mote(智能微塵)工作原理

引言

近些年來，您也許已經聽說了一種名為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絡。現在，似乎每一期的《大眾科學》、《發現》和《連線》都在大肆宣傳mote概念的一些新應用。例如，軍方計劃使用mote采集戰場上的信息，工程師打算將其混合到混凝土中，并用它們從內部監視建筑物和橋梁的狀況。

mote可能有數千種不同的應用方法，隨著人們對這一概念的熟悉，更多的應用方式可能會應運而生。這是分布式感知技術的一種全新模式，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的多種潛在應用。接著，我們將關注一項市場上已有的激動人心的新技術——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的核心是一種微小的、低成本、低功耗的計算機。
• 計算機監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應用都需要傳感器，但感知應用非常普遍。
• 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的基礎概念是微小尺寸（及相關聯的極低成本），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，其大小與醫元硬幣相當。

mote可以不使用電池或者在某些應用中可以接入電網。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）來使它們得以持續運行。

所有這些部件都封裝在一個盡可能微小的殼體內。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）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一場革命，但mote確實做到了這一點。我們將在下一部分內容中關注其多種潛在應用。

MOTE典型應用

如果您查閱資料時搜索人們已經考慮到的mote的不同使用方式，您會發現各式各樣的想法。下面介紹從本文結尾處的鏈接中精選的一組mote的應用。

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時將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現它們的存在。
  
• 可以將能夠監控機器的溫度、轉數、油位等狀態并將狀態記錄到mote內存中的傳感器與一個mote連接。之后，當一輛卡車經過時，mote 便可以傳輸所有記錄的數據。如此一來，詳細的維護保養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了。
  
• 您還可以將mote連接到某個居民區的水表或電表上。這些mote會記錄客戶的用電量和用水量。當一輛卡車經過時，mote接收到來自卡車的信號并發送它們的數據。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內的所有儀表。

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據所需的時間。

然而，mote最令人興奮之處是使用大量相互通信且構成自組織網絡的mote的想法。

MOTE的自組織網絡

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實現的其中一個初期mote概念可使mote感知戰場狀況。

例如，讓我們做出這樣的設想：一位指揮官希望能夠查明某個遙遠區域坦克的運動。一架飛機從該區域飛過，散落數千個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，然后發出一個射頻信號來發現其附近的mote。

該區域中的所有mote構建了一個巨大的可以采集數據的自組織網絡。數據通過網絡傳輸并到達一個采集節點，該節點具有強大的射頻，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。附近的mote接收傳輸的數據并將數據轉發給它們附近的mote，直到信號到達采集節點并傳輸給指揮官。這時，指揮官可以將數據顯示在屏幕上并實時查看該坦克在mote區域移動的路線。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替代的系統之前，實現這種應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域運動的工具一直是地雷。士兵在該區域埋下數千顆反坦克地雷或反步兵地雷。通過該區域的任何人，無論是友軍還是敵軍，都會被炸。當然另一個問題是，在戰爭結束后很長一段時間內，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。據這份 UNICEF 報告稱，過去30年中地雷已經導致超過100萬人死亡或者致殘，其中很多是兒童。而對于mote，戰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性威脅。

由數百個或數千個相互通信并且逐個傳送數據的mote構成的自組織網絡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：

• 設想一個偏遠居民區或者公寓大樓內裝有用來監視水表和電表的mote（如上一部分所描述的）。由于普通居民區內所有儀表（和mote）的相互間距在30米以內，因此連接的mote之間可以形成一個自組織網絡。在居民區的一頭有一個具有網絡連接或手機鏈路的超級mote。在這個假想的居民區內，讀表工不用每月駕駛一輛卡車穿過居民區來讀取各個水表或電表，這些mote將逐個傳送數據，而超級mote將傳輸數據。如果有需要，可以每小時或每天進行測量。
  
• 農場主、葡萄園主或生態學者可能在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、葡萄園或森林內的這些mote，他們可以對居民區域氣候進行跟蹤。
  
• 樓宇管理人員可以在大樓內遍布的每條電線上安裝mote。這些mote具有感應傳感器，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這一點，但使用mote成本要低許多。
  
• 生物學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據。在這種動物的環境內，生物學家可以構建由數據采集mote組成的區或帶。當這種動物在其中某個區域內走動時，項圈內的 mote將其數據轉儲到該區域中的自組織網絡，然后自組織網絡將數據傳輸給生物學家。??
  
• 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節點上的“Spec”。尺寸的銳減令人驚奇。

MICA mote是一種市售產品，已經得到相關研究人員和開發人員的廣泛使用。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 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AA電池就可以運行一年以上。一節普通AA 電池可以產生大約1,000毫安每小時的電量。工作電流為8毫安時，ATmega可以連續工作大約120小時。不過，程序員通常會編寫代碼使CPU在多數時間內處于休眠狀態，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，然后恢復休眠狀態。

MICA mote帶有512 KB閃存來保存數據。它們還具有10位A/D轉換器，因此可以使傳感器數據數字化。子卡上的單獨傳感器可以與mote連接。可用的傳感器包括溫度傳感器、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。關閉時，射頻板消耗不到一微安的電流。接收數據時，消耗10毫安電流。傳輸數據時，消耗25毫安電流。節約射頻功率是延長電池壽命的關鍵。

所有這些硬件部件合起來構成一個MICA mote。程序員編寫軟件來控制mote并使它按照特定的方式執行操作。MICA mote上的軟件是在名為TinyOS 的操作系統上構建的。TinyOS很有用，因為它可以為您處理射頻和電源管理系統并且大大簡化了為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。總尺寸大約為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、內存、用于讀取傳感器數據的A/D轉換器和射頻發射器。要完成封裝，你還需要安裝傳感器、電池及天線。批量生產時，這種芯片的成本甚至不到一美元。有關詳細信息，請參見本頁。