пнвтсрчтптсбвс
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31      

Реклама


  Технологии/Явление

Что чувствует компьютер?

Сенсорные сети

Сенсорные сети 13.04.2008
12:00
Антон Воронин

Разговор о современных технологиях можно продолжать бесконечно. Из месяца в месяц мы рассказываем об идеях нового Интернета, а значит, и нового мирового порядка. Не так давно мы говорили о Вебе 3.0 – надстройке над уже существующей Сетью. Этот так называемый «семантический Веб», способен улавливать оттенки смысла содержащихся в блогах записей, понимать звуковые и видео ролики, а главное, может увязать «звон», раздавшийся в любой точке Сети, со всеми, кому он адресован. Более того, новый Веб будет делить источники информации на достоверные и ненадежные, оценивать полученные данные и решать, что с ними делать. Иными словами, Веб 3.0 способен к анализу, логике и принятию решений. Но сегодня Сеть наполнена информацией, 99% которой внесены человеком, и эти тексты, фотографии, музыка и прочие данные редко генерируются автоматически. Исключение – уличные веб-камеры: они самостоятельно транслируют картинку. Но этих «глаз» грядущему Интернету будет недостаточно, поэтому сегодня мы поговорим о новых «органах чувств», которые получит Сеть уже в недалеком будущем.Сенсорные сети

 

Помните, несколько лет назад многие были увлечены красивой идеей «умного дома»? Подобные концепции появились в преддверии Интернета-2, основой которого стали нереально быстрые каналы связи и протокол IPv6. Однако интернет-революция была на некоторое время отложена: хорошая идея – трудновоплотимая, безнадежно преждевременная «гостья из будущего» – на практике оказалась никому не нужна.

 

Холодильник с выходом в интернет, умеющий управлять бытовой кухонной техникой и системой домашнего климат-контроля, кажется сегодня забавной, но довольно несуразной конструкцией. И все же идеи использования холодильником интернета были интересны: аппарат должен был самостоятельно заказывать продукты в веб-магазинах, а также отслеживать состояние и срок годности размещенной в нем провизии и предупреждать хозяев о возможных проблемах. Сенсорные сетиНо мы – реалисты, и понимаем, что интерфейс российских интернет-магазинов вряд ли в ближайшем будущем станет достаточно универсальным для того, чтобы его мог не только читать, но и анализировать холодильник. Именно Веб 3.0 способен помочь искусственному разуму увязать перечень предлагаемого продовольствия с неким пространством, где содержится описание всех продуктов и их свойств. Эти данные «умный» холодильник должен соотнести с запросами хозяина. Однако сегодня онлайновые магазины интересуются не столько технологиями, сколько продажами, и до Веба 3.0 им нет никакого дела. Кроме того, чтобы доверить контроль за количеством и свежестью продуктов, находящихся в холодильнике, самому холодильнику, нужно быть немного… роботом (ведь живой человек все равно оценивает еду по ее внешнему виду, запаху и вкусу, а монитор, встроенный в дверцу аппарата, цинично использует как терминал для запуска пасьянса).

 

Но не все так плохо, и после переоценки идеи не всегда отправляются на свалку. Одна из важных частей концепции умного дома – датчики (обычно – климата и движения), которые нужно внедрять в здание уже на стадии строительства. Эта идея получила серьезное развитие, а потому может раньше других найти себе практическое применение. Об этом мы сейчас расскажем.

 

Сенсорные сети

 

Современные микросхемы стали действительно «микро» – и по размерам, и по себестоимости производства. Кроме того, они следуют одному из главных трендов современной индустрии – снижению энергопотребления, а значит, ими можно заполнить любое пространство. Эти микросхемы могут выполнять несколько функций – например, вычисление и передачу данных по разным протоколам (как проводным, так и бесконтактным), а также быть датчиками температуры, звука, видео. Кроме того, на них можно расположить автономные источники питания. Такие сенсоры, подобно простейшим микроорганизмам, не способны принимать решения повышенной сложности, однако они умеют связываться с себе подобными устройствами (т.е. ближайшими соседями) и передавать (принимать) им (от них) информацию.

