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物联网的终极是什么?智能微尘可实现物理世界的谷歌搜索

发布时间:2016-07-15 10:19:18点击:

  物联网的终极,是人类将绝大多数甚至是一切物理世界的实体,进行数据化,然后采集、研究,甚至是控制。所以物联网的终极,是实现物理世界的谷歌搜索,以及基于这种模式上进行其他方向创新的模式。

 

 


  如果你上网搜一下物联网的定义,各种百科会给出物联网是互联网的延伸,可实现物体与物体之间的信息交换和通讯等答案。这样说肯定是没有错,但这属于偏技术上的一个回答,而物联网对于人类的实际意义是什么呢?

 

  物联网实际上是将物理世界进行数据化,人类可以与物理世界的那些物体进行沟通和数据采集。当然这不是说你对着石头说:“石头我叫你一声你敢答应吗?”然后石头回答一句“敢!”当然不是这个意思,而是人类可以通过第三方软件、系统、人工智能等等来获取这方面的信息,甚至是物体“主动”来提供这方面信息。

 

  所以物联网的终极,就是人类将绝大多数甚至是一切物理世界的实体,进行数据化,然后采集、研究,甚至是控制。

 

  所以物联网的终极,是实现物理世界的谷歌搜索,以及基于这种模式上进行其他方向创新的模式。

 

  而谈到这,就不得不提智能微尘,这个与物联网几乎同于上世纪末提出的概念。

 

  一粒微尘大小1立方毫米,最低1美元

 

 

  智能微尘是一种能够以无线传输方式传递信息的微型电子机械传感器。拥有电源、传感器、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件等一系列我们今天在电脑里才会看到的功能模块。那它的大小是多大呢?目前的技术,可以做到1立方毫米,也就是差不多一粒沙子的大小。而成本,目前最低可做到一个智能微尘1美元。

 


  未来的智能微尘可以在数小时内悬浮在空中,进行搜集、处理、发射信息等。它将可以用于天气监测和各种各样我们今天无法想象的工作。

 

 


  它用途很广,可探测周围诸多环境参数,从光线强度变化到振动能量大小,几乎无所不能,能够收集到大量数据进行计算处理,然后利用双向无线通信装置将这些综合信息在微尘器件间往来传送。

 

  数以百计的微型微尘还能组成智能微尘监测网络,可以自我组织、自我维持、协同工作,用以检测四周环境(如温度和湿度等)参数变量。智能微尘网络所有二级节点的数据不直接传给中央的聚合节点,而是通过点到点的方式传给一个主节点,不同智能微尘的数据通过整个智能微尘监测网络进行共享。

 

  每个智能微尘中德收发器和嵌入式系统构成了基于本地分析、分布控制的智能微尘网络。这种网络的特点是任意两个智能微尘物理上不相联,但能共享智能微尘上的数据。信息共享可导致特殊类型的智能微尘协作,这种协作可产生比单个微尘更多的信息。

 

  智能微尘有四大模块四大特点

 

  1)传感器模块:传感器作为整个智能微尘系统的核心部件,担负着收集周围环境信息并转换成电信号的重任,通常收集的信息包括光线、温度、振动、声音、湿度、气体、电磁场等。作为超小型化的产品,单个微尘通常可以只采集单种数据,而多个微尘组成传感器网络时可以协同工作,对一定范围内的环境情况进行综合检测。基于 MEMS 加工技术的传感器模块除功耗外基本能复合智能微尘系统的要求。

 

  2)微处理模块:负责整个系统的数据处理和运算的部分,包括传感器传输过来的电信号的解析、收发装臵对数据信号的发射与接收。整个模块通常以微控制器为内核,包括核心处理器、AD/DA 转换器、存储器等。目前国外研究大多采用 ARM 构架,功耗和体积比较符合智能微尘系统需求。

 

  3)通信模块:当多个微尘组成传感器网络时,节点与节点或者基站间的信息交互需要通信模块,按照传输距离的要求不同通常可分为 RFID 通信和激光通信。RFID 传输距离较短,但可实现全方位通信,不受小体积的障碍物影响,适用于大部分的短距离应用;而激光通信传输距离特别远,功耗较低,一般只用在超远距离的数据传输上,伯克利曾成功试验了传输 20km 的 laser mote。

 

  4)能源模块:对于智能微尘系统的工作时长来说,自供给系统是必须的。因此能源模块分为能源采集和能源存储两部分。采集部分通常采用太阳能薄膜电池板,存储部分采用高能量密度的锂电池或者集成度较高、可基于片上工艺的固态电池。

 

  智能微尘的尺寸通常在立方毫米量级,可单独 or 布撒工作,具备 4 个特点:

 

