智能微尘

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智能微尘(smart dust)是指具有电脑功能的一种超微型传感器,它可以探测周围诸多环境参数,能够收集大量数据,进行适当计算处理,然后利用双向无线通信装置将这些信息在相距1000英尺的微尘器件间往来传送。智能微尘的应用范围很广,除了主要应用于军事领域外,还可用于健康监控,环境监控,医疗等许多方面。但仍存在一些技术瓶颈,限制了其向市场产品的广泛转化。
中文名
智能微尘
概 念
具有电脑功能的超微型传感器
体积
5mm3及以下
构 成
传感器微处理器通信系统电源

原理 编辑

智能微尘是一个具有电脑功能的超微型传感器,它由微处理器、双向无线电接收装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将一些微尘散放在一个场地中,它们就能够相互定位,收集数据并向基站传递信息。如果一个微尘功能失常,其他微尘会对其进行修复。

微型传感器

智能微尘又称为智能尘埃,是一种以无线方式传递信息的微型传感器,体积定位在5mm3及以下。每一粒
双飞两个太原杰特曼
微尘都是由传感器微处理器、通信系统和电源四大部分组成:主被动传输装置及探测接收装置共同构成通信系统;模拟I/O、DSP、控制模块构成微处理器;电源电容、太阳能电池、薄膜电池都属于电源部分;传感器是相对独立的模块。智能微尘主要基于微机电系统(MEMS)技术和集成电路技术,具有双飞两个太原杰特曼体积微小、功耗极低等特点。一个4.8mm2智能微尘,其MEMS模块实际大小只有2.8mm×2.1mm,而利用0.25μm CMOS工艺制成的集成电路模块实际大小只有1mm×330μm,执行一条指令平均只需12pJ能耗。正是因为智能微尘体积微小功耗极低,使其在组成监测网络时具有独特的优势,如多角度多方位信息融合、低成本高冗余度、近距离接触等。

无线网络

智能微尘以自组织方式构成的无线网络,是一种不需要基础设施的自创造、自组织和自管理的网络。它们能够相互定位、收集数据并向观察者传递信息,如果一个微尘功能失常,其他微尘会对其进行修复,并不会影响观察数据的获取。智能微尘的出现和智能微尘网络的发展应用带来了一种新的信息获取和处理模式。虽然智能微尘应用前景十分美好,但仍存在着若干技术难题,还不能走向广泛应用。研究者们在将MEMS与其他电子器件集成到单一芯片的过程中遇到严峻的挑战,当前的目标是如何将5mm级的微尘缩小到1mm。双飞两个太原杰特曼
由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进,集成有传感器、计算电路、双向无线通信技术和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小,但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件,未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时,搜集、处理、发射信息。它能够仅依靠微型电池就能工作多年。

应用 编辑

军事应用

智能微尘系统也可以部署在战场上,远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动,智能微尘可以被大量 地装在宣传品,子弹或炮弹壳中,在目标地点撒落下去,形成严密的监视网络,敌国的军事力量和人员、物资的运动自然一清二楚。
美国五角大楼希望在战场上放置这种微小的无线传感器,以秘密监视敌军的行踪。美国国防部在四年双飞两个太原杰特曼以前就已经把它列为一个重点研发项目。如果像美国预想的那样,智能微尘用在战场上,美国的军事实力又将与其他国家再度拉开距离。智能微尘还可以用于防止生化攻击——智能微尘可以通过分析空气中的化学成分来预告生化攻击。此外,智能微尘还有许多具体的军事应用。

远程健康监控

通过这种无线装置,可以定期检测人体内的葡萄糖水平、脉搏或含氧饱和度,将信息反馈给本人或你的医生,用它来监控病人或老年人的生活。将来老年人或病人生活的屋里将会布满各种智能微尘监控器,如嵌在手镯内的传感器会实时发送老人或病人的血压情况,地毯下的压力传感器将显示老人的行动及体重变化,门框上的传感器了解老人在各房间之间走动的情况,衣服里的传感器送出体温的变化,甚至于抽水马桶里的传感器可以及时分析排泄物并显示出问题……这样,老人或病人即使单独一个人在家也是安全的。

医疗应用

英特尔正在研究通过检测压力来预测初期溃疡的“Smart Socks”,以及通过检测伤口化脓情况来确定有效抗生物质的“智能绷带”。如果一个胃不好的病人吞下一颗米粒大小的小金属块就可以在电脑中看到自己胃肠中病情发展的状况,对任何一个胃不好的人来说无疑都是一个福音。智能微尘将来可以植入人体内,为糖尿病患者监控血糖含量的变化。糖尿病人可能需要看着电脑屏幕上显示的血糖指数才能决定合适自己的食物。

防灾领域的应用

智能微尘可能会用于发生森林火灾时通过从直升机飞播温度传感器来了解火灾情况。作为进一步的应用,将用于通过传感器网络调查北太平洋海洋板块的美国华盛顿大学“海洋项目”及美国正在推进的行星网络项目中。