 

На практике это значит, что из самоорганизующихся датчиков можно создавать беспроводные сети. Сенсоры при этом замуровываются в стены «умных домов» или прячутся под обоями, вшиваются в одежду, размещаются на улицах или встраиваются в бытовые приборы. Где бы ни находились такие датчики, они, по мере необходимости, объединятся в сеть и будут готовы передавать полученную информацию приемникам более высокого уровня.

 

Микроэлекромеханические системыС возникновением микросхем появилось и понятие «цифропыль» (англ. «smartdust»). Это сеть, состоящая из датчиков микроэлектромеханических систем (МЕМС), роботов или приборов, работающих по беспроводной связи, которые – все вместе – могут получать звуковую или световую информацию или фиксировать вибрацию. Сами датчики (в терминологии Intel они называют «мотами», от англ. «mote» – пылинка) в идеале должны быть по размеру сравнимы с частицей пыли или хотя бы с песчинкой. Габариты современных датчиков колеблются от микрометров до миллиметров. Соединяясь, цифровые «пылинки» должны автоматически образовывать гибкие и энергоэкономичные сети, которые смогут работать так, как это необходимо. Например, с их помощью можно построить систему климатконтроля. Кроме того, можно использовать их в качестве датчиков для компьютерных игр или трехмерного телевидения, подстраивающих объемное изображение в зависимости от расположения зрителя.

 

Концепция цифровой пыли, как и первые прототипы сенсорных сетей, появилась на рубеже нового тысячелетия, в 2000-2001 гг. «Цифропыли» предшествовала разработка под названием Smart Matter («умная материя», «умное вещество»), которой занимался исследовательский центр в Пало-Альто (PARC, ранее известный как Xerox PARC). В терминологии PARC сенсорные сети назывались «Сенсорнетом» (по аналогии с Интернетом). Исследователи Пало-Альто небезосновательно полагали, что эта технология произведет почти такой же фурор, как, в свое время, и сам интернет.

 

Сенсорные сетиКлассический вариант применения датчиков – больница. Там можно измерять температуру воздуха и влажность, можно определить, не дует ли из какого-нибудь окна (датчики чувствительны в том числе и к колебаниям воздуха), а также следить за перемещениями пациентов или сообщать об опасности природных катаклизмов.

Разумеется, будут они использоваться и военной сфере, отслеживая перемещения предполагаемого или действующего противника, подавая сигнал о газовой атаке, радиационном заражении и т.п. Однако низкая стоимость данной технологии и ожидаемая простота ее использования дает повод для опасений защитникам неприкосновенности частной жизни. Ведь сенсорную сеть, если она и впрямь будет разворачиваться столь легко, сумеет построить любой школьник. А значит, военный, промышленный или частный шпионаж вполне может стать нормой.

 

Радиоэтикетки

 

Родственная сенсорным сетям технология RFID (Radio Frequency IDentification, радиочастотная идентификация) – это специальные радиометки, которые можно встраивать в любые товары, продающиеся в магазинах, а также в тело человека, вживляя чип под кожу.

 

РадиометкиRFID играет роль электронных ценников, с помощью которых можно узнать не только стоимость, но и характеристики каждой вещи. В супермаркете эта технология стала активной беспроводной заменой штрих-коду, а также способом защиты от краж и средством поиска и упорядочивания товаров (на чипе можно указать место, на котором лежал тот или иной предмет).

 

А будучи вживленным в тело человека, RFID может заменить пропуск, билет, ключ, паспорт, медицинскую карту и т.д.. Подкожный RFID способен стать хранилищем всех паролей и PIN-кодов человека, которые будет практически невозможно потерять. Вживляемые чипы по размерам сравнимы с рисовым зерном, а срок их жизни – почти 100 лет. Стоит один такой чип примерно два доллара, радиус его действия составляет около 10 см. Обычно чип помещается в область между большим и указательным пальцами, и установить его может любой врач (эта процедура сродни обычному уколу). RFID может работать не только как идентификатор и накопитель: будучи оснащенным теми или иными датчиками, он накапливает информацию о своем хозяине, например, ведет мониторинг температуры тела или пульса. Человек с таким чипом сам становится «ходячим элементом» сенсорной сети.

