Kasta det trådlösa sensornätet

Jag visste inte det här innan, men växter har sex, säger Kevin Delin. Han gör en gest mot två enorma cykader, palmliknande flyktingar från dinosaurieåldern som växer i ett hörn av Huntingtons botaniska trädgård, en fristad för 15 000 sällsynta växtarter i San Marino, Kalifornien. Delins okunnighet om botanik är ursäktlig. Han är ingenjör från NASA:s närliggande Jet Propulsion Laboratory, och det som verkligen intresserar honom är inte cykadhanarna och honorna utan paret av sensornätkapslar som sitter i marken under växterna. Varje pod är lika stor som en handdator och innehåller en processor, batteri, solcell, radio, minne och sensorer för att övervaka värme, luftfuktighet och markfuktighet. Skidorna är surrogatögonen, öronen och till och med hjärnan hos trädgårdens kuratorer, som håller reda på hur mycket solljus och regn växterna får kritiska faktorer för cykader, som behöver specifika förhållanden för att föröka sig.

Sensorer är inget nytt. En bil, till exempel, använder dussintals av dem för att övervaka faktorer som motorförhållanden. Men sensorerna i dagens bilar, fabriker och kontorsbyggnader är för det mesta dumma. De saknar intelligens för att analysera eller agera på sina resultat; istället skickar de mätningar tillbaka till en central processor. De flesta strömsensorer har också fastnat på plats, med alla rörelser som kräver dyra omledningar. Delins baljor är annorlunda. De pratar trådlöst med varandra och med 18 andra baljor i trädgården och bildar sitt eget intelligenta nätverk. Med några minuters mellanrum uppdaterar poddarna varandra om sina senaste avläsningar, bearbetar tillsammans informationen till en helhetsbild av temperatur och markförhållanden och skickar denna analys till kuratorerna. Det är som om en autonom, mycket medveten dator var spridd över 40 hektar landskap.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2003

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Det handlar om att syntetisera global kunskap från rådata i farten, säger Delin. Hans baljor förebådar en framtid där smarta sensorer suger in enorma mängder viktig data, t.ex. mekaniska påfrestningar på strålarna på en bro, eller mullret från en fiendekonvoj på en månlös ökennatt - som för närvarande inte registreras. Trådlösa och batteridrivna, kommer sådana sensorer att nås på distans och placeras där det skulle vara opraktiskt att stränga data och kraftledningar. Små och billiga, de kommer att distribueras liberalt och tätt placerade, vilket ger finkorniga bilder av fenomen som klimat som för närvarande bara kartläggs i stor skala. Och eftersom de kommer att agera kooperativt - organiserar sig själva och delar beräkningar över hela nätet - kommer de att förse människor med användbara bitar av försmält information snarare än en förvirrande tvätt av siffror.

Trådlösa sensornätverk är faktiskt ett av de första verkliga exemplen på pervasive computing, föreställningen att små, smarta och billiga avkännings- och datorenheter så småningom kommer att genomsyra miljön. Den föreställningen har florerat i informationsteknologiska kretsar i mer än ett decennium. Men nu, efter flera år av forskningsinvesteringar från U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, National Science Foundation och en handfull högteknologiska jättar som Intel, växer hårdvaran och mjukvaran som är grundläggande för pervasive computing fram.

Även om tekniken fortfarande är i sina tidiga dagar, är utbudet av potentiella tillämpningar häpnadsväckande ( ser Känner av potentialen ). Forskare vid Intel och University of California, Berkeley, har utvecklat ett trådlöst chassi i personsökarstorlek som kan anpassas med många typer av sensorer. Forskarna använder enheterna för att spåra mikroklimat och skadedjur i vingårdar, övervaka sällsynta sjöfåglars häckningsvanor och kontrollera värme- och ventilationssystem. Och 600 kilometer på vägen vid University of California, Los Angeles, använder andra forskare trådlösa sensorer för att få detaljerade mätningar av effekterna av seismiska vågor på byggnader. Ytterligare andra arbetar på sätt att låta företag övervaka och kontrollera sina arbetsutrymmen, från lokala kontor till löpande band en halv kontinent bort. Ansökningarna är överallt , säger David Culler, en ledande forskare med nätverksavkänning vid UC Berkeley.

