智能塵埃：無線傳感網(wǎng)的微縮景觀

　　為調(diào)查Condor號宇宙飛船的失蹤，強大的“所向披靡”號宇宙飛船降落在名為Regis III的星球。船員們在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，在這個貌似沒有生命的荒涼星球上，存在著多種具有自治、自修復(fù)能力的微小機器人。與達(dá)爾文“物競天擇”的進(jìn)化論相似，機器人的進(jìn)化是靠戰(zhàn)爭完成的。戰(zhàn)爭中幸存者往往是群居的昆蟲狀納米機器人。它們平時對人無害而且行為簡單。而一旦被激怒，它們會迅速聚集成一個龐大的“昆蟲”云，通過個體間的自組織，表現(xiàn)出十分復(fù)雜的行為能力，并發(fā)射強大的電磁輻射浪涌來擊潰入侵者……

　　這個與電影《阿凡達(dá)》類似的星球之戰(zhàn)的場景，源自波蘭科幻小說大師史坦尼斯勞·萊姆1964年出版的科幻小說《所向披靡》(《The Invincible》)?！端蚺摇分杏嘘P(guān)納米機器人的感知、自治、自修復(fù)和群體內(nèi)部通信與自組織的描述，被視為對智能塵埃最早的暢想。

　　在本世紀(jì)最初的幾年中，智能塵埃曾經(jīng)是科技界時髦的話題，然而到了近幾年，智能塵埃變得銷聲匿跡。究其原因，倒不是因為研究方向出現(xiàn)問題，而是即便以今天的技術(shù)工藝水平而論，要將傳感器、模擬/數(shù)字電路、通信乃至電源全部封裝在1mm3的空間中，仍然是個艱巨的挑戰(zhàn)。

　　如今，智能塵埃早已淹沒在無線傳感網(wǎng)如雷貫耳的聲浪中，然而不可否認(rèn)的是，智能塵埃不僅是無線傳感網(wǎng)的源頭，而且，還將成為無線傳感網(wǎng)的歸宿。

　　Pister：智能塵埃的發(fā)明人

　　將萊姆的文字付諸行動的是美國加州大學(xué)伯克利分校教授Kristofer Pister。Pister本科畢業(yè)于加州大學(xué)圣地亞哥分校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)后，又在伯克利分校獲得計算機、電子學(xué)兩個碩士學(xué)位和電子學(xué)專業(yè)的博士學(xué)位。

　　跨學(xué)科而又相互關(guān)聯(lián)的知識結(jié)構(gòu)為Pister率先將MEMS(微電子機械系統(tǒng))技術(shù)應(yīng)用于智能塵埃并最終成為智能塵埃的發(fā)明人奠定了堅實的知識基礎(chǔ)。

　　1992年前后掀起了一陣智能熱：智能居室、智能建筑、智能炸彈等等，于是Pister想起了“智能塵埃”這個詞。而Pister有關(guān)智能塵埃的實質(zhì)性研究則始于1994年，與此同時，他還開展了相關(guān)硬件平臺的研發(fā)。

　　這項得到美國國防部先進(jìn)研究計劃局(DARPA)微系統(tǒng)技術(shù)辦公室MEMS計劃資助的研究，目的是通過演示來證明一個完整的傳感器和通信系統(tǒng)可以被集成到立方毫米量級的空間中。由于DARPA的資助范圍并不包括傳感器，Pister與其同事從一開始就沒有把目標(biāo)放在特殊的傳感器上，而是將研究的重點放在了系統(tǒng)的微型化、集成技術(shù)和能源管理等方面。

　　為了配合Pister的智能塵埃項目，DARPA網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)辦公室(NEST)還資助伯克利分校Jason Hill和David Culler開發(fā)超小型操作系統(tǒng)TinyOS。

　　TinyOS是一種開源的、基于構(gòu)件技術(shù)的操作系統(tǒng)平臺，該研究小組于1999年推出TinyOS的首個版本。時至今日，TinyOS依舊是無線傳感網(wǎng)在嵌入式市場中的首選。

　　近觀智能塵埃

　　Pister研究項目的最終目標(biāo)是到2010年7月，在立方毫米量級上實現(xiàn)具有自治能力的傳感器系統(tǒng)。具體而言，傳感器采用溫度傳感器或者加速度傳感器;計算單元由可定制化的混合信號CMOS ASIC(專用集成電路)實現(xiàn)，這一專用電路包括模擬I/O、DSP(數(shù)字信號處理器)、控制器等功能單元;通信部分由激光二極管構(gòu)成的激光通信發(fā)射系統(tǒng)和激光通信接收系統(tǒng)構(gòu)成;電源部分則由硅光電池、電容器和薄膜電池組成。

　　1999年7月，Pister演示了一個體積大約為100立方毫米的硬件系統(tǒng)平臺，這個系統(tǒng)有兩個芯片，其中一個是基于MEMS技術(shù)的光學(xué)發(fā)射陣列，另一片CMOS專用集成電路(ASIC)則含有光學(xué)接受器、充電泵浦和簡單的數(shù)字控制器。