 

Например, в поликлинике или госпитале RFID, связавшись с местными считывателями, идентифицирует и зарегистрирует пациента, после чего сам станет и медицинской картой, и талоном на прием, и градусником.

 

Радиочастотные передатчикиНекоторые западные компании вживляют чипы своим сотрудникам в качестве служебных пропусков. Иногда это является обязательным условием: такое решение представляется руководителям или сотрудникам служб безопасности наиболее защищенным. Так, RFID-чипы компании VeriChip Corp. вживляют в область трицепса плеча сотрудников американской компании CityWatcher, которым нужен доступ в датацентр. Однако независимые специалисты по информационной безопасности считают, что это решение все же не обеспечивает абсолютную защиту (в интернете недавно появились пошаговые инструкции по клонированию RFID-чипов VeriChip).

 

RFID состоит из двух основных частей – «логики» и радиопередатчика. «Логикой» мы называем элемент, который обрабатывает и хранит информацию, то есть состоит из процессора и накопителя. Самый крупный элемент в метке – передатчик, а точнее, его антенна (она бывает в 80-100 раз больше самого чипа).

 

Метки делятся на пассивные, полуактивные и активные. Пассивный передатчик может вещать в ВЧ- или СВЧ-диапазоне. Дальность излучения пассивного ВЧ-передатчика составляет от 1 см до 2 м, радиус действия СВЧ – чуть больше, до 8 м. Энергию пассивная RFID-метка получает от считывателя, то есть, работает как зеркало (по-своему «кривоватое», но тем и ценное). Полуактивные RFID обладают небольшим собственным аккумулятором или батарейкой, не рассчитанной на очень долгую жизнь, поэтому такой передатчик включается лишь тогда, когда получает сигнал от считывателя, в остальное же время он «дремлет». Однако, включившись, он вещает уже самостоятельно, независимо от считывателя, а потому сигнал передается лучше и может быть прочитан на большем расстоянии. Активные RFID-метки – не только самые дорогие (два доллара за штуку), но и самые агрессивные. Они могут использоваться в активной среде (например, в воде или жидком бетоне) и способны передавать сигнал на 100 м и дальше в течение более 10 лет. Также активные RFID имеют собственные сенсоры, информацию с которых они обрабатывают или накапливают. Величина таких меток сравнима с горошиной.

 

Радиочастотные передатчикиRFID-элементы разделяются также на три категории по типу памяти. Метки Read-only (RO) штампуют на заводах. Их данные нельзя перезаписать, зато можно легко прочитать. Эти чипы наиболее надежны, их трудно подделать. Стоимость каждой Read-only этикетки – примерно 5 центов. RFID класса WORM (Write once, Read many) имеют уникальный идентификатор и область памяти, предназначенной для записи. Как следует из названия, их можно один раз записать, а затем многократно считывать – получается что-то вроде CD-R. А радиометки класса RW (Read-write) можно и записывать, и считывать многократно. Стоимость таких чипов сегодня составляет от 2 до 5 долларов, но с развитием технологии они постепенно дешевеют.

 

На Западе RFID давно используются промышленно. Так, ими оснащена продукция сетей супермаркетов Wal-Mart (США), Tesco (Великобритания) и Metro AG (Германия). Начато применение этой технологии и в России – в паспортах нового образца. Заменить обычные паспорта на «радиофицированные» планируется к 2009 году. А вот в США, Великобритании и Германии RFID-паспорта выдаются уже с 2006 года. Чип дублирует напечатанную в документе информацию, а также содержит цифровую подпись владельца (не путайте с отсканированным автографом; речь идет о технологии шифрования).

