сенсорные сети: крошечные, вездесущие и всемогущие
Перевод словосочетания ad hoc — "специальный, созданный для данной цели" — довольно точно отражает суть сенсорных сетей, которые создаются каждый раз заново для решения конкретных задач и мгновенно после их выполнения распадаются на отдельные элементы, готовые образовать новые сети, как только в том возникнет необходимость.
Крошечные, не крупнее пылинки, полупроводниковые устройства, выполняющие одновременно вычислительные и коммуникационные функции и способные наиболее оптимальным образом автоматически конфигурироваться в самоорганизующиеся сети, являются основой новой сетевой парадигмы, повышающей производительность и безопасность сетевых вычислений.
Представьте себе детскую кроватку, которая "прислушивается" к дыханию ребенка и улавливает малейшие изменения температуры его тела, плавательный бассейн, который самостоятельно "следит" за свежестью и чистотой воды, детекторы дыма в зданиях, которые не только регистрируют возгорание, но и сообщают пожарным, на каких именно этажах и в каких именно комнатах задымление больше или меньше... Возможности использования сенсорных сетей простираются далеко за пределы дома или офиса. В качестве наиболее очевидных областей применения ad hoc сетей эксперты называют экологию и службы спасения: крошечные пылинки-сенсоры, разбросанные с самолетов над большими лесными массивами, в зависимости от заданных параметров могут отслеживать либо возникновение лесных пожаров, либо маршрут заблудившейся туристической группы, передавая в диспетчерский центр по самоорганизованной беспроводной сети доскональный мониторинг состояния "зеленого океана". Сенсорные сети могут следить за созреванием урожая, информируя фермеров о необходимости полива всходов, за состоянием климата в производственных и общественных помещениях и т.д. и т.п.
В концепции сенсорных сетей существенно изменяется роль человека, поскольку их элементы — сенсорные микрокомпьютеры — становятся гораздо более самостоятельными, зачастую предвосхищающими задания, генерируемые человеком, задолго до их поступления. "Гомоцентрическая" модель сетевых вычислений с человеком в качестве центрального звена в сети уходит в прошлое — человек "смещается" из центра вычислений на его периферию, концентрируясь на управлении процессом, становясь своеобразным посредником между реальным миром и компьютерами.
Естественно, для того, чтобы воплотить заманчивые мечты о сенсорных беспроводных сетях в жизнь, предстоит еще многое сделать. Сенсорные устройства, или "моты" (от англ. mote — "пылинка") должны представлять собой интегрированную платформу, сочетающую возможности сенсоров (внешних датчиков, регистрирующих определенные параметры или их совокупность), компьютеров и коммуникационных устройств. Крошечные компьютеры должны не только "различать" окружающий мир, но и действовать в зависимости от его состояния. И все они должны быть соединены в единую беспроводную сеть, чтобы иметь возможность передавать регистрируемую информацию "по цепи". Наконец, они должны обладать внушительным запасом энергии для автономной работы и стоить так мало, чтобы их было дешевле выбросить, чем подзарядить.
Кое-кто из экспертов полагает, что распространение небольших сенсорных устройств может создать эффект в сотни и тысячи раз более мощный, чем распространение Интернета. Стремительное уменьшение размеров современных сенсоров вместе с их удешевлением и снижением энергопотребления приближает время прихода сенсорных сетей, а значит, наступление эпохи новой сетевой парадигмы.
лаборатория Intel
Исследовательская лаборатория корпорации Intel в Калифорнийском университете в Беркли (США) является своего рода центром исследования сенсорных сетей, координирующим усилия академического сообщества и индустрии. В качестве главной цели лаборатория видит создание упомянутой выше беспроводной интегрированной вычислительной платформы-сенсора с низким энергопотреблением и ведет работы в трех основных направлениях: разработка гибкой и открытой операционной системы; создание сетевых технологий, обеспечивающих самоорганизацию сетей из сенсоров; разработка востребованных приложений для ad hoc сетей.
Специалисты лаборатории уже располагают прототипом такой платформы, которая предоставляет исследователям возможность поиска эффективных путей использования ad hoc сенсоров. Пока еще это достаточно большие устройства — площадь сенсора-прототипа составляет 5-6 кв. см (примерно рублевая монета), но исследователи из Беркли надеются, что в ближайшем будущем им удастся разместить сенсор в объеме, равном 1 куб. мм.
