由： 馬歇爾大腦

　　MICA2 Mote 使用 2 節(jié) AA 電池為 CPU/無線電供電長達(dá)一年。查看更多 微塵圖片.

　　照片由 弩弓技術(shù)公司您可能聽說過一種稱為 微 塵.這個(gè)概念也稱為 智能粉塵 和 無線傳感網(wǎng)絡(luò).在某一時(shí)刻，幾乎每一期 科普, 發(fā)現(xiàn) 和 有線 今天包含關(guān)于微塵想法的一些新應(yīng)用的簡介。例如，軍方計(jì)劃使用它們來收集戰(zhàn)場信息，工程師計(jì)劃將它們混合到混凝土中，并用它們在內(nèi)部監(jiān)控建筑物和橋梁的健康狀況。

　　微塵的使用方式有數(shù)千種，隨著人們熟悉這個(gè)概念，他們會(huì)想出更多。它是分布式傳感的全新范式，它開辟了一種看待計(jì)算機(jī)的迷人新方式。

　　在本文中，您將有機(jī)會(huì)了解微塵的工作原理，并了解該技術(shù)的許多可能應(yīng)用。然后我們將看看一個(gè) 云母微塵 --你可以購買一種現(xiàn)有的技術(shù)來試驗(yàn)這種獨(dú)特的感知世界的方式。

　　基本理念

　　MICA2DOT微塵通常由圓形“按鈕”電池供電，不超過四分之一。

　　照片由 弩弓技術(shù)公司“微塵”概念創(chuàng)造了一種思考計(jì)算機(jī)的新方式，但基本思想非常簡單：

　　微塵的核心是小型、低成本、低功耗 計(jì)算機(jī).

　　計(jì)算機(jī)監(jiān)視一個(gè)或多個(gè) 傳感器.很容易想象各種傳感器，包括溫度、光、聲音、位置、加速度、振動(dòng)、應(yīng)力、重量、壓力、濕度等傳感器。并非所有微塵應(yīng)用都需要傳感器，但傳感應(yīng)用非常普遍。

　　計(jì)算機(jī)通過 無線電鏈路.最常見的無線電鏈路允許微塵在 10 到 200 英尺(3 到 61 米)的距離內(nèi)傳輸。功耗、尺寸和成本是實(shí)現(xiàn)長距離的障礙。由于微塵的基本概念是微小的尺寸(以及相關(guān)的微小成本)，因此小型和低功耗無線電是正常的。

　　微塵可以跑掉 電池，或者他們可以在某些應(yīng)用中接入電網(wǎng)。隨著微塵的尺寸和功耗的縮小，可以想象太陽能甚至異國情調(diào)的東西，比如 振動(dòng)功率 以保持它們運(yùn)行。

　　所有這些部件都包裝在盡可能小的容器中。在未來，人們想象縮小微塵以適合一側(cè)只有幾毫米的東西。今天，包括電池和天線在內(nèi)的微塵更常見的是一堆五或四分之五的大小，或一包香煙的大小。電池通常是目前包裝中最大的部分。目前的批量微塵可能要花費(fèi)大約 25 美元，但價(jià)格正在下降。

　　很難想象像微塵這樣小而無害的事情會(huì)引發(fā)一場革命，但這正是他們所做的。我們將在下一節(jié)中介紹一些可能的應(yīng)用。

　　典型應(yīng)用

　　如果你調(diào)查文獻(xiàn)中人們想到使用微塵的不同方式，你會(huì)發(fā)現(xiàn)各種各樣的想法。這是從文章末尾的鏈接中挑選出來的集合。

　　可以將微塵視為單獨(dú)的傳感器。例如：

　　澆筑混凝土?xí)r，您可以將微塵嵌入橋梁中。微塵可以有一個(gè)傳感器，可以檢測混凝土中的鹽濃度。然后，每個(gè)月一次，你可以駕駛一輛卡車越過橋，向橋上發(fā)射強(qiáng)大的磁場。磁場將允許埋在橋梁混凝土中的微塵通電并傳輸鹽濃度。鹽(可能來自除冰或海洋噴霧)會(huì)削弱混凝土并腐蝕加固混凝土的鋼筋。鹽傳感器可以讓橋梁維護(hù)人員判斷鹽造成的損害程度。嵌入橋梁混凝土中的其他可能的傳感器可能會(huì)檢測振動(dòng)、應(yīng)力、溫度波動(dòng)、開裂等，所有這些都可以幫助維護(hù)人員在問題變得嚴(yán)重之前發(fā)現(xiàn)問題。

