智能塵埃：無(wú)線傳感網(wǎng)的微縮景觀

　　為調(diào)查Condor號(hào)宇宙飛船的失蹤，強(qiáng)大的“所向披靡”號(hào)宇宙飛船降落在名為Regis III的星球。船員們?cè)谡{(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)貌似沒(méi)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(jī)器人。與達(dá)爾文“物競(jìng)天擇”的進(jìn)化論相似，機(jī)器人的進(jìn)化是靠戰(zhàn)爭(zhēng)完成的。戰(zhàn)爭(zhēng)中幸存者往往是群居的昆蟲(chóng)狀納米機(jī)器人。它們平時(shí)對(duì)人無(wú)害而且行為簡(jiǎn)單。而一旦被激怒，它們會(huì)迅速聚集成一個(gè)龐大的“昆蟲(chóng)”云，通過(guò)個(gè)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(qiáng)大的電磁輻射浪涌來(lái)?yè)魸⑷肭终?hellip;…

　　這個(gè)與電影《阿凡達(dá)》類(lèi)似的星球之戰(zhàn)的場(chǎng)景，源自波蘭科幻小說(shuō)大師史坦尼斯勞·萊姆1964年出版的科幻小說(shuō)《所向披靡》(《The Invincible》)?！端蚺摇分杏嘘P(guān)納米機(jī)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(duì)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(shí)髦的話題，然而到了近幾年，智能塵埃變得銷(xiāo)聲匿跡。究其原因，倒不是因?yàn)檠芯糠较虺霈F(xiàn)問(wèn)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(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

　　如今，智能塵埃早已淹沒(méi)在無(wú)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(wú)線傳感網(wǎng)的源頭，而且，還將成為無(wú)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(dòng)的是美國(guó)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(zhuān)業(yè)后，又在伯克利分校獲得計(jì)算機(jī)、電子學(xué)兩個(gè)碩士學(xué)位和電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。

　　跨學(xué)科而又相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)結(jié)構(gòu)為Pister率先將MEMS(微電子機(jī)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(jiān)實(shí)的知識(shí)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(gè)詞。而Pister有關(guān)智能塵埃的實(shí)質(zhì)性研究則始于1994年，與此同時(shí)，他還開(kāi)展了相關(guān)硬件平臺(tái)的研發(fā)。

　　這項(xiàng)得到美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)微系統(tǒng)技術(shù)辦公室MEMS計(jì)劃資助的研究，目的是通過(guò)演示來(lái)證明一個(gè)完整的傳感器和通信系統(tǒng)可以被集成到立方毫米量級(jí)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(kāi)始就沒(méi)有把目標(biāo)放在特殊的傳感器上，而是將研究的重點(diǎn)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(xiàng)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(kāi)發(fā)超小型操作系統(tǒng)TinyOS。

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

　　近觀智能塵埃

　　Pister研究項(xiàng)目的最終目標(biāo)是到2010年7月，在立方毫米量級(jí)上實(shí)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(jì)算單元由可定制化的混合信號(hào)CMOS ASIC(專(zhuān)用集成電路)實(shí)現(xiàn)，這一專(zhuān)用電路包括模擬I/O、DSP(數(shù)字信號(hào)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(gè)體積大約為100立方毫米的硬件系統(tǒng)平臺(tái)，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)芯片，其中一個(gè)是基于MEMS技術(shù)的光學(xué)發(fā)射陣列，另一片CMOS專(zhuān)用集成電路(ASIC)則含有光學(xué)接受器、充電泵浦和簡(jiǎn)單的數(shù)字控制器。