Поскольку главное предназначение сенсорных сетей — восприятие и передача полезной информации, специалисты лаборатории в Беркли заняты разработкой методики объединения сенсоров с предметами, мониторинг которых "вменяется" им в обязанность, а также исследуют возможность создания "актуаторов" — устройств на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только регистрировать ее состояние.
Не менее активно сотрудники лаборатории работают над прецизионной биологией, созданием биочипов. Кроме сенсорного восприятия мира "твердых" вещей, исследуется возможность "ощущать" жидкие среды и биологические, развивающиеся объекты. Подобные исследования открывают колоссальные перспективы для медицинских и фармацевтических разработок, осуществления химических процессов и изготовления биологических препаратов.
сенсорный... виноградник
Как известно, изготовление вина — чрезвычайно "информационноемкое" занятие. В отличие от зерна или картофеля, вино покупается и продается не на вес или объем — его цена зависит, в основном, от места и года, где и когда был выращен и собран виноград. Опытные виноделы проводят долгие часы, отбирая и смешивая спелые грозди сочных ягод из разных областей виноделия, чтобы добиться желаемого вкуса, цвета и букета вина. Существует множество параметров, которые влияют на качество напитка.
Идея применения сенсорных сетей в виноградарстве заключается в том, чтобы рассеять беспроводные сенсоры по винограднику и постоянно собирать и накапливать сведения о температурном, водяном и прочих режимах созревания каждой виноградной лозы. После этого останется лишь проанализировать, какой режим дает то или иное качество вина, и в дальнейшем смешивать сок разных гроздей уже на научной основе.
Рис. 1. Сотрудник Intel Ричард Беквит вынимает устройства для сбора информации с сенсоров из защитного кожуха.
Рис. 2. Один из сенсоров, висящих в винограднике в Орегоне.
На нескольких акрах виноградника сорта Pinot noir в долине Вилламет (штат Орегон) исследователи из лаборатории развернули опытный участок такой беспроводной сенсорной сети. Руководит проектом профессиональный... психолог Ричард Беквит, использующий исследовательскую технологию, известную как "наблюдение за участниками". Он действительно наблюдает, с одной стороны, за экспертами, которые размещают сенсоры на винограднике и собирают научную информацию, а с другой стороны, за теми, кто растит виноград, чтобы понять, какие критерии в области виноградарства важны для тех и других и как эта информация увязывается в единое целое. Зачем?
Рис. 3. В центре новой вычислительной тенденции находится сенсор, умеющий собирать информацию, производить вычисления и общаться.
Исследователи корпорации Intel считают виноградники весьма подходящим местом для "пилотного" применения встроенных сетей (embedded networking), поскольку современные методы ведения сельского хозяйства основаны на усредненных оценках и не могут соответствовать требованиям таких чувствительных областей сельского хозяйства, каким является выращивание винограда. Информация, собранная сетями сенсоров, может использоваться для обеспечения максимальной урожайности, позволяя владельцам виноградников и менеджерам быстрее окупить инвестиции.
Таким образом, эксперты Intel совсем не случайно выбрали виноградник в качестве первого опытного полигона для внедрения своих сенсорных сетей. Именно эта сфера сельского хозяйства до сих пор была обделена вниманием высоких технологий и именно здесь их применение, как ни странно, может дать максимальный эффект. На первом пробном винограднике корпорации Intel сенсоры измеряют температуру окружающего воздуха раз в минуту, а потом запоминают самое высокое и самое низкое значение за прошедший час. Время от времени Беквит ходит по винограднику и собирает информацию, которую накопили сенсоры при помощи небольшого устройства с возможностями беспроводной связи. Ему удается это делать раз в несколько недель, но в следующем году он планирует это делать ежедневно при помощи четвероногого помощника по кличке Роджер, который пока проходит интенсивный курс обучения.
Крошечные, не крупнее пылинки, полупроводниковые устройства, выполняющие одновременно вычислительные и коммуникационные функции и способные наиболее оптимальным образом автоматически конфигурироваться в самоорганизующиеся сети, являются основой новой сетевой парадигмы, повышающей производительность и безопасность сетевых вычислений.