I mångas medvetande är det en teknik som kan visa sig vara lika viktig som Internet: för precis som Internet tillåter datorer att ta del av digital information oavsett var den lagras, kommer sensornätverk att utöka människors förmåga att fjärrinteragera med den fysiska världen. Culler kallar enheterna för en ny klass av datorsystem, som skiljer sig från det förflutnas hårdvara genom deras allestädes närvarande och deras kollektiva analytiska skicklighet. Inom detta decennium förutspår han att distribuerad avkänning och datoranvändning kommer att krypa in i varje hem, byggnad, kontor, fabrik, bil, gata och gård.

Inte överraskande finns det många utmaningar innan det händer. På många sätt är trådlösa sensornät lika långt framme som Internet var på 1970-talet, när nätverket länkade samman färre än 200 universitet och militärlabb, och forskare fortfarande experimenterade med kommunikationsprotokoll och adressscheman. Idag ansluter de flesta trådlösa sensornätverk färre än 100 punkter, eller noder; längre och kommunikationslinjerna blir så trassliga att de går sönder. Kostnaden för den genomsnittliga noden är nära $100, medan batteritiden mäts i, i bästa fall, månader. Och ingen är exakt säker på vilken applikation som kommer att förvandla tekniken till en kommersiell bonanza. Alla och deras moster och farbror är intresserade, säger Deborah Estrin, chef för UCLA:s Center for Embedded Networked Sensing. Men det är en kamp att hitta affärsmodellen.

Forskare säger att inget av dessa problem sannolikt kommer att vara oöverkomligt. Vissa trådlösa sensorer finns redan på marknaden, och produkter med spännande nya funktioner kan vara tillgängliga inom några år. Sensoria i San Diego, för en, utvecklar sensorer som kan förvandla bilar till resande noder i urbana trådlösa nätverk, vilket gör det möjligt för grupper av fordon att automatiskt sammanställa realtidsbilder av lokal trafik eller att dela kommunikationsuppgifter när de kommer åt information om lokala destinationer. William Kaiser, en UCLA-elektroingenjör och grundare av Sensoria, hävdar att Internet har förändrat hur vi gör affärer med datorer. Detta kommer att förändra vårt sätt att leva vår vardag.

Avkopplingsindustrin

Tillbaka i Huntington-trädgården går Delin in i ett konferensrum med en portfölj i aluminium, de snälla myndigheterna på TV:n använder för att bära topphemliga prylar. Han tar fram fyra av sina senaste sensorkapslar och böjer av locket på en; under finns kretskort som håller poddens tarmar, inklusive mikroprocessorn och radiosändaren som låter den kommunicera med sina följeslagare. Han sprider baljorna runt i rummet och inom några sekunder hittar de varandra och självorganiserar sig till ett trådlöst nätverk som bland annat övervakar temperatur och luftfuktighet. En närliggande pod - även om någon av dem skulle göra vidarebefordrar information från nätverket till Delins bärbara dator för visning. För att visa hur nätverket reagerar på sin miljö kopplar Delin bort en av enheterna. Den bärbara datorns skärm visar de återstående poddarna som kompenserar genom att dirigera data runt den saknade poden. Han fäster en elektrisk fläkt på en kapsel och håller sedan en annan kapsel i handen; nätverket känner av Delins kroppsvärme och slår på fläkten.

Poddarnas förmåga att kommunicera via radio, förklarar Delin, gör att de kan vara utspridda i områden som telefon- och elledningar inte når och flyttas runt efter behag. Men för att få data att flöda måste noder hitta sina grannar automatiskt och sätta upp radioanslutningar. Dessa anslutningar kan förändras snabbt, säger Delin, så att dela data över nätverket är en jonglering. Programvara som körs på alla poddar koordinerar vilka av dem som pratar med varandra och när. Sensornoderna lyssnar efter varandra och ställer in tider för att dela data, medan en nätverksklocka håller noderna synkroniserade. Nätverket liknar ett mesh snarare än nav-och-ek-arrangemanget som används för mobiltelefoner; istället för att länka varje sensor direkt till en central kommunikationspunkt, skickar noderna data endast till grannar inom radioräckvidd, vilket sparar ström.

