传感器与互联网

摘要：物联网将依靠传感器作为数据输入端。多达一万亿或更多的传感节点将检测我们所处环境的很大一部分。传感网络将混合使用正式网络与临时网络体系结构。

你在哪儿？你是谁？你在做什么？假设某人或某机构——某公司或政府——知道所有这些问题的答案。这一情景究竟是噩梦，还是我们社会中的个体将要面对的必然局面？欢迎来到物联网。

物联网是各种物体（无论是复杂精密的，或是简单普通的）通过传感器、RFID标签和IP地址等标识符建立的网络式互连。例如，福特公司的Tool Link系统把传感器安放到包括福特Transit Connect在内的汽车中控制工程网版权所有，因此当司机按动按钮时，仪表板会显示车上所有工具的清单。类似的家用系统将为你显示你手提箱中所有衣物或是公文包中所有物品的清单。在电子生态系统中，真实世界与电脑互动，而传感器构成了该系统的边缘，提供的数据种类比键盘和鼠标输入的数据更丰富。目前，人们用键盘输入大部分互联网信息。但是我们处于一个拐点，更多的互联网数据不是来自键盘，而是来自传感器。

物联网的目标首先是检测和连接所有事物，其次是确保所有这些事物都有智能。请回想一下，去年10月，连接加州旧金山和奥克兰的海湾大桥有金属部件掉落到车道上，被迫关闭了几天。在由物联网塑造的世界里，上述情景可能不会出现，这是因为桥上会有数千个加速计来记录某个即将发生的故障的振动特征。像海湾大桥这种大小的桥梁也许有10000个传感器，而一座小立交桥也许有100个。

把基础设施传感器的数量与手机等个人设备中的传感器数量结合起来，就可算出在未来10年，制造商们将为每个人开发和部署大约1000个传感器。由于世界人口为数十亿，因此上述数字将变成超过1万亿个传感器。如此多的数据收集传感器意味着大量数据处理工作，而这又意味着云计算，即运用大量电脑（经常是在分布式数据中心）来无缝处理和存储大量数据。按照典型的数据速率，全天运行的100万个传感器将需要50块并行工作的硬盘，来记录这些传感器在短短6个月内生成的20PB数据。那些已经深入到云计算领域的公司正在涌入物联网领域，把它当作一个重要的新商机。IBM公司和惠普公司是两个引人注目的例子，前者启动了Smarter Planet计划，后者则是CENSE (Central Nervous System for the Earth)。

惠普公司正在运用它的MEMS专业知识（它开发这些知识是为了提供打印机墨盒用液体传感器），来创造灵敏度为目前商业产品1000倍的加速计。微型MEMS加速计是首批CENSE传感器，后续传感器将包括光线、温度、大气压、气流和湿度传感器件。

该领域出现的首批装置能检测出10飞米（10-15米）位置变化——不到人的头发宽度的10亿分之一，可测量微重力加速度范围内的加速度变化。这些能力使装置的灵敏度约为任天堂Wii游戏机、iPhone或汽车气囊系统目前所用消费级加速计的1000倍（图1）。

图1，无线传感节点，比如这个使用惠普公司数字加速计的节点，必须缩小尺寸和降低成本，才能促成包含万亿传感器的物联网。

除了总体计算网络的成本以外，传感器本身也是一笔很大的基础设施投资，特别是当它们的数量以万亿计时。惠普实验室信息与量子系统高级研究员Peter Hartwell认为：大规模传感网络在经济上可行的唯一办法就是提高生产力和效率，由此抵消网络成本。他说：“以嵌在滑雪场通行证里的芯片为例。芯片没有押金，实际上是免费的，这是因为它通过取代电梯操作工而带来的价值，所以滑雪场能够负担免费的通行证芯片。”他表示：联网式传感器带来的价值将不只是抵消其成本。

虽然大批量芯片硬件的成本的确会随时间推移而接近零，但传感节点不只是包含芯片。无线传感节点有4个普通部件：传感器及其信号调节电路、微控制器、无线电收发器、

电源。前三个部件受益于摩尔定律，在价格下降的同时，能力迅速提高。但是，电源不依赖芯片集成，因此得不到这种好处。尽管电池、超级电容、能量收集器件在过去几年已经取得显著改进，但能量存储和收集领域一般并不受益于规模经济。可用功率仍然大致相等，固定预算约为数毫瓦。但凭借上述固定功率预算，传感节点的其余部分目前能做更多事情。但是至少在近期，专用无线传感节点的价格将是难以逾越的障碍。

