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无线传感与RFID的完美结合

发布日期:2019-10-08

  国际上一些大公司正设法使整个世界,以及世界上的一切事物都变得更加智能化。

  美国一家大型政府IT承包商国际科学应用公司(Science Applications International Corp. , SAIC)正在为美国国防部和国土安全部(Defense and Homeland Security Departments)开发一种技术。这种技术利用数以百计具有计算能力的无线传感器来检查可疑行为和危险货物,并把警报发回指挥中心,以此来帮助保护美国领土、桥梁、电厂和船只等重点区域和重点设施。世界第二大独立油品公司英国石油公司(BP)用无线传感器取代了网络中粗大而又笨重的有线传感器。替换后,公司位于华盛顿的炼油厂对监控设备的每次检测成本从数千美元下降到了数百美元。

  惠普公司(HP)也正在美国田纳西州孟菲斯的一家仓库中试验无线传感器,以改进公司物流的管理办法。这个试验性无线网络由采用图像识别软件的小型影音传感器组成,并与无线射频识别技术(RFID)相结合,共同确保存货摆放在了正确位置。这些摄像机在货物通过仓库时会跟踪拍摄,并将拍得的图像与RFID标签中记载的内容匹配起来。

  无线传感器网络技术目前处于计算机网络研究领域的前沿,并有可能发展成为一个新的数十亿美元规模的高科技市场。如今,由美国军方资助的学术研究机构和一些创业公司都在分头开展这方面的研究,跨国公司和全球最大的IT供应商们也会最终将无线传感器网络列入研发计划。

  无线传感器设备,或称为微尘传感器(Mote),由以下组件构成:带有联网功能及应用软件的电路板;可检测温度、压力、湿度、光线、声音或者磁性变化的传感器界面;以及可以汇报探测情况的无线电收发装置。所有这些设备,只需要一对AA电池供电。低成本的微型芯片、低功率的无线电收发装置,加上无线联网技术,这一切使得微尘传感器完成了一次巨大的飞跃,远远超过了多年来用于测量各种事物(从建筑物温度到工厂设备振动)的传统传感器。以前的传感器需要连接到电子设备上,每个传感器成本约200~400美元,并且服务费用也很高。而每个微尘传感器,价值只有约100美元,安装成本也要低得多。随着微尘传感器元件向着计算容量更大、性能更高和费用更低的方向逐步发展,这个价格在几年内有可能跌至十美元以下。

  微尘传感器技术的一大突破在于一种特殊的网状网络(Mesh Networking)软件。在这个网络上的传感器大部分都处于睡眠状态。如果哪种设备产生了有价值的信息,那么这种器件就会被短暂唤醒,然后把该信息传达至咫尺之遥的最近设备。这里采用了一种戽链式(Bucket Brigade)电子结构,通过微尘传感器之间的相互传递来逐步移动数据,直至传递到可对这些数据进行存储分析的中央计算机,而不是采用各个传感器分别传递其信息至远程基站的方式。如果有的传感器无法传输数据,内嵌式逻辑会利用其邻近传感器的信息代替故障传感器以进行准确的数据传输。唤醒传输功能非常重要。由于所有的设备都能保存能量,这种网络在无人值守的情况下,可以在工作场所或者数据需要不断传输的场合使用很长时间。

  这种技术带来了重大变革。国际科学应用公司部门经理汤姆。塞里诺(Tom Sereno)说。在美国,只有2%的边界线安装了能够检测出非法越境车辆和人员的地面传感器。而且,这些传感器的寿命要短于尘埃网络公司(Dust Networks Inc.)的无线微尘传感器。国际科学应用公司正在为这种无线微尘传感器开发应用软件。尘埃网络公司是一家刚起步的公司,由加州大学伯克利分校最初的研究成果孵化而来,并得到了美国国防部先进技术研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency)的资助。这家公司把可检测人员、车辆、声音和运动的传感器与带有抓拍影像功能的微型摄影机的网络结合起来,帮助确保边界交叉口以及其他敏感区域的安全。国际科学应用公司正在研究可用于船只或船运集装箱的类似软件,这种软件可以通过小型远程传感器,检测出核武器在运输过程中放射出的射线,或检测出试图破坏桥梁的非法人员。虽然很多功能在现实应用中已经被实现,但这些传统的设备仍需要有人值守。塞里诺说,而我们公司的软件,目的是使大多数设备实现自动化功能。