　　您可以將傳感器連接到可以監(jiān)控機(jī)械狀況的微塵 - 溫度，轉(zhuǎn)數(shù)，油位等。并將其記錄在微塵的內(nèi)存中。然后，當(dāng)卡車駛過時(shí)，微塵可以傳輸所有記錄的數(shù)據(jù)。這將允許在機(jī)器上保留詳細(xì)的維護(hù)記錄(例如，在油田中)，而無需維護(hù)人員自己測量所有這些參數(shù)。

　　您可以將微塵附加到附近的水表或功率計(jì)。微塵將記錄客戶的電力和水消耗。當(dāng)卡車駛過時(shí)，微塵從卡車獲得信號(hào)并發(fā)送數(shù)據(jù)。這將允許一個(gè)人非常輕松地讀取附近的所有儀表，只需沿著街道行駛即可。

　　所有這些想法都很好;有些允許傳感器移動(dòng)到以前沒有去過的地方(例如嵌入混凝土中)，而另一些則減少了單獨(dú)讀取傳感器所需的時(shí)間。

　　然而，關(guān)于微塵的最大興奮來自使用大量微塵與 彼此 和形式 自組網(wǎng)絡(luò).

　　自組網(wǎng)絡(luò)

　　“規(guī)格”是一種單芯片微塵(隱藏在白蠟方塊下)，尺寸約為 2mm x 2.5mm，具有類似 AVR 的 RISC 內(nèi)核、3K 內(nèi)存、8 位片上 ADC、FSK 無線電發(fā)射器、分頁內(nèi)存系統(tǒng)、通信協(xié)議加速器、寄存器窗口等等。

　　照片由 JLH實(shí)驗(yàn)室國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)是mote想法的原始贊助人之一。為DARPA實(shí)施的最初微塵想法之一允許微塵感知戰(zhàn)場條件。

　　例如，假設(shè)指揮官希望能夠檢測偏遠(yuǎn)地區(qū)的卡車移動(dòng)。一架飛機(jī)飛越該地區(qū)并散布數(shù)千個(gè)微塵，每個(gè)微塵都配備了磁力計(jì)，振動(dòng)傳感器和 全球定位系統(tǒng)接收器.電池供電的微塵以每 100 英尺(30 米)左右一個(gè)的密度掉落。每個(gè)微塵都會(huì)醒來，感知到它的位置，然后發(fā)出一個(gè) 無線電信號(hào) 找到它的鄰居。

　　該地區(qū)的所有微塵都創(chuàng)建了一個(gè)可以收集數(shù)據(jù)的巨大無定形網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)漏斗并到達(dá)收集節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)大的無線電，能夠傳輸數(shù)英里的信號(hào)。當(dāng)敵方卡車駛過該區(qū)域時(shí)，檢測到它的微塵會(huì)傳輸其位置和傳感器讀數(shù)。相鄰的微塵拾取傳輸并將其轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居，依此類推，直到信號(hào)到達(dá)收集節(jié)點(diǎn)并傳輸?shù)街笓]官。指揮官現(xiàn)在可以在屏幕上顯示數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)查看卡車在塵埃領(lǐng)域所遵循的路徑。然后一個(gè) 遙控車輛 可以飛越卡車，確保它屬于敵人并投下炸彈摧毀它。

