智能尘埃：战场上随时随地追踪一切的传感器

[导读] 把传感器放在物体上？太没创意了。但如果把传感器散布到空气中呢？这样一来，它们就可以监控一切信息——温度、湿度、化学品、运动、脑电波，一切的一切。
   　2035年，比尔·特拉沃斯（Bill Traverse）中士和他的突击队员们正在战火肆虐的墨西哥城执行“清扫”任务，他们的目标是找到零星的抵抗力量，将其彻底清除。

　　在蜿蜒的城市街道中，无人机起不到什么帮助。而在这样一个遭受战火洗礼的城市中，科技基础设施几年前就被彻底摧毁，所以士兵配备的HUD（平视显示器）也完全失去了作用。

　　但特拉沃斯并没有盲目行动。他和他的队员们有一种名叫“尘埃”（Dust）的秘密武器。这其实是一种便携传感器，可以漂浮在整座城市的空气中，搜集各种各样的有用信息，包括物体的运动、生物识别信息、温度变化和化学成分。

　　突击队有一名士兵专门携带通讯接收器，可以将“尘埃”传感器搜集到的信息发回到HUD。通过这些数据，特拉沃斯就可以判断下一个转角处是否有人，以及那些人是否携带了武器，从而帮助他的队员们做出准确的判断……

　　当然，特拉沃斯和他的手下所面临的场景纯属虚构，而“尘埃”也并不存在。

　　智能尘埃：随时随地追踪一切的传感器

　　物联网虽然还没有全面实现，但这个话题似乎已经老掉牙了。物联网的核心理念是将传感器放在任何东西上，然后通过互联网将数据发回数据库。通过这种方式，便可以随时随地监控一切信息，并构建更加智能且更具互动性的系统。

　　把传感器放在物体上？太没创意了。但如果把传感器散布到空气中呢？这样一来，它们就可以监控一切信息——温度、湿度、化学品、运动、脑电波，一切的一切。

　　这项技术名叫“智能尘埃”，虽然听起来很疯狂，也很新颖，但它其实并没有你想象得那么疯狂。

　　美国国防部高等研究计划署（DARPA）和兰德公司早在1990年代初就提出了“智能尘埃”的理念。我们之所以虚构了上面的军事场景，是因为它最早就是由这些军事机构提出的。

　　但从实践角度来看，这种技术几乎可以应用到各行各业。战场上的“尘埃”可以监控敌人的一举一动，工厂里的“尘埃”可以监控机器的运转状况，身体里的“尘埃”可以监控人的健康状况，森林里的尘埃可以追踪野生动物的迁徙以及风力和湿度。

　　有了这种无处不在的传感器技术，整个世界都可以量化。但具体的工作模式究竟是什么样子？

　　什么是“智能尘埃”？

　　“智能尘埃”是由“微粒”组成的，其本质就是一种具备众多功能的微型传感器。这种传感器需要借助微机电系统（MEMS）来实现。美国市场研究公司Gartner在报告中描述了这些微粒的功能：

　　“一个典型的智能尘埃微粒通常包含一个导体激光二极管和一个用于主动光传输的MEMS光束控制镜；一个用于被动光传输的MEMS角隅棱镜回射器；一个光接收器、信号处理和控制线路；以及一个用厚膜电池和太阳能电池制成的电源。”

　　“智能尘埃”之所以能成为现实，都要得益于这些MEMS，以及数字电路和无线通讯技术的发展。数字电路系统的进步可以大幅缩小这些“微粒”的体积，但仍然可以内置电池、内存和无线传输器，有可能会使用无线射频识别（RFID），也有可能使用蓝牙或尚未推出的无线通讯协议。目标是尽可能缩小体积，尽可能延长续航，同时还能运行微操作系统，以便实现各种功能。

　　“智能尘埃”的挑战在于，既要全面整合各种传感器，还要把数据传输回基站。加州大学伯克利分校的克里斯托弗·皮斯特（Kristofer Pister）、乔·卡恩（Joe Kahn）以及伯哈德·博瑟（Bernhard Boser）已经讨论过使用光传输和无线电来实现数据收发的方案。

　　皮斯特是“智能尘埃”的顶尖研究者和支持者之一，也是Dust Network公司的联合创始人兼CTO。这家创立于2004年的公司希望把“智能尘埃”从理念变成现实。该公司已于2011年被集成电路公司Linear Networks收购。

　　用TinyOS控制“尘埃”

　　如果开发者要开发各种开源硬件和软件，那很可能会用到Arduino和TinyOS两大操作平台中的一个。

　　Arduino和TinyOS的主要区别在于，后者是为低能耗传感器设计的，可以支持无线传输标准。Arduino则更容易学习和使用，但TinyOS提供了更加全面的功能。因此，TinyOS可以说是设计“智能尘埃”微粒的完美选择。

　　斯坦福大学完成了TinyOS的多数开发。他们在官网上描述了这款系统的模式：“TinyOS是一款为低能耗无线设备设计的开源操作系统，包括传感器网络、普适计算、个人局域网、智能建筑和智能仪表。TinyOS为底层的硬件提供了有用的软件。”

　　TinyOS的主要不足在于，它不能运行需要高性能支撑的功能。虽然TinyOS是一款功能完备的操作系统，但它的目的性却很强。它使用很短的代码片段来运行单一任务，而不会使用长代码实现更复杂的动作。这也使之非常适合“智能尘埃”的功能要求，从而实现高频率的数据搜集和传输，但却不需要支持基站这种专门收集数据的设施。

　　“尘埃”世界

　　很多专为战争创造的技术已经为人类带来了巨大的技术突破。核电、喷气引擎、雷达和互联网最初都是出于军事目的。“尘埃”同样如此，但这并不意味着它只能应用于军事领域。

　　上文为了方便叙述而虚构了特拉沃斯中士和他的突击队员，但我们希望这种情形永远不要发生。我们更希望利用这种技术来开展星际探索：在可能适宜人类居住的星球上利用“尘埃”来监控环境，或是监测人类大脑内部的运作机制。

　　皮斯特和卡恩在关于“智能尘埃”的论文中阐述了一些可能的应用领域：“‘智能尘埃’或许可以部署到一个地区，用于记录当地的气象、地理或行星研究数据。它甚至可以在有线传感器无法使用或出现错误的环境中实现数据测量。例如半导体设备、旋转电机、风洞和消音室。在生物研究中，‘智能尘埃’或许也可以用于监控昆虫或其他小型动物的运动或内部流程。”

　　皮斯特和卡恩或许只介绍了“智能尘埃”的冰山一角，这种微粒可能很快就将随风飘向全球各地，对整个世界进行量化。