中安裝檢測溫度、濕度等的傳感器，使每個mote成為一個微型氣象站。通過散布在田間、葡萄園或森林內(nèi)的這些mote，他們可以對居民區(qū)域氣候進行跟蹤。
  
• 樓宇管理人員可以在大樓內(nèi)遍布的每條電線上安裝mote。這些mote具有感應(yīng)傳感器，可以用來檢測具體某條電線上的用電量，并可讓樓宇管理人員查看某個插座的耗電量。如果大樓內(nèi)的耗電量較高，那么樓宇管理人員可以跟蹤到特定的某個租戶。雖然通過電線也可以實現(xiàn)這一點，但使用mote成本要低許多。
  
• 生物學(xué)家可以在一種瀕臨滅絕的動物身上裝上含有mote的項圈，這種mote可以感應(yīng)位置、溫度等。當這種動物四處走動時，mote會采集并存儲來自傳感器的數(shù)據(jù)。在這種動物的環(huán)境內(nèi)，生物學(xué)家可以構(gòu)建由數(shù)據(jù)采集mote組成的區(qū)或帶。當這種動物在其中某個區(qū)域內(nèi)走動時，項圈內(nèi)的 mote將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到該區(qū)域中的自組織網(wǎng)絡(luò)，然后自組織網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給生物學(xué)家。??
  
• 在公路上每隔30米放置一些配備了檢測交通流量的傳感器的mote，可以幫助警察確定由于事故使交通中斷的位置。由于不需要電線，安裝成本相對更低。
  

典型的mote

放在上一代UC Berkeley mote-- Mica節(jié)點上的“Spec”。尺寸的銳減令人驚奇。

MICA mote是一種市售產(chǎn)品，已經(jīng)得到相關(guān)研究人員和開發(fā)人員的廣泛使用。它具有mote的所有典型功能，因此可以幫助你了解當前這項技術(shù)可行的情況。一家名為Crossbow的公司向公眾提供MICA mote。這些mote有兩種外形尺寸：

• 矩形，尺寸為5.7x3.18x0.64 厘米，加工至可以放在為其供電的兩節(jié) AA電池上的尺寸。
• 圓形，尺寸為2.5x0.64厘米，加工至可以放在一節(jié)3伏鈕扣式電池上的尺寸。

MICA mote使用一塊以4 MHz速度運行的Atmel ATmega 128L處理器。128L是一個8位微控制器，它有一128 KB板載閃存用來存儲mote的程序。此CPU的運算能力大致與最初IBM PC（大約在1982年推出）中的8088 CPU相當。一個較大的差異是ATmega在運行時僅消耗8毫安電流，而在休眠模式下僅消耗15微安的電流。

這種低功耗使得MICA mote僅用兩節(jié)AA電池就可以運行一年以上。一節(jié)普通AA 電池可以產(chǎn)生大約1,000毫安每小時的電量。工作電流為8毫安時，ATmega可以連續(xù)工作大約120小時。不過，程序員通常會編寫代碼使CPU在多數(shù)時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，從而顯著延長電池壽命。例如，mote可能會休眠10秒鐘，蘇醒并檢查狀況若干微秒，然后恢復(fù)休眠狀態(tài)。

MICA mote帶有512 KB閃存來保存數(shù)據(jù)。它們還具有10位A/D轉(zhuǎn)換器，因此可以使傳感器數(shù)據(jù)數(shù)字化。子卡上的單獨傳感器可以與mote連接?？捎玫膫鞲衅靼囟葌鞲衅?、加速度傳感器、光傳感器、聲音傳感器和磁場傳感器。針對GPS 信號等的高級傳感器正處于開發(fā)中。

MICA mote的最后一個部件是射頻板，其傳輸范圍為幾十到幾百米，每秒大約可以傳輸40,000比特。關(guān)閉時，射頻板消耗不到一微安的電流。接收數(shù)據(jù)時，消耗10毫安電流。傳輸數(shù)據(jù)時，消耗25毫安電流。節(jié)約射頻功率是延長電池壽命的關(guān)鍵。

所有這些硬件部件合起來構(gòu)成一個MICA mote。程序員編寫軟件來控制mote并使它按照特定的方式執(zhí)行操作。MICA mote上的軟件是在名為TinyOS 的操作系統(tǒng)上構(gòu)建的。TinyOS很有用，因為它可以為您處理射頻和電源管理系統(tǒng)并且大大簡化了為mote編寫軟件的過程。

mote的未來

2003年3月，研究人員成功將mote所需的所有器件封裝到一個每邊不足3毫米的芯片上?？偝叽绱蠹s為5平方毫米，這意味著你可以在一個一角硬幣上放下十幾個這樣的芯片。

這種芯片包含了mote中的所有部件：CPU、內(nèi)存、用于讀取傳感器數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換器和射頻發(fā)射器。要完成封裝，你還需要安裝傳感器、電池及天線。批量生產(chǎn)時，這種芯片的成本甚至不到一美元。

[責(zé)任編輯：小敏]