Det låter komplicerat, och det är det. Men decentraliserade trådlösa nätverk som Delins är redan kostnadseffektiva för tung industri: Ember i Boston, MA, har sålt liknande teknik till kunder som är frustrerade över de konventionella trådbundna sensorerna i deras tillverknings- eller värme- och ventilationsutrustning. En kund brukade fodra rören till sitt reningsverk - där olja och gas separeras från avloppsvatten - med dyra trådbundna temperatursensorer, kopplade till värmare som håller vätskan inuti från att bli för tjock. Om en sensor inte fungerade, kan en tank brista, vilket tvingar anläggningen att stängas av till en kostnad av 100 000 USD per timme, säger Robert Poor, Embers medgrundare och tekniska chef. Med ett trådlöst nätverk kan fler sensorer installeras till ett överkomligt pris, vilket ger redundans och ger mer tillförlitlig information. Kisel är billigt. Kabeldragning är det inte, säger Poor. (För fler av Poors tankar om tekniken, se Sensors of the World, Unite! ).

Flera återstående problem hindrar dock en bred kommersiell tillämpning av tekniken. Den första är dess höga strömförbrukning. Det periodiska samtalet fram och tillbaka mellan noderna, i synnerhet, är en tömning av batterier. Varje bit som sänds för en sensornod ett ögonblick närmare döden, säger Greg Pottie, en av Sensoria medgrundare.

En relaterad fråga är att sensornodernas radioapparater har en begränsad räckvidd, vanligtvis i tiotals meter. Så att nätverka ett större utrymme, säg en stor fabrik, tar många noder. Många noder som skickar massor av data skapar möjligheter för lokaliserade fel som kan lämna delar av nätverket isolerade, säger Rick Kriss, VD för San Diego-baserade Xsilogy. Det finns inget sådant som ett pålitligt nätverk, såvida du inte gör mycket aggressiv nätverkshantering, säger Kriss. Så Xsilogys noder sänder med jämna mellanrum sin status och låter nätverket veta om deras batterier börjar ta slut eller om deras mottagning bleknar. Då kan nätverket kompensera genom att dirigera runt felpunkterna och varna användaren om förestående problem.

Men det finns ett annat problem som är svårare att komma runt, och det är priset. I en process som är raka motsatsen till massproduktion, klappar de flesta sensornätstillverkare fortfarande ihop hyllplansdelar för hand, vilket höjer kostnaden för varje nod till intervallet $80 till $100. Det priset måste sjunka under $20 för att sensornäten ska ta fart kommersiellt, säger David Tennenhouse, forskningschef på Intel.

Standardisering kan hjälpa. Att ha öppna standarder och många ointresserade grupper som testar konkurrerande tillvägagångssätt kommer absolut att göra eller bryta om detta blir allmänt använt, säger UC Berkeley's Culler. Men med så många företag och universitetslabb som utvecklar sina egna prototyper, börjar designstandarder för trådlösa sensorer och nätverksprotokoll bara dyka upp. En potentiellt dominerande design kallas en mote; dess operativsystem, TinyOS, utvecklades av Cullers grupp i Berkeley och genomgår ytterligare förfining hos Intel och Crossbow Technology i San Jose, CA. Berkeley-moten, som har testats av hundratals forskargrupper runt om i världen, är mindre och använder mindre ström än de flesta kommersiella trådlösa sensorer. Avvägningen är att de inte kan behandla så mycket data. Men många forskare säger att deras anpassningsförmåga - det är lätt att fästa sensorer för ljus, ljud, temperatur eller rörelse, säger - gör dem till den nätverksanslutna sensorvärldens motsvarighet till en Windows-dator.