Представьте себе детскую кроватку, которая "прислушивается" к дыханию ребенка и улавливает малейшие изменения температуры его тела, плавательный бассейн, который самостоятельно "следит" за свежестью и чистотой воды, детекторы дыма в зданиях, которые не только регистрируют возгорание, но и сообщают пожарным, на каких именно этажах и в каких именно комнатах задымление больше или меньше... Возможности использования сенсорных сетей простираются далеко за пределы дома или офиса. В качестве наиболее очевидных областей применения ad hoc сетей эксперты называют экологию и службы спасения: крошечные пылинки-сенсоры, разбросанные с самолетов над большими лесными массивами, в зависимости от заданных параметров могут отслеживать либо возникновение лесных пожаров, либо маршрут заблудившейся туристической группы, передавая в диспетчерский центр по самоорганизованной беспроводной сети доскональный мониторинг состояния "зеленого океана". Сенсорные сети могут следить за созреванием урожая, информируя фермеров о необходимости полива всходов, за состоянием климата в производственных и общественных помещениях и т.д. и т.п.
В концепции сенсорных сетей существенно изменяется роль человека, поскольку их элементы — сенсорные микрокомпьютеры — становятся гораздо более самостоятельными, зачастую предвосхищающими задания, генерируемые человеком, задолго до их поступления. "Гомоцентрическая" модель сетевых вычислений с человеком в качестве центрального звена в сети уходит в прошлое — человек "смещается" из центра вычислений на его периферию, концентрируясь на управлении процессом, становясь своеобразным посредником между реальным миром и компьютерами.
Естественно, для того, чтобы воплотить заманчивые мечты о сенсорных беспроводных сетях в жизнь, предстоит еще многое сделать. Сенсорные устройства, или "моты" (от англ. mote — "пылинка") должны представлять собой интегрированную платформу, сочетающую возможности сенсоров (внешних датчиков, регистрирующих определенные параметры или их совокупность), компьютеров и коммуникационных устройств. Крошечные компьютеры должны не только "различать" окружающий мир, но и действовать в зависимости от его состояния. И все они должны быть соединены в единую беспроводную сеть, чтобы иметь возможность передавать регистрируемую информацию "по цепи". Наконец, они должны обладать внушительным запасом энергии для автономной работы и стоить так мало, чтобы их было дешевле выбросить, чем подзарядить.
Кое-кто из экспертов полагает, что распространение небольших сенсорных устройств может создать эффект в сотни и тысячи раз более мощный, чем распространение Интернета. Стремительное уменьшение размеров современных сенсоров вместе с их удешевлением и снижением энергопотребления приближает время прихода сенсорных сетей, а значит, наступление эпохи новой сетевой парадигмы.
лаборатория Intel
Исследовательская лаборатория корпорации Intel в Калифорнийском университете в Беркли (США) является своего рода центром исследования сенсорных сетей, координирующим усилия академического сообщества и индустрии. В качестве главной цели лаборатория видит создание упомянутой выше беспроводной интегрированной вычислительной платформы-сенсора с низким энергопотреблением и ведет работы в трех основных направлениях: разработка гибкой и открытой операционной системы; создание сетевых технологий, обеспечивающих самоорганизацию сетей из сенсоров; разработка востребованных приложений для ad hoc сетей.
Специалисты лаборатории уже располагают прототипом такой платформы, которая предоставляет исследователям возможность поиска эффективных путей использования ad hoc сенсоров. Пока еще это достаточно большие устройства — площадь сенсора-прототипа составляет 5-6 кв. см (примерно рублевая монета), но исследователи из Беркли надеются, что в ближайшем будущем им удастся разместить сенсор в объеме, равном 1 куб. мм.
Поскольку главное предназначение сенсорных сетей — восприятие и передача полезной информации, специалисты лаборатории в Беркли заняты разработкой методики объединения сенсоров с предметами, мониторинг которых "вменяется" им в обязанность, а также исследуют возможность создания "актуаторов" — устройств на основе сенсоров, которые позволяют влиять на ситуацию, а не только регистрировать ее состояние.