  与传统的有线传感器相比,这种微尘传感器在成本节约上具有很大的潜力。在去年圣诞节期间,英国石油公司在美国华盛顿州的切里波因特(Cherry Point)炼油厂安装了五台无线传感器,用来检测巨型风扇中的温度。

  公司新技术集团技术主管哈利。卡萨尔(Harry Cassar)表示,使用这种传感器,每个测量点需要约1,000美元,而在一两年之内就可能降为500美元。公司在去年夏天测量油轮机舱状态的一次试验中,已达到每点测量成本500美元的目标。

  此外,英国石油公司还计划未来使用无线传感器网络来监测工业设备和船只,远程调控办公大楼的照明和热量,测试土壤中的污染物以及检测化学物质的贮存是否得当。无线微尘传感器技术,几乎在我们的各项业务中都得到了应用。卡萨尔称,我们不会仅停留在几十只或几百只的使用规模。最终,这个数字将会数以千计。

  由于传感器网络可以和RFID一起使用,以更低的成本判断和跟踪货物、设备或者危险化学品,因此,这种技术已经逐渐引起了关注。我们预计,这种IT技术将会走出数据中心,广泛地应用于众多建筑物和工厂中。惠普公司负责RFID的首席技术官(CTO)萨里尔。普拉丹(Salil Pradhan)说。他还补充说,学术界正在积极研究,努力降低RFID标签和传感器的成本和功耗,因此,多传感器融合后的市场将非常巨大。

  将RFID和微尘传感器结合起来使用的企业和组织,并不只是惠普公司一家。目前,美国航空航天局(NASA)也正准备在南加州的爱德华兹(Edwards)空军基地使用智能传感器和RFID标签共同监测危险化学品。

  迄今为止,多数试验都比较简单。但是,包括波音公司(Boeing)、雪佛龙-德士古公司(Chevron-Texaco)、霍尼韦尔公司(Honeywell)、摩托罗拉公司(Motorola)及西门子公司(Siemens)等在内的许多公司都在研究这项技术。日本科技巨头富士通公司(Fujitsu Ltd)于2004年12月宣布,公司与美国施乐公司(Xerox)下属的帕洛阿尔托(Palo Alto)研究中心签署了一份研究协议,研究如何在建筑物上安装联网的地震传感器,以及在汽车上安装避免碰撞的无线传感器等多项研究项目。印度洋海啸之后,全球领导人在印尼雅加达举行峰会,议程的首要事务就是计划在印度洋构建传感器网络,以便对海底地震做出预警。不过,在未来几年内,供应商最有可能在下述领域掘得第一桶金:无线传感器网络有可能成为一些大型公司常规维护和监控操作的经济实惠的替代方案,比如,控制大楼周边或者边界处的照明,或者提供上述地方的安全等。

  例如,英特尔公司(Intel)已经为美国俄勒冈的一家芯片制造厂安装了200台无线传感器,用来监控部分工厂设备的振动情况,并在测量结果超出规定时提供监测报告。英特尔研究中心的主管助理汉斯。穆德尔(Hans Mulder)说,这项计划目前虽然只涵盖了工厂4,000种可测部件中的少数部件,但是效果却非常显著。如今,研究人员再也不需要每隔两三个月就到每台机器处来回巡视了。

  通用电气公司(General Electric Corp.)最近对装有传感器的船运集装箱进行了一项试验,安装了传感器后,这些集装箱能够防止货物被随意翻动。另外,公司正在开发一种新产品,利用网状网络来保护公寓大楼和工业区。此外,美国最大的工程建筑公司贝克特营建集团公司(Bechtel,下称贝克特公司)可能在一两年内开始测试基于IEEE 802.15.4新标准的传感器网络,不需要程序员规定数据输送路线,微尘传感器就能自动接入到网络中。贝克特公司已在一些项目(比如伦敦地铁系统)中采用了无线传感器,并希望能进一步应用于智能建筑、国防建设和化学工厂等方面。公司基础设施建筑经理佛瑞德。威特林(Fred Wettling)表示:这些应用还仅仅是起步阶段,未来的应用预计将更加深入和广泛。