Faktum är att det slutliga valet av en trådlös sensorplattform kan vara lika betydelsefullt som framväxten av Windows som det dominerande operativsystemet för konsumenter – eller till och med, i en experts ögon, som standardiseringen av elektricitet. Det är ungefär som den historiska striden mellan AC och DC, säger Larry Smarr, chef för California Institute for Telecommunications and Information Technology i San Diego. Förrän det fanns en allestädes närvarande vinnare kunde inte elapparatindustrin ta fart.

Söndra och erövra

Som om de är redo att ta av sig själva, klamrar sig 50-tals fjärilsstora mot taket och väggarna på Deborah Estrins labb vid UCLA och övervakar temperatur, ljus och rörelse. Andra ligger nedmonterade på skrivbord och bänkar. Några av motesna har till och med hjul; de rullar över golvet under sin egen framdrivning, och övar en dag när de ska flytta runt för att hitta den bästa radiomottagningen eller ladda batterierna till en granne som inte fungerar. Här är en bild på anslutningen, säger Estrin och håller upp ett pappersark med en obegriplig härva av linjer på. Det ser ut som en tallrik spagetti: antalet kommunikationsvägar exploderar när fler noder läggs till, vilket gör nätverket mer och mer kraschbenäget.

Lösningen som testas i Estrins labb: dela och härska. Se det som att anordna en stor middagsbjudning, säger hon. Meningsfulla samtal kan inte uppstå om inte människor turas om att tala och lyssna. Och kommunikation på hög nivå är mest effektiv om människor organiserar sig i kluster och väljer en individ att tala för varje kluster. Därför klusterar noderna sig själva och justerar i farten, byter kluster opportunistiskt för att optimera både strömförbrukning och informationsflödet genom nätverket.

Nästa utmaning är helt enkelt hur man kanaliserar datafloden. Tanken är att lägga bearbetning i varje nod, så att den kan kondensera rådata till mönster och skicka vidare färre bitar än den tog emot. Snäckorna ovanför Estrins huvud kan till exempel följa hennes rörelser och varna sina grannar, som tar reda på riktningen hon går och överför just den informationen - inte hela registreringen av hennes rörelser - till en databas på en modernod. Denna nod kan rekommendera att belysningen släcks, till exempel om den bestämmer sig för att Estrin har lämnat rummet och inga andra personer är närvarande. Att bearbeta data lite i taget i hela nätverket, säger Estrin, är ett första steg mot att programmera systemet för att hjälpa till att fatta intelligenta beslut. Det sparar också dyrbar batterikraft.

För att vara riktigt användbar bör ett sensornätverk bara skicka användarna sina analyser av intressanta händelser, inte själva de råa bitarna. Folk vill ha svar, inte siffror, påpekar Steven Glaser, professor i civil- och miljöteknik vid UC Berkeley vars grupp använder sensornät för att studera seismisk aktivitet.

Bland de svar som ingenjörer och seismologer som Glaser vill ha: hur påverkar jordbävningar enskilda komponenter i byggnader och hur reagerar strukturer på lokala variationer i en jordbävnings styrka? Ett UCLA-team ledd av Paul Davis, en geofysiker och huvudutredare vid Estrins centrum, distribuerar en 50-nodsuppsättning av seismiska sensorer över campus i ett försök att lära sig en del av svaret. Det första steget är bara att samla data, inspelad från marken med 100-meters intervall - en mycket högre upplösning än den som tillhandahålls av nuvarande seismiska sensorer, som är åtskilda kilometer från varandra, säger Davis. Forskarna kommer sedan att jämföra hur marken skakar med vibrationer som uppmätts samtidigt inuti en campusbyggnad kopplad av U.S. Geological Survey efter jordbävningen i Northridge, Kalifornien 1994.

Seismisk avkänning

Forskare vid UCLA använder ett sensornätverk med 50 noder för att övervaka seismisk aktivitet i en finare skala än någonsin tidigare. Överlagrade på denna karta över UCLA-campus finns positionerna för markvibrationssensorerna (stjärnor), placerade 100 meter från varandra.

