Беспроводные сенсорные сети: миф или реальность?
(по материалам форума IDF Fall 2002)
Возвращаясь к материалам прошедшего в сентябре этого года осеннего форума Intel для разработчиков (IDF Fall 2002) в Сан-Хосе (шт. Калифорния), хотелось бы подробнее рассказать о некоторых новых технологиях. Эту статью мы посвятили новой, не получившей пока еще широкого распространения технологии сенсорных сетей.
егодня
благодаря Интернету сотни миллионов персональных компьютеров связаны в единую
сеть, позволяющую людям общаться друг с другом и обмениваться информацией. Компьютер
давно уже перестал быть только вычислительным устройством и на сегодняшний день
предоставляет возможности и обработки, и передачи данных.
Давайте попробуем представить себе компьютер будущего. Скорее всего, он будет
выглядеть совсем не так, как нынешние ПК. Почему? Вспомните предсказание (или
закон) Гордона Мура. Если в 1965 году на одной микросхеме размещалось всего
несколько десятков транзисторов, то сегодня их насчитывается уже десятки миллионов
и процесс уменьшения размеров структурных элементов микросхем еще очень далек
от завершения. Только-только освоили производство процессоров по 130-наномикронной
технологии, а на пороге уже 90-наномикронный технологический процесс. А там
не за горами и 70-наномикронный! Таким образом, размеры микросхем стремительно
сокращаются параллельно с ростом их функциональности. Появляется реальная возможность
уменьшить довольно громоздкие по сегодняшним меркам устройства до размера песчинки.
Уже недалек тот день, когда сотни миллиардов полупроводниковых сенсоров будут
интегрироваться во все что только возможно, начиная от брелока на ключе и заканчивая
детской коляской или даже бутылочкой. И все они будут в состоянии не только
выступать в роли интеллектуальных датчиков, но и выполнять первичную обработку
информации, а также взаимодействовать друг с другом, образуя единую беспроводную
сенсорную сеть. При этом такие датчики практически не будут потреблять электроэнергию,
так как встроенных миниатюрных аккумуляторов будет хватать на несколько лет,
то есть на весь срок работы сенсоров. Это будет концептуально новый тип компьютерной
системы, функционирующей с помощью беспроводной сенсорной сети. Такую сеть принято
называть Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Термин Ad-hoc позаимствован из современных
беспроводных сетей, действующих, например, в стандарте IEEE 802.11b. Такие беспроводные
сети имеют два режима взаимодействия: режим Infrastructure и Ad-hoc. В режиме
Infrastructure узлы сети взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через
точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного
концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных
сетях). В режиме Ad-hoc, который также называется Peer-to-Peer («точка-точка»),
станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Соответственно и в беспроводных
сенсорных сетях режим Ad-hoc означает, что все сенсоры напрямую взаимодействуют
друг с другом, создавая своеобразную сотовую сеть.
Беспроводные сенсорные сети — это своеобразный шаг на пути перехода в следующую
эру — когда компьютеры будут непосредственно соединены с физическим миром и
смогут угадывать желания пользователей, а также принимать за них решения.
Давайте немного пофантазируем, что сулят нам такие сенсорные сети в будущем.
Представьте себе детские кроватки, слушающие дыхание младенцев; браслеты, следящие
за состоянием пациентов в клинике; детекторы дыма, которые могут не только в
случае необходимости вызвать пожарных, но и заранее проинформируют их об очаге
возгорания и степени сложности пожара. Электронные устройства смогут распознавать
друг друга, источники питания будут напоминать о том, что им необходимо «подкрепиться».
Представьте сотни тысяч сенсорных датчиков, объединенных в общую сеть в лесу. В таком лесу просто невозможно будет заблудиться, поскольку передвижение человека будет фиксироваться и анализироваться датчиками. Другой пример — датчики в поле, настроенные на контроль за состоянием почвы и в зависимости от меняющихся условий регулирующие полив и количество вносимых удобрений.
Не менее полезными будут сенсорные сети на дорогах. Общаясь друг с другом, они смогут регулировать поток машин. Это же мечта любого водителя — дороги без пробок! Такие сети смогут справляться с этой задачей значительно эффективнее, чем автоинспекторы, и, что самое невероятное, не будут брать взяток! Проблема контроля правонарушения на дорогах решится при этом сама собой.
Использование сенсорных сетей для управления электроснабжением позволит достичь
невероятной экономии электроэнергии. Представьте себе такую управляющую сеть
у вас в квартире. Отслеживая ваше местонахождение, датчики смогут повсюду выключать
за вами свет и включать его по мере необходимости. Ну а если использовать такие
сети для контроля освещения улиц и дорог, то проблема нехватки электричества
исчезнет сама собой.
Наши рассуждения о возможном использовании сенсорных сетей можно было бы продолжать еще очень долго — человеческой фантазии нет предела, но вернемся в мир сегодняшний.
Для того чтобы сенсорные сети стали реальностью завтрашнего дня, исследования в этом направлении ведутся уже сегодня. И лидером в этой области является корпорация Intel, которая поддерживает все передовые компьютерные технологии будущего.
