Умная пыль на сапогах

(Февраль 2003)

smartdust

Четыре года назад (в 1999) американские ученые военного исследовательского агентства DARPA выдвинули концепцию «умной пыли» (smart-dust). Суть идеи в том, чтобы разбрасывать над зоной боевых действий многие тысячи крошечных сенсоров-радиопередатчиков, которые незаметно для противника станут отслеживать все его перемещения и действия.

Предполагалось также, что простенькие по отдельности сенсоры будут самоорганизовываться в наделенную определенным интеллектом сеть, которая уже сможет сама производить фильтрацию и первичную обработку собранных данных, дабы переправлять командованию лишь существенную информацию.

В момент первой публикации идея «умной пыли» представлялась многим скорее фантастикой или, по крайней мере, делом отдаленного будущего. Однако сама концепция вызвала в компьютерном сообществе большой интерес, породила несколько нетривиальных проектов и множество открытых публикаций о невоенных приложениях технологии.

smartdust-mote

Одной из самых плодотворных разработок в этом направлении стал совместный проект Калифорнийского университета в Беркли и корпорации Intel, в рамках которого созданы умные сенсоры Motes («пылинки») с собственной операционной системой TinyOS и базой данных TinyDB (webs.cs.berkeley.edu).

Создатели сенсоров взяли за основу модель разработки продукта с открытым исходным кодом, так что ныне, по сообщению журнала «EE Times», в мире насчитывается больше сотни исследовательских групп, работающих над испытаниями разнообразных прототипов «умной пыли» такого рода.

Что представляет собой базовый прототип «пылинки», созданной в Беркли? Прежде всего, это микроплата сенсора, ориентированного на то или иное приложение, соединенная с платой контроллера беспроводной связи и вместе с ним заключенная в герметичный корпус.

smartdust-copm

Сейчас уже просматриваются технологические возможности для реализации этой конструкции в одночиповом исполнении и упаковки в корпус объемом менее кубического миллиметра. Но пока что исследователям удобнее работать с модульной архитектурой для более гибких манипуляций с отдельными компонентами — сенсорами, связью, интеллектуальной начинкой пылинок-сенсоров и пылинок-шлюзов, питанием и прочее.

Помимо поддержки экспертов из Intel, проекту оказывает финансовую помощь DARPA, а официально вся исследовательская программа имеет длинное название Network Embedded Systems Technology Program. В ее рамках по заказу университета Беркли компания Crossbow Technology изготовила для тестирования несколько сотен «умных пылинок» Mote. Вся документация является открытой, так что фирме Crossbow разрешено изготовлять эту аппаратуру для любого заказчика.

Поскольку объем памяти «пылинок» составляет лишь несколько сотен или тысяч байт, то для их совместной работы потребовалась специфическая «крошечная» ОС, или TinyOS, оперирующая файлами размером порядка 200 байт. Операционная система тоже построена по модульному принципу — для повышения надежности и для работы в условиях конкретного приложения отбирается лишь необходимый минимум компонентов.

В основу самоорганизации сети положено принятие решений на основе простых «локальных правил», приводящих к формированию иерархически структурированной архитектуры. Когда на местности развернуты тысячи сенсоров и сотни шлюзов-маршрутизаторов, то простое правило для каждого сенсора гласит: «Установить связь с ближайшим шлюзом». Соответственно, группы сенсоров формируют естественные «деревья» вокруг ближайших шлюзов.

«Крошечная» база данных, или TinyDB, тоже имеет модульную структуру. При этом, поскольку работа базы заключается в накоплении и анализе данных, а не передаче их в шлюз, связь с маршрутизатором устанавливается лишь в случае необходимости — когда готов окончательный анализ.

По сути дела, TinyDB проводит локальную внутрисетевую обработку данных, которая в значительной степени оказывается независимой от приложений, что существенно расширяет пригодность системы для самых разнообразных задач по сбору информации.

Помимо военных и полицейских приложений, самоорганизующиеся сенсорные сети могут использоваться в мирных, гражданских целях — начиная от наблюдения за окружающей средой и заканчивая присмотром за пожилыми или немощными людьми.

Фактически создается принципиально новый класс «сильно распределенных» компьютеров, которые лет через десять войдут в фазу зрелости и откроют целый ряд новых, немыслимых прежде перспектив.

По крайней мере, так полагают эксперты, работающие в этой области.

smartdust-hitach

# # #