Målet är att utveckla en modell för hur finskalig seismisk aktivitet påverkar olika strukturer. En sådan modell programmerad i bärbara sensornät som kan användas tillfälligt i stadsdelar - kan hjälpa stadsplanerare att lära sig var geologiska förhållanden tenderar att förstärka skalv och hur man gör byggnader i dessa områden säkrare. I framtiden kan sensorer placerade nära fellinjer till och med upptäcka närmande seismiska vågor och utlösa larm, vilket ger de boende värdefulla sekunder att ta sig till säkrare områden. Men, säger Davis, det är grejer med blå himmel.

Google för den fysiska världen

Smart, autonom och självmedveten: det är den ultimata visionen för sensornät. På många sätt är det blå himmel. Men två industriprojekt ger glimtar av en nätverksbunden framtid.

Det finns en fara att komma åt data som samlas in av sensornätverk kommer att vara som att dricka ur en brandslang, bara värre, säger Feng Zhao, chef för forskningsområdet Embedded Collaborative Computing vid Palo Alto Research Center i Kalifornien. Med andra ord, att bli översvämmad med för mycket data kan vara lika förlamande som att inte ha tillräckligt. Det är ett dilemma som alla som använder webben är väl medvetna om. Och, säger Zhao, lösningen för sensornätverk kan vara liknande. I ett försök att konstruera användarvänliga gränssnitt för sensornätverk, experimenterar Zhaos grupp med en ny typ av sökmotorer som han beskriver som Google för den fysiska världen.

Tänk dig, förklarar Zhao, loggar in på Internet och skriver in, Behöver min gräsmatta mer vatten? Nätverket skulle översätta frågan till en standardiserad databasfråga, undersöka siffror från fuktsensorer runt ditt hem och skicka tillbaka ett meddelande om ja eller nej. Liknande system för supply chain management och säkerhet kan vara tillgängliga om fem till sju år, säger Zhao. På lager kan chefer fråga hyllmonterade sensorer om lagertrender, medan vakter i säkra lokaler kan programmera smarta nätverk av rörelsesensorer för att larma när de märker misstänkta rörelsemönster.

Så småningom kan sensornät till och med verka levande. På en amerikansk armébas i Fort Leonard Wood, MO, i april, visade Sensorias ingenjörer ett störande självmedvetet system som fysiskt omarrangerar sig som svar på förändrade förhållanden. När 80 åskådare såg på, mullrade en M1-A1 Abrams stridsstridsvagn över ett fält med en plog fäst vid dess front, och brände ett spår genom ett snår av obeväpnade minor med en diameter på 12 centimeter. Efter att stridsvagnen krossat ett halvdussin av minorna och fortsatte sin väg, omfördelade de återstående minorna sig för att fylla luckan bakom stridsvagnen som hoppade genom luften med smällare som kom från små raketboosters.

Gruvorna åstadkom denna bedrift genom att avge och lyssna efter akustiska pulser som hjälpte dem att hitta sina grannar inom några centimeter, säger Kaiser. En störning i nätverket får minorna att ta reda på vilka grannar som har flyttats eller förstörts och beräknar hur de ska omfördela sig själva. På ett riktigt slagfält kan sådana smarta minor besegra fiendens minröjningsinsatser, eller till och med röra sig ur vägen för vänliga styrkor och sedan återupprätta försvar bakom dem.

Trots så dramatiska demonstrationer av kraften hos trådlösa sensornät är det svårt att förutsäga om försvar, tillverkning eller något ännu okänt område kommer att vara värd för deras mördarapp. Det är som datorer i början av 1980-talet. Folk trodde att de främst skulle användas för att balansera checkhäften, säger Delin. När det gäller den kommersiella marknaden på kort sikt kommer det att vara en härligt rörig miljö ett tag, med många möjligheter för nykomlingar, förutspår Ember’s Poor. Det beror på att de potentiella applikationerna finns runt omkring oss - var som helst användbar information kan extraheras från vår miljö. När dagens forskning översätts till billiga, krocksäkra produkter kan det betyda inget annat än en sammanslagning mellan den virtuella världen och den fysiska världen. Det kommer att hända, säger Zhao. Frågan är hur snart?

Dölj