惠普、IBM这类大公司并非是进入物联网领域的唯一通道。例如，Pachube公司（一家以开源为基础的私营公司）允许那些拥有自动生成的传感器数据的创造者和用户把数据上传到它的网站，供Pachube社区使用。对于小公司和那些专业知识不是数据联网、处理和存储，而是产品开发的研究人员而言，Pachube公司的通用数据中介平台是一种访问物联网的方式。另外，物联网并不局限于固定的正式网络体系结构。临时传感网络也能围绕个人移动通信设备来组建。如果你有智能手机，那你就携带了多种传感器。例如，iPhone通过它的GPS、加速计、数字指南针、麦克风和照相机来传感位置、运动、方向、声音和图像，使你成为会走路的传感节点。

智能手机能与其他用户通信，发送位置和传感器信息。这些信息可以是简单的“你在哪儿？”之类的本地信息，供父母监视孩子的下落，也可以更复杂。惠普公司的Hartwell说：“当固定的正式网络能与临时网络连接时，真正的网络能力就会显现出来。例如，来自手机的速度与位置数据可以传递给智能公路传感器。”

众多的移动设备使人们得到了训练，来更好地支持传感器专用系统，我们确保自己的手机和移动设备充分充电，否则我们就不能通话或欣赏音乐和视频。无线耳机带来了又一个电源。如果你想监视某人的身体状况，那么对于传感网络的安放而言，几乎没有什么地方比你的脑袋更好了CONTROL ENGINEERING ，并且蓝牙耳机也有电池问题（你必须频繁给它充电），就在你的头上。身为消费者的我们正在促成以人为基础的传感网络需要的电源环境。

图2，这种连帽衫原型产品有内置的无线通信接口，当穿着者的Facebook网页发生变化时会提醒他们，并且使他们能迅速做出示意性的Facebook答复，而不必依靠键盘Ping是一种带有无线接口的连帽衫原型产品，当穿着者的Facebook网页发生变化时会提醒他们，并且使他们能迅速做出示意性的Facebook答复（图2和参考文献3）。避免使用键盘的Facebook用户多半不是一个大到将会为便携设备定义I/O设计的市场，但他们的确代表了一种日益增加的需要——监视某些人并对其做出反应，他们可能是“电脑I/O设备”。老年人是这种日益发展的市场例子。对那些容易摔倒的老年患者的全天护理很昂贵，并且从独立意识较强的患者角度看，这未必是他们期望的。穿上一个配备加速计的无线节点，当它感觉到主人摔跤时发送提示，这有可能成为全天个人护理的替代品。
对于某些患者而言，调节他们的环境本身也许就是其治疗的一部分。安富利公司下属的Lightspeed 部门主管Cary Eskow在2010年3月EDN召开的Designing with LED研讨会上解释说：蓝光光谱中的光线影响我们的机敏性和态度，因此在老年患者护理机构中，蓝光在白天的某些时候对于某些患者是适合的。可以不必定期用轮椅把患者送到蓝光室，由传感器驱动的照明网络能够调节房间的光线颜色，但只是当合适的患者在场时。要想出现该情景，房间必须感觉到哪些患者在场，并且根据时间来调节光线。
电子健康记录将在未来的保健及成本方面起到日益重要的作用。这些记录目前依靠人工输入，这限制了数据的准确度和数量。使用直接来自传感器的患者信息（包括身份和生命特征），将可以纠正这两个问题。但是，传感器依然必须联网来完成实时反馈。同样重要的是，基于传感器的患者监视器能帮助了解疾病。关于患者的健康史和习惯，可以不必依靠他们填写调查问卷，传感器将更准确更经常地做这件事。联网的医疗信息结合了来自数千乃至数百万个接受治疗者的结果，将指出问题并建议可能的治疗方法。
由1万亿个传感器组成的完全成熟的网络式系统大概至少