 

Радиочастотные передатчикиЗащитники частной жизни паникуют из-за самого факта существования RFID. Во-первых, они сомневаются в безопасности технологии, особенно там, где дело касается вживляемых чипов. Опыты на животных показали, что имплантируемые радиочипы повышают риск образования злокачественных опухолей (производители RFID, разумеется, это отрицают, но истина, как всегда, находится где-то посередине). В любом случае, наполнение окружающей среды дополнительными излучателями, даже маломощными, считается вредным для здоровья. Во-вторых, возможно использование RFID-приборов для наблюдения за людьми, то есть, они могут стать чипами-шпионами (правозащитники опасаются, что государство и полиция начнут использовать радиометки для слежения за гражданами). Кроме того, RFID-данные легко похитить (процесс их чтения незаметен для человека), а значит, хранение любой частной информации влечет за собой риск кражи «электронной личности» – клонирование чипа VeriChip наглядно это показало.

 

Недоверие вызывает и частичная закрытость стандарта RFID (его формирование еще не завершено, но все же…), а многие производители оставляют в технологии запасной ход, воспользовавшись которым можно прочитать даже зашифрованные данные. Наконец, чипы могут многое рассказать о вещах. Если «радиофицированная» покупка оплачивается кредитной картой (как это обычно и происходит), можно определить владельца приобретенного предмета и установить бесконтактную слежку и за ним, и за вещью. А если будет доступна база покупок и соответствующих им RFID, можно отследить историю дарений и перепродаж предметов, узнав при этом многое о круге общения покупателя. А стандарт, предложенный организацией EPCGlobal, и вовсе подразумевает присвоение каждому предмету кода EPC (Electronic product code) – уникального электронного серийного номера, который будет опубликован в интернете с помощью глобальной сети EPCGlobal Network. Противники технологии считают ее избыточной и даже вредной, ведь фактически ее внедрение приведет к ликвидации понятия «частная жизнь».

 

Радиочастотные передатчикиИ, конечно, эту тему просто не могли не подхватить религиозные деятели, которые усмотрели в проекте электронной идентификации граждан не что иное, как сговор коррумпированных мировых правительств с самим Антихристом. Как нельзя кстати пришлась цитата из откровения св. Иоанна Богослова (13:16–18): «И он сделает то, что всем, малым и великим, богатым и нищим, свободным и рабам, положено будет начертание на правую руку их или на чело их, и что никому нельзя будет ни покупать, ни продавать, кроме того, кто имеет это начертание или имя зверя, или число имени его». Английское слово hand обозначает скорее ладонь, чем всю конечность. Возможно, именно поэтому метки VeriChip стали внедрять в трицепс, а не между пальцами (где их было бы гораздо удобнее использовать). Кроме того, некоторые мировые религии и секты порицают любое проникновение в человеческое тело – специально для их представителей предполагается делать носимые чипы, встраиваемые в кольца или кулоны.

 

RFID-картыКстати, вы напрасно думаете, что никогда не сталкивались с этой технологией в жизни. Во всяком случае, жители российской столицы используют ее почти ежедневно, даже не подозревая об этом: бесконтактные проездные билеты, действующие в московском метрополитене с 1998 года, и «социальные карты москвича» – не что иное как пассивные RFID-карты (смарткарты). Также к этому классу устройств относятся «умные» пропуска, выдающиеся во многих предприятиях и офисных центрах. Рынок RFID стремительно развивается. В 2004 году его оборот составил около 2 млрд. долларов, а к 2010 году эта сумма увеличится до 28 млрд. Так что Антихристу в 2010 году, похоже, вербовать будет некого – RFID-зированы будут все.

 

Сенсоры всех стран, объединяйтесь!

 

Радиометки – «первая ласточка» технологии, о которой мы рассказываем. На этом примере можно понять, что представляет собой каждый элемент беспроводной сети. Однако RFID-метка, по сути, «одиночка», и обычно ей нужен только считыватель. Существуют и другие технологии бесконтактных сенсоров, которые работают по тому же принципу – общаются один на один с родительским устройством. С точки зрения «сенсорнета» такие датчики – тупиковая ветвь развития: они похожи на компьютер, не подключенный к интернету, работающий только с одним человеком и не оснащенный сетевой картой и поддержкой сетевых протоколов.