Выступая на осеннем форуме Intel для разработчиков, главный технический директор
корпорации Патрик Гелсингер (Patrick Gelsinger) особое внимание уделил разработке
беспроводных многоузловых сенсорных сетей, способных к самостоятельному автоматическому
формированию и настройке по мере необходимости. Он отметил, что реализация этой
технологии позволит развернуть сеть недорогих, но при этом весьма сложных полупроводниковых
сенсорных устройств, которые смогут самостоятельно устанавливать связь друг
с другом, докладывая о тех или иных изменениях в окружающей обстановке. Такие
устройства найдут применение в принципиально новых областях, например в разработке
интеллектуальных предметов одежды, подключенных одеял, которые будут следить
за состоянием здоровья новорожденного и сообщать важнейшие показатели его жизнедеятельности,
интеллектуальных фермерских хозяйств, в которых полупроводниковые датчики, установленные
в почве, займутся управлением ирригационной системы и внесением удобрений.
Исследованием сенсорных сетей в корпорации Intel занимается исследовательская лаборатория Intel Berkeley Research laboratory, расположенная в штате Калифорния. В рамках осеннего форума IDF директор этой лаборатории Ханс Мюлдер (Hans Mulder) рассказал о результатах работы своего подразделения. Для того чтобы понять, что уже достигнуто, а что еще предстоит сделать, давайте для начала четко сформулируем основные критерии сенсорной сети будущего. Итак:
- это должна быть беспроводная сеть, состоящая из тысяч сенсоров (узлов сети) с любой зоной покрытия и выполняющая любые возложенные на нее задачи;
- сенсоры должны самоорганизовываться в беспроводную сеть, способную передавать произвольную информацию между двумя любыми сенсорами сети, причем с требуемой скоростью передачи (полосой пропускания);
- сенсоры должны потреблять ничтожно малое количество энергии, чтобы работать на протяжении нескольких лет без замены батареек;
- сенсоры должны очень быстро реагировать;
- сенсоры должны быть незаметными и высоконадежными в эксплуатации;
- сенсоры должны иметь низкую стоимость.
Существующие сегодня экспериментальные сенсорные сети лишь отчасти удовлетворяют
вышеизложенным требованиям. Так, на сегодняшний день сети состоят только из
сотен сенсоров с ограниченной зоной покрытия и выполняют лишь четко определенные
задачи. Они способны передавать лишь определенный тип информации от одного датчика
к другому и только в заданной полосе пропускания. Потребление энергии также
нельзя назвать ничтожно малым — заряда батареи хватает всего на несколько дней.
Существующие сенсорные датчики пока еще достаточно инертны, а о высокой надежности
и незаметности в эксплуатации (хотя бы из-за размеров) и речи не идет. Ну и,
конечно же, такие сенсоры стоят достаточно дорого, так что сеть, состоящая из
сотни сенсоров, обходится недешево. Но позвольте напомнить, что речь идет об
экспериментальных сетях и о развитии технологии будущего. В то же время экспериментальные
сенсорные сети уже сейчас приносят пользу. Одна из таких сенсорных сетей, созданная
совместными усилиями исследовательской лаборатории Intel Berkeley, институтом
Атлантики и Калифорнийским университетом, действует на Большом утином острове
(Great Duck Island) в штате Мэн.
Задача этой сети — изучение поведения и гнездования буревестников (морских птиц) на западном побережье северной Атлантики. Буревестники проводят большую часть жизни вне суши, возвращаясь на остров только в брачный сезон для размножения. Они устраивают гнезда в норках, вырытых в торфяной почве, и выходят из своих укрытий на поверхность только в темное время суток.
Таким образом, наблюдение за этими птицами обычными способами практически невозможно.
Кроме того, любое человеческое вмешательство (даже с целью изучения) довольно
рискованно, так как приводит к тому, что птицы покидают свои гнезда и бросают
птенцов и кладки яиц. Вот тут-то и приходят на выручку сенсорные сети, позволяющие
без непосредственного участия человека собирать все необходимую информацию.
Сенсорная сеть использует в качестве узловых элементов две платы. На первой плате расположены температурный датчик, датчики влажности и барометрического давления и инфракрасный датчик. На второй плате находятся микропроцессор (частота 4 МГц), оперативная память объемом 1 Кбайт, флэш-память для хранения программ и данных, источник питания (две батарейки типоразмера АА) и радиопередатчик/приемник, работающий на частоте 900 МГц. Сенсоры позволяют регистрировать всю необходимую информацию и передавать ее в базу данных главного компьютера.
Все датчики предварительно проходят тщательное тестирование — плату с датчиками
погружают в воду на двое суток и следят за ее функциональностью.
Все сенсорные узлы образуют единую беспроводную сеть и способны обмениваться информацией. При этом передача информации от удаленного узла сети к шлюзу (Gateway Sensor) происходит по цепочке, то есть от одного узла сети к другому, что позволяет создавать большую зону покрытия (см. рисунок «Структура сенсорной сети»). Через шлюз информация достигает главного компьютера. Шлюз использует направленную антенну, что позволяет увеличить расстояние передачи до 300 м. С главного компьютера информация с помощью спутниковой связи передается через Интернет в исследовательский центр, расположенный в Калифорнии.
Таким образом, уже cегодня, несмотря на несовершенство и пока еще достаточно узкий круг использования, сенсорные сети находят применение в науке.
КомпьютерПресс 10'2002