  市场研究机构美国海港研究公司(Harbor Research)认为,到2008年,全球投入使用的无线万只左右上升到一亿只,而无线传感器的全球市场规模,将从今年的一亿美元激增至2009年的十多亿美元。

  无线传感器这种技术如果要创造一个新市场,其收发的数据就必须方便地适用于各种已经被广泛使用的商用软件。这样,就需要制订更多的行业标准,使软件供应商能采用统一的方式,从含有不同制造商生产的各种智能传感器节点的网络中采集传感器数据。研究人员同时还致力于将软件植入传感器中,使其在传送数据到基站的时候,具有更强的选择能力,并能精简信息、节省更多功率。如果不是这样,大型的传感器网络很快就会因为传输大量数据而占掉带宽或耗尽电池能量,从而使自己和后台计算机的功率消耗殆尽。

  无线传感器传送的大量数据都需要分析,这又创造了一个计算机系统和软件的新兴市场,许多大型技术供应商和咨询公司已经加入到了激烈角逐中。惠普公司、国际商业机器公司(IBM)、微软公司(Microsoft)、思爱普软件系统公司(SAP)和太阳计算机系统公司(Sun)等最近都成立了研究小组或产品研发机构,来改进这些技术并使之市场化。例如,SAP公司正与英特尔公司以及一些其他企业共同合作,确保其应用程序可吸收并分析传感器数据。SAP公司和英国石油公司还共同参与了一项欧盟资助的项目,计划在今年建立智能工程。比如,存放不当就会自动发出报警信号的化学原料桶。

  科技巨头们已经把微尘传感器市场拱手让给了包括尘埃网络公司在内的一些公司。去年,尘埃网络公司从美国中央情报局(CIA)的风险资金机构In-Q-Tel公司—一家设立在麻省理工学院(MIT)的创业公司—那里获得了风险投资,如今又吸引到了以太网投资商及3Com公司创始人鲍勃。梅特卡夫(Bob Metcalfe)的投资。石弓科技公司(Crossbow Technology Inc.)一直为英国石油公司提供传感器,同时也为英特尔公司的项目提供传感器。我们没有同这些创业公司竞争。惠普公司的普拉丹说。大型IT供应商所专注的是另一块市场。他们想要为微尘传感器提供大量芯片,然后出售安装服务,但他们的主要目标,还是在于为传感器网络开发新的应用程序,并提供软件和咨询服务。目前看来传感器领域最大的问题在于,缺少能一次性编制整个传感器网络的软件工具。

  大型系统集成商和IBM公司在传感器及其安装上每挣一美元利润,就会给传感器数据管理创造出十美元利润。加州大学伯克利分校的电子工程和计算机科学教授克里斯。匹斯特(Kris Pister)这样认为。匹斯特于2002年创建了尘埃网络公司,并担任首席技术官(CTO)。IBM公司计划在下一个五年内,在传感器技术上投入2.5亿美元,并已建立了传感器和执行器(Sensors and Actuators)业务部门。IBM公司预测到2007年时,无线传感器网络的市场规模将达到60亿美元,其中大部分收入将流向软件,这些软件能帮助设备更好地进行通讯,并且使客户能更有效地利用传感器所提供的数据。

  传感器只是无线设备生态系统的一部分。微软公司的高级研究员赵峰(Feng Zhao,音译)这样认为。他去年离开施乐公司帕洛阿尔托研究中心(PARC)后,加入了微软公司。在华盛顿州雷德蒙德市微软公司分部,他负责领导一支新的传感器网络研究小组。赵峰的试验台为112号大楼的P2停车层,那里装有相当多的传感器。