 

СенсорнетИдея самого «сенсорнета» гораздо глубже и интереснее. Область применения беспроводных сенсорных сетей почти безгранична. Датчики могут следить за различными процессами и объектами, а также накапливать информацию. Особенно полезны они в агрессивных средах, опасных для человека. Государства собираются применять их для контроля за окружающей средой, для определения сейсмической опасности и наблюдения за военными объектами. В промышленности и в быту их можно использовать для слежения за товарами и личным имуществом. А значение сенсоров в медицине будущего просто неоценимо: они могут наблюдать за дыханием, температурой тела, кровяным давлением и т.д. В бассейнах сенсоры могут контролировать чистоту и температуру воды, а также следить за поведением пловцов, давая сигнал спасателям в случае опасности.

 

«Умные» детские кроватки способны значительно облегчить жизнь родителям, подобно подгузникам, когда-то пришедшим на смену пеленкам. Во-первых, сенсоры могут следить за дыханием и температурой тела малыша, за издаваемыми им звуками, а также за сквозняками. Во-вторых, в случае некритической тревоги (если ребенок неожиданно проснулся) приборы могут сами принять решение и отвлечь своего «подопечного» мелодией, картинкой или включением какой-либо игрушки. В случае, если это не помогает или ситуация требует вмешательства человека, электронная няня позвонит родителям. А если ситуация выйдет из-под контроля, сенсорная сеть может вызвать спасателей и сообщить им все, что узнала/почувствовала (критический уровень температуры тела ребенка, запах дыма в помещении и другие подробности).

 

Польза данной технологии очевидна и в умном доме. Предположим, ваше жилище состоит из нескольких комнат и кухни. Допустим, вы слушаете или смотрите некую передачу, но при этом вам нужно все время перемещаться. Увеличивать громкость до максимума или ставить по всем углам радиоприемники и телевизоры нецелесообразно: вы потратите слишком много энергии и создадите лишний шум. Но если за вашими перемещениями будут следить датчики в стенах, домашний компьютер сможет плавно добавлять громкость в одной комнате и убавлять ее (или совсем выключать приборы) в другой.

 

СенсорнетСенсорную сеть можно развернуть и вне дома. В сельском хозяйстве сенсоры могут следить за температурой и влажностью почвы и бить тревогу, если земля сухая или концентрация удобрений не соответствует норме. Возможно также использование сетей датчиков для слежения за пожарами. В помещениях встроенные сенсоры будут не только передавать пожарным службам сигнал тревоги, но и описывать картину пожара, температуру в разных частях помещения, а также делать анализ и определять источники возгорания. В лесу микрочипы можно разбросать с вертолета, чтобы получить исчерпывающую картину лесного пожара и разработать стратегию его тушения. Ну а в «мирное время» сенсоры будут следить за жизнью флоры и фауны леса и заблудившимися туристами. В городах беспроводные датчики, оборудованные батарейками, устанавливаются в водопроводные сети для определения давления и температуры внутри трубы, уровня вибрации и других параметров. Показания передаются приемникам, расположенным где-нибудь на поверхности, например, в фонарных столбах или цокольных этажах домов. Таким образом, всегда можно довольно точно найти проблемный отрезок трубы. На практике эта технология уже сегодня применяется в Бостоне.

 

Как мы уже говорили, элементы сенсорной сети можно внедрять практически в любую среду, например, в асфальт. Датчики внутри автомобилей смогут общаться с датчиками дороги, подсказывая машине нужное направление движения или удерживая ее на своей полосе (это позволит наконец-то реализовать функцию автопилота). Те же автомобили (или домашняя техника) с помощью встроенных сенсоров смогут проводить внутреннюю самодиагностику и предупреждать пользователя о выходе из строя того или иного элемента. В случае если владелец сочтет ремонт необходимым, эти аппараты смогут связаться по сети с производителем и заказать у него нужную деталь (привет, Веб 3.0!). И если вы думаете, что этот заказ будут обрабатывать люди, вы ошибаетесь: завод, получив заказ, сам добавит деталь в список на изготовление. «Вкалывают роботы, а не человек. Позабыты хлопоты, остановлен бег».