　　這似乎是一個(gè)很大的麻煩，直到你意識(shí)到這些微塵所取代的系統(tǒng)。過去，指揮官用來阻止卡車或部隊(duì)通過偏遠(yuǎn)地區(qū)的工具是 地雷.士兵們會(huì)用成千上萬的反卡車或 殺傷人員地雷.任何穿過該地區(qū)的人 - 朋友或敵人 - 都會(huì)被炸毀。當(dāng)然，另一個(gè)問題是，在沖突結(jié)束很久之后，地雷仍然活躍和致命 - 等待奪走任何路人的肢體甚至生命。據(jù)此 兒童基金會(huì)報(bào)告在過去30年中，地雷已造成100多萬人死亡或致殘，其中許多是兒童。有了微塵，戰(zhàn)爭后留下的是微小的、完全無害的傳感器。由于微塵消耗的電量非常少，電池可以使用一兩年。然后，微塵就會(huì)變得沉默，不會(huì)對附近的平民構(gòu)成人身威脅。

　　這種自組織網(wǎng)絡(luò)的概念 - 由數(shù)百或數(shù)千個(gè)相互通信并將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳遞到另一個(gè)的微塵組成 - 非常強(qiáng)大。以下是該概念在起作用的幾個(gè)示例：

　　想象一下，一個(gè)郊區(qū)社區(qū)或公寓大樓，其微塵可以監(jiān)控水表和電表(如上一節(jié)所述)。由于典型鄰域中的所有儀表(和微塵)彼此相距在 100 英尺(30 米)以內(nèi)，因此附加的微塵可以在它們之間形成一個(gè)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。在社區(qū)的一端是一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)連接或手機(jī)鏈接的超級微塵。在這個(gè)想象的社區(qū)中，人們不必每個(gè)月駕駛卡車穿過社區(qū)來讀取單個(gè)水表或電表——微塵將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳遞到另一個(gè)，超級微塵傳輸它。如果需要，測量可以每小時(shí)或每天進(jìn)行。

　　農(nóng)民、葡萄園主或生態(tài)學(xué)家可以為微塵配備檢測溫度、濕度等的傳感器，使每個(gè)微塵成為一個(gè)迷你氣象站。這些微塵散布在田野、葡萄園或森林中，可以跟蹤微氣候。

　　建筑物經(jīng)理可以將微塵連接到整個(gè)辦公樓的每一根電線上。這些微塵將具有感應(yīng)傳感器來檢測單個(gè)電線上的功耗，并讓建筑物經(jīng)理看到單個(gè)插座的功耗。如果建筑物中的功耗似乎很高，建筑物管理員可以將其跟蹤到單個(gè)租戶。雖然這可以用電線做，但用微塵它會(huì)便宜得多。

　　生物學(xué)家可以為瀕臨滅絕的動(dòng)物配備一個(gè)項(xiàng)圈，項(xiàng)圈內(nèi)裝有微塵，可以感知位置、溫度等。當(dāng)動(dòng)物四處移動(dòng)時(shí)，微塵會(huì)收集和存儲(chǔ)來自傳感器的數(shù)據(jù)。在動(dòng)物的環(huán)境中，生物學(xué)家可以放置帶有數(shù)據(jù)收集微塵的區(qū)域或條帶。當(dāng)動(dòng)物徘徊到其中一個(gè)區(qū)域時(shí)，項(xiàng)圈中的微塵會(huì)將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到該區(qū)域的自組網(wǎng)絡(luò)，然后將其傳輸給生物學(xué)家。

　　在高速公路上每隔100英尺放置一次的微塵，并配備傳感器來檢測交通流量，可以幫助警方識(shí)別事故停止交通的地方。由于不需要電線，因此安裝成本相對較低。

　　用于使Spec(如上圖所示)活躍的工作臺(tái)。

　　照片由 JLH實(shí)驗(yàn)室

　　典型的萌萌

　　“規(guī)范”位于上一代加州大學(xué)伯克利分校Motes(云母節(jié)點(diǎn))之上。尺寸減小是驚人的。

　　照片由 JLH實(shí)驗(yàn)室云母 微塵是一種商用產(chǎn)品，已被研究人員和開發(fā)人員廣泛使用。它具有微塵的所有典型特征，因此可以幫助您了解這項(xiàng)技術(shù)在今天成為可能。MICA微塵通過一家名為 弩.這些微塵有兩種外形規(guī)格：