Не менее активно сотрудники лаборатории работают над прецизионной биологией, созданием биочипов. Кроме сенсорного восприятия мира "твердых" вещей, исследуется возможность "ощущать" жидкие среды и биологические, развивающиеся объекты. Подобные исследования открывают колоссальные перспективы для медицинских и фармацевтических разработок, осуществления химических процессов и изготовления биологических препаратов.
сенсорный... виноградник
Как известно, изготовление вина — чрезвычайно "информационноемкое" занятие. В отличие от зерна или картофеля, вино покупается и продается не на вес или объем — его цена зависит, в основном, от места и года, где и когда был выращен и собран виноград. Опытные виноделы проводят долгие часы, отбирая и смешивая спелые грозди сочных ягод из разных областей виноделия, чтобы добиться желаемого вкуса, цвета и букета вина. Существует множество параметров, которые влияют на качество напитка.
Идея применения сенсорных сетей в виноградарстве заключается в том, чтобы рассеять беспроводные сенсоры по винограднику и постоянно собирать и накапливать сведения о температурном, водяном и прочих режимах созревания каждой виноградной лозы. После этого останется лишь проанализировать, какой режим дает то или иное качество вина, и в дальнейшем смешивать сок разных гроздей уже на научной основе.
Рис. 1. Сотрудник Intel Ричард Беквит вынимает устройства для сбора информации с сенсоров из защитного кожуха.
Рис. 2. Один из сенсоров, висящих в винограднике в Орегоне.
На нескольких акрах виноградника сорта Pinot noir в долине Вилламет (штат Орегон) исследователи из лаборатории развернули опытный участок такой беспроводной сенсорной сети. Руководит проектом профессиональный... психолог Ричард Беквит, использующий исследовательскую технологию, известную как "наблюдение за участниками". Он действительно наблюдает, с одной стороны, за экспертами, которые размещают сенсоры на винограднике и собирают научную информацию, а с другой стороны, за теми, кто растит виноград, чтобы понять, какие критерии в области виноградарства важны для тех и других и как эта информация увязывается в единое целое. Зачем?
Рис. 3. В центре новой вычислительной тенденции находится сенсор, умеющий собирать информацию, производить вычисления и общаться.
Исследователи корпорации Intel считают виноградники весьма подходящим местом для "пилотного" применения встроенных сетей (embedded networking), поскольку современные методы ведения сельского хозяйства основаны на усредненных оценках и не могут соответствовать требованиям таких чувствительных областей сельского хозяйства, каким является выращивание винограда. Информация, собранная сетями сенсоров, может использоваться для обеспечения максимальной урожайности, позволяя владельцам виноградников и менеджерам быстрее окупить инвестиции.
Таким образом, эксперты Intel совсем не случайно выбрали виноградник в качестве первого опытного полигона для внедрения своих сенсорных сетей. Именно эта сфера сельского хозяйства до сих пор была обделена вниманием высоких технологий и именно здесь их применение, как ни странно, может дать максимальный эффект. На первом пробном винограднике корпорации Intel сенсоры измеряют температуру окружающего воздуха раз в минуту, а потом запоминают самое высокое и самое низкое значение за прошедший час. Время от времени Беквит ходит по винограднику и собирает информацию, которую накопили сенсоры при помощи небольшого устройства с возможностями беспроводной связи. Ему удается это делать раз в несколько недель, но в следующем году он планирует это делать ежедневно при помощи четвероногого помощника по кличке Роджер, который пока проходит интенсивный курс обучения.
Рис. 4. В следующем сезоне Роджер поможет собирать данные при помощи закрепленного на ошейнике устройства для сбора информации с сенсоров.
Честно говоря, Роджера будут эксплуатировать во имя светлого высокотехнологического будущего без его ведома и согласия. Этот пес и так регулярно обегает ряды виноградника, отгоняя койотов и грызунов. Беквит собирается прикрепить ему на ошейник специальное устройство для сбора информации от сенсоров. И тут без помощи братьев наших меньших не обойтись...
Дмитрий "Digit" Петрусенко, по материалам корпорации Intel.
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 09 за 2003 год в рубрике технологии