 

Как это работает

 

Общее представление о том, что можно сделать с помощью «сенсорнета», мы составили. Теперь постараемся понять принцип его работы. Корпорация Intel к названию технологии сенсорных сетей прибавляет латинское ad hoc, что означает «для данной цели», «по ситуации». То есть, датчики организовываются в «ad hoc»-сети для выполнения какой-либо задачи, после чего «логически распадаются» до лучших времен, превращаясь в беспорядочный набор чипов.

 

СенсорнетВычислительные возможности сети растут в зависимости от числа ее участников. Увеличивается и полоса пропускания данных (если датчики соединяются не последовательно, а каждый-с-каждым, по так называемой «ячеистой топологии»). Несмотря на малую вычислительную мощность каждого отдельного датчика (который, по сути, является маленьким компьютером), все вместе эти устройства становятся мощным вычислительным комплексом – таким же, как любая распределенная (пиринговая) сеть.

 

Однако повышение количества участников сети может стать причиной снижения ее производительности. Во-первых, в этом случае будет тратиться больше энергии для передачи данных, а во-вторых, часть информации будет теряться. Наконец, усложнится процесс маршрутизации передаваемых данных. Поэтому некоторые участники «сенсорнета» действуют как шлюзы или маршрутизаторы, которые лишь собирают информацию у своих соседей и переправляют ее дальше по цепи или передают считывателю (если он оказывается в пределах их досягаемости). Последний, в свою очередь, передает данные более мощному родительскому компьютеру. Таким образом, вся конструкция, состоящая из датчиков-микрокомпьютеров, маршрутизаторов, считывателей и большой машины, становится крайне эффективной.

 

Что же дальше?

 

Наполнение окружающей среды гетерогенными (т.е. способными работать в разных средах и взаимодействовать с различными приборами) сенсорами приведет к формированию полноценной PAN (Personal area network) – «сети персонального пространства». Это значит, что все приборы, используемые людьми, начнут прозрачно для человека взаимодействовать между собой. Сети персонального пространстваТелефон, компьютер, фотоаппарат, музыкальный проигрыватель и интернет-холодильник не придется связывать друг с другом кабелями или «знакомить» по Bluetooth – все произойдет автоматически, и приборы наконец станут самонастраиваемыми. Все девайсы из персонального пространства человека смогут самостоятельно найти общий язык со шлюзами во внешний мир, например, с модемом или иным устройством выхода в интернет.

 

Уже сегодня появляются первые образцы «умной одежды». Элементы «сенсорнета» (то есть сеть микрокомпьютеров) вшиваются в куртки и прочую верхнюю одежду, которая теперь следит за состоянием организма человека, общается с его персональными гаджетами, а также передает информацию о нем окружающим сетям. Конечно, все это пока кажется фантастикой (представляете, куртку, приходя домой, надо будет подзаряжать, как сегодня – мобильник). Но разве не то же самое происходило когда-то с интернет-холодильником, который теперь свободно продается в магазине?

 

«Первых ласточек» (то есть, первые сенсорные сети) мы увидим уже скоро, примерно в 2010 году. Однако на решение большинства проблем данной технологии и на ее усовершенствование уйдет еще лет 10-15. Основные задачи, которые предстоит решить за это время – энергосбережение и восстановление энергии датчиков «в дикой природе». Сенсорные сетиКроме того, нужно будет унифицировать механизмы и протоколы связи между ними – как радиочастотные, так и оптические. Также придется продумать методику не только разбрасывания датчиков, но и сбора их после использования – иначе планету быстро покроет слой вышедших из строя микрокомпьютеров.

 

Ну а когда основные проблемы решатся, умные сенсоры будут продаваться буквально на каждом шагу, и мы наконец узнаем о нашей планете и ее обитателях абсолютно все. И хорошо, если это все еще будем мы (то есть люди). Ведь в процессе интеллектуального роста компьютеров и развития технологий проактивного сбора данных (т.е. избыточного, используемого для прогнозирования потребностей человека или прочих ситуаций) первыми будут получать информацию машины. Поэтому очень важно не упустить момент, когда в недрах умной и чувствующей сети зародятся какие-либо самостоятельные желания.



<< Предыдущая В начало рубрики Следующая >>



Конкурсы

Реклама