  这些传感器对通过车库门口的物体大小、速度和磁性进行监测,然后对员工汽车的视频图像和磁性读取器上获取的数据进行三角测量分析。研究人员可以从远程计算机登录到相关网站,并使用标准Web编程技术查询,分析当日的交通情况。赵峰说,这还只是适用于有限环境的研究样品,我们需要了解如何去组织这些系统,开发出有意义的应用程序,并运用到现实生活中。为这些应用程序编写软件是一件非常具有挑战性的工作,这也许将是传感器成为杀手级应用的一块绊脚石。

  在没有变成杀手级应用之前,这种传感器网络技术就有点像互联网的初始阶段。帕洛阿尔托研究中心计算机科学实验室经理特里萨。兰特(Teresa Lunt)认为。帕洛阿尔托研究中心有一个研究项目叫智能事件(Smart Matter),项目的目的在于把传感器植入环境中,并且中心已经在美国国防部先进技术研究计划署的资助下做过实验,包括根据模拟军用坦克特有的声音,使用传感器网络对它进行跟踪。

  兰特认为,即使不考虑传感器元件本身的价格,无线微尘传感器网络的部署,叶檀:投资者为什么甘心被美国德国剥削,目前的价格水平对多数大型网络来说仍然遥不可及。

  但是,他们可以作为一种过渡产品,让人们去开发相关应用,并争取用更好的技术去取代他们。他们(无线微尘传感器)激发了人们的无穷想象力。兰特介绍道。

  传感器的积极支持者们预计,终有一天,微尘传感器会在高速公路上全面部署,帮助司机避免车辆相撞,桥梁上也会装上微尘传感器,监视桥梁的受压情况,另外,通过安装了摄像机的网络,还能从人群中辨别出。当然,传感器要等到大红大紫这一天,还有很长的路要走。

  用于测量从室温到厂房内机械的震动等所有事物的远程传感器,已经有数十年的开发历史。近几年来,随着政府资金的投入,研究步伐开始加快。

  政府的资助确实促进了这一技术的繁荣。加州大学柏克利分校电子工程和计算机科学教授兼尘埃网络公司首席技术官(CTO)克里斯。匹斯特(Kris Pister)说。他同时也是尘埃网络公司的创始人,在2002年创建了这家公司。传感器网络在1997年开始兴起。那时,匹斯特已经进行了数年研究,希望能将微电子机械系统技术(MEMS)、传统传感器和无线通讯结合为一体。于是,他请求美国国防部先进技术研究计划署资助他的研究项目智能尘埃。智能尘埃是一种能缩小到谷粒大小的微型传感器设备。现任英特尔公司副总裁大卫。藤农豪斯(David Tennenhouse)当时是该计划署的管理人员,他为匹斯特提供了启动资金。大卫。库勒(David Culler)编写了软件。他当时也是加州大学柏克利分校的计算机科学教授,后来供职于英特尔公司。

  在加州大学洛杉矶分校,计算机科学教授黛博拉。埃斯特林(Deborah Estrin)在2002年建立了嵌入式网络化传感中心(Embedded Networked Sensing),她获得了十年4,000万美元的国家科学基金(National Science Foundation)资助来研究无线传感器网络。计划署已经开始孵化大学中的原创性研究成果。埃斯特林说,现在,科学机构在积极推动这些孵化行为。目前研究这个领域的,还包括麻省理工学院和密歇根大学(University of Michigan)等院校。

  美国其他一些政府机构,例如能源部和交通运输部也资助了传感器网络的研究。交通运输部资助汽车制造商研究将传感器放置在轿车和卡车上,以避免相撞事故。交通运输部也在探索如何把传感器网络与路、桥和跑道结合起来,准确播报关于驾驶和飞机着陆情况的信息,这个项目被称为智能运输系统。

  去年12月,美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission)宣布,为将来的避免相撞系统预留了一个无线电频段。高速公路上的传感器可以利用这个频段,传输信号,并提醒司机道路运行情况。交通运输部正在弗吉尼亚州麦克林(McLean)的一个交叉路口进行这种测试。