　　矩形尺寸為 2.25 x 1.25 x 0.25 英寸(5.7 x 3.18 x 64 厘米)，其尺寸適合安裝在兩節(jié)為其供電的 AA 電池頂部。

　　圓形，尺寸為 1.0 x 0.25 英寸(2.5 x .64 厘米)，尺寸適合安裝在 3 伏紐扣電池的頂部。

　　MICA微塵使用運(yùn)行在4兆赫茲的Atmel ATmega 128L處理器。128L 是 8 位 微控制器 有 128 KB 的板載 閃存 以存儲(chǔ)微塵的程序。該CPU與原始IBM PC中的8088 CPU(大約1982年)一樣強(qiáng)大。最大的區(qū)別在于，ATmega在運(yùn)行時(shí)僅消耗8毫安，而在睡眠模式下僅消耗15微安。

　　這種低功耗使 MICA 微塵可以使用兩節(jié) AA 電池運(yùn)行一年以上。典型的AA電池可以產(chǎn)生大約1，000毫安小時(shí)。在 8 毫安時(shí)，如果 ATmega 持續(xù)運(yùn)行，它將運(yùn)行約 120 小時(shí)。但是，程序員通常會(huì)編寫他/她的代碼，以便CPU大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，從而大大延長電池壽命。例如，mote 可能會(huì)休眠 10 秒，喚醒并檢查狀態(tài)幾微秒，然后重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

　　“規(guī)范”位于上一代加州大學(xué)伯克利分校Motes(云母節(jié)點(diǎn))之上的廣闊視圖?！耙?guī)格”是中間凸起鉆頭頂部的小正方形。

　　照片由 JLH實(shí)驗(yàn)室

　　MICA微塵帶有512KB的閃存來保存數(shù)據(jù)。它們還具有 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，因此傳感器數(shù)據(jù)可以數(shù)字化。子卡上的單獨(dú)傳感器可以連接到微塵。可用的傳感器包括溫度、加速度、光、聲音和磁性。先進(jìn)的傳感器，用于以下用途 全球定位系統(tǒng) 信號(hào)正在開發(fā)中。

　　MICA微塵的最后一個(gè)組成部分是 收音機(jī).它的范圍為數(shù)百英尺，每秒可傳輸約40，000比特。當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，收音機(jī)消耗不到一微安。接收數(shù)據(jù)時(shí)，它消耗 10 毫安。傳輸時(shí)，它消耗 25 毫安。節(jié)省無線電功率是延長電池壽命的關(guān)鍵。

　　所有這些硬件組件共同創(chuàng)建了一個(gè) MICA 微塵。程序員編寫軟件來控制微塵并使其以某種方式執(zhí)行。MICA微塵上的軟件建立在 操作系統(tǒng) 叫 提尼操作系統(tǒng).TinyOS很有幫助，因?yàn)樗鼮槟幚頍o線電和電源管理系統(tǒng)，并使為微塵編寫軟件變得更加容易。

　　未來

　　圓珠筆筆尖旁邊的“規(guī)格”。2003 年 3 月，研究人員設(shè)法將微塵所需的所有部件塞進(jìn) 單芯片每側(cè)小于 3 毫米.總尺寸約為5平方毫米，這意味著您可以將十幾個(gè)這樣的芯片裝在一分錢上。

　　該芯片包含微塵中的所有組件：CPU、存儲(chǔ)器、用于讀取傳感器數(shù)據(jù)的 A/D 轉(zhuǎn)換器和無線電發(fā)射器。要完成包裝，請連接傳感器、電池和天線。芯片量產(chǎn)時(shí)的成本將不到一美元。