  1)对于周遭环境的单一或者多个的探测:通常包括声音、光线、温度、湿度、震感、电磁场、气体等。

 

  2)尺寸在立方毫米量级、功耗极低,携带方便。

 

  3)具备能源采集、自供给系统 。

 

  4)组网,可实现点对点通信,具备数据传输实时交换功能,保证实时、快速、准确的信息传递。

 

  工作原理:

 


  ①传感器模块采集周边的环境信号,并将数据传输到处理模块进行分析;

 

  ②分析过后的数据信息通过通信模块与外界进行交互;

 

  ③根据组网需求,进行系统间的通信协作。

 

  以2012 年密歇根大学的 1mm3(1.1mm×2.21mm×0.4mm)智能微尘样机为例:180nmCMOS 技术加工的太阳能电池,ARM 的 Cortex-M0 微处理器,RF 通信系统,低压 SRAM、温度和图像传感器。整个系统的功耗控制在 100uW 以下,具备实际可操作性。但因其寿命上存在缺失,产品价格非常高昂,以致于推广近乎于无,目前产业界关注的焦点也集中在MEMS以及纳米加工技术和模块间的集成设计,“体积更小、功耗更低、集成度更高”是追求的唯一。

 

  实现物理世界的谷歌搜索

 

 


  研究小组指出,智能微尘可用于监控像桥梁或摩天大楼等大型建筑物的每一个细微变化,在房屋内装配智能微尘,可反馈照明、温度、一氧化碳指数和居住占有率的情况。同时,它还可以在物理世界中运行谷歌搜索,例如:寻找钥匙时,运行程序会回答钥匙在哪里。

 

  神不神奇?

 

  它甚至还能在生物体内进行搜索。

 

  在医学植入领域,可将智能微尘放置在人体内,可以监控患者的生命体征,例如:在一项未公布的研究中,该研究小组将一个迷你微粒植入老鼠肿瘤之中,能够反馈肿瘤的生长情况。

 

  军事领域最先爆发 智能家居亦成聚点

 

  IDC 预计全球物联网市场将以 16.9%的年复合增长率扩张,预计到 2020 年市场规模有望达到 1.7 万亿美元。未来物联网领域的发展要素更多的集中在技术创新和产品的多元化。传感技术作为物联网的核心支撑技术,创新型的智能微尘的出现将拥有更广泛的产品组合,颠覆传感应用方式。据 Yole developement 预测,到 2018 年达到 215 亿美元,年复合增长率 13.4%。

 

  智能微尘作为一种全新性的产品,将对许多应用方式产生颠覆,在军事领域、智能家居、建筑物安全检测、远程医疗监控、防灾/大气检测等领域产生有别于以往的大规模应用。

 

  1)军事领域应用:作为体积在 mm3 量级、具备自供给能力的微尘系统,隐蔽性极强,同时又具备获取多种数据、静距离探测目标的能力,非常适合部署在战场上(智能微尘概念起因也是美国国防部赞助的系列传感技术的研究)。当多个智能微尘通过各种形式布撒在目标区域并组网后,将形成严密的监视网络,可探查地方的一举一动。如果配备不同传感功能的微尘还可以采集空气中的化学成分来预告生化攻击,布撒在水中则可以检测水质情况。

 

  2)灾害监控领域应用:当组网达到一定密度时,特别适合在广阔的区域布臵进行监控,比如在森林中布臵检测温度的微尘系统,能及时地记录火源位臵,有助于减少损失。同时微尘系统也适合监测大气成分,监控气体污染的情况。

 

  3)智能家居:基于微尘系统的小尺寸,当它适用于智能家居系统时,不会占用原本的空间,可有效地降低安装和维护的成本。比如布置在客厅时可检测用户位置的变化自动控制照明装置的开合,也可检测大气环境的变化,是否有害物质超标等;当布置在水阀中时便可以水质情况。

 

  4)智能电网:通过开发具备测量电流强度功能的氮化铝压电悬臂梁结构的 MEMS 电流传感器,布置在电网系统中便具备侦察电力供应状况的能力。

 

  5)健康监控及医疗应用:作为便携式的体外测量仪适用于远程监控,在用户生活的环境中布置配置不同传感内容的微尘系统,可以随时监控用户的生活,提高用户的舒适程度。比如衣服里的微尘可以检测体温的变化、手上的微尘可以监测血压的变化。未来微尘系统甚至可以植入人体,用于监测血糖含量变化等。

 

  虽然智能微尘不是新概念,但2015年却是首次进入了炒作周期曲线(Gartner技术成熟度曲线),并有可能成为新的创新触发点。

 

  目前智能微尘技术的市场渗透率尚不足 1%,只有少量实验室和 DARA 在研究。但考虑到它有可能产生的深远的技术、经济、社会与法律影响,未来发展值得关注。