大面积,长距离无人监控

以我国西气东输及输油管道的建设为例,由于这些管道在很多地方都要穿越大片荒无人烟的无人区。这些地方的管道监控一直都是道难题,传统的人力巡查几乎是不可能的事,而现有的监控产品,往往复杂且昂贵。智能微尘的成熟产品布置在管道上将可以实时地监控管道的情况,一旦有破损或恶意破坏都能在控制中心实时了解到。如果智能微尘的技术成熟了,仅西气东输这样的一个工程就可能带来上亿元的资金节省。
电力监控方面同样如此,据了解,由于电能一旦送出就无法保存,因此,电力管理部门一般都会层层要求下级部门每月上报地区用电要求,但地区用电量的随时波动使这一数据根本无法准确,国内有些地方供电局就常常因数据误差太大而遭上级部门的罚款。但一旦用智能微尘来监控每个用电点的用电情况,这种问题就将迎刃而解。
总之,从在拥挤的闹市区可用作交通流量监测器,在家庭则可监测各种家电的用电情况以避开高峰期到感应工业设备的非正常振动来确定制造工艺缺陷,智能微尘技术潜在的应用价值非常之大。而且,微尘器件的价格将大幅下降,今天已在50到100美元之间,预计5年之内将降到1美元左右,这预示着智能微尘具有广阔的市场前景。

瓶颈及其突破 编辑

虽然智能微尘应用前景十分美好,但当前仍存在着若干技术难题,还不能走向广泛应用。研究者们在
示意图 示意图
将MEMS与其他电子器件集成到单一芯片的过程中遇到了严峻的挑战。当前研究者们的目标是如何将5mm级的微尘芯片缩小到1mm。
卡内基梅隆大学MEMS实验室的联合创始人之一Fedder试图利用最新的制造工艺与最先进的设计技术解决这些难题,但要取得突破还有大量的工作要做。而且这需要杰出的、具有超凡的攻关能力的设计工程师来把所有功能集成到单一芯片内。目前,研究者们一直在努力开发先进的设计工具以帮助工程师们最终完成这项艰巨的研究任务。
由于研究者们认识到智能微尘技术必将获得广泛应用,并对人类社会产生重大影响,辛勤工作的价值即在于此。这也是美国国防高级研究计划局于1998年便对加州大学伯克利分校该项技术的研究进行资助的原因。
如何对这些极小的微型机械进行供电是当前设计者们所面临的另一个棘手难题。当前这些系统的测试或应用都要靠微型电池供电。比较理想的情况是,未来能随意部署这些无线微尘器件,而无电能之忧。
目前,部分研究者们致力于开发所谓的低功耗专用布线协议,以便能用最少的能量实现微尘之间的信息传输。过去两年里,加州大学伯克利分校、麻省理工学院和加州大学已经开始对这样的能源供给问题展开了研究。现在还没有找到一个一揽子解决方案,但近期内无线智能微尘的供电和尺寸两个问题都可望有所突破。在尺寸方面,两年内有可能把几个功能半导体集成到一个半导体上。
至于供电问题,加州大学伯克利分校Shad Roundy研究的燃料电池可延长智能微尘器件的工作时间。该燃料电池可以吸收周围工业机械设备振动时所产生的能量,或者从低度光源收集能量,这种技术有望在5年内有所突破。
虽然智能微尘具有极广泛的应用前景,而且研究人员和商业开发者们都渴望智能微尘技术能积极推广应用,但也谨慎地指出,尺寸问题和供电问题需要尽快解决。技术还没有成熟,广泛应用估计还需要几年时间。[1]

从“智能微尘”到“智慧地球” 编辑

物联网的另一项关键技术是传感技术。早在10多年前,美国国防部DARPA就赞助了一系列传感技术研究项目,美国的一些高校和研究机构均获得了其资助。加州大学伯克利分校2001年完成研究后,首次提出了智能微尘的概念。
正如智能微尘的名称所示,智能微尘体积很小,约相当于一粒沙子或一个尘埃的一小块。但麻雀虽小,五脏俱全,智能微尘上装载了传感器、微机电处理系统及通信系统、电源等。数量众多的微尘部署到现场环境中后,形成一张无线传感网。举凡人体生命体征、能源用量、土壤温度、交通地图、生产效率等,都可以远程跟踪,实时处理并放入智能网络
近一年多以来,由于一家科技巨头的发力,物联网突然变得炙手可热起来。2008年11月,IBM公司开始推广“智慧地球”,这背后就是物联网技术。智慧地球是一个营销概念,而实质则是传感器加实时网络所塑造的物联网。
智慧地球的设想与信息高速公路的思路一脉相承。以物联网在电力系统的应用即智能电网为例,今天的“电力高速公路”堪比1996年的美国电信法案(the Telecom Act)所起到的作用。智能电网意味着电网更高效更平衡,峰值时刻的用电来源将包括从太阳能、风能等不连续的来源及非峰值时的传统电厂。电仍将由公用事业公司销售给消费者,但屋顶太阳能面板等小规模电厂可以把剩余电量卖给电厂。可重复使用的燃料电池等小规模电力储备系统将打破峰值电价和非峰值电价的分界。再加之其他对电力产能的投资,物联网在电力系统的应用将极大降低美国对进口石油的依赖。
参考资料
词条标签:
计算机学 科技