Het draadloze sensornet casten

Ik wist dit niet eerder, maar planten hebben seks, zegt Kevin Delin. Hij gebaart naar twee enorme cycaden, palmachtige voortvluchtigen uit het dinosaurustijdperk die groeien in een hoek van de Huntington Botanical Gardens, een toevluchtsoord voor 15.000 zeldzame plantensoorten in San Marino, CA. Delins onwetendheid over botanie is te verontschuldigen. Hij is een ingenieur van het nabijgelegen Jet Propulsion Laboratory van NASA, en wat hem echt interesseert, zijn niet de mannelijke en vrouwelijke cycaden, maar het paar sensorwebpods die in de grond onder de planten zitten. Elke pod heeft de grootte van een draagbare computer en bevat een processor, batterij, zonnecel, radio, geheugen en sensoren om warmte, vochtigheid en bodemvocht te bewaken. De peulen zijn de surrogaatogen, oren en zelfs hersenen van de curatoren van de tuin, die bijhouden hoeveel zonlicht en regen de planten krijgen - kritische factoren voor palmvarens, die specifieke omstandigheden nodig hebben om zich voort te planten.

Sensoren zijn niets nieuws. Een auto gebruikt er bijvoorbeeld tientallen om factoren als motorcondities te monitoren. Maar de sensoren in de auto's, fabrieken en kantoorgebouwen van tegenwoordig zijn voor het grootste deel dom. Ze missen de intelligentie om hun bevindingen te analyseren of ernaar te handelen; in plaats daarvan sturen ze metingen terug naar een centrale processor. De meeste huidige sensoren zitten ook vast, waarbij elke beweging dure herbedrading vereist. De pods van Delin zijn anders. Ze praten draadloos met elkaar en met 18 andere pods in de tuin en vormen zo hun eigen intelligente netwerk. Om de paar minuten updaten de pods elkaar over hun laatste metingen, verwerken ze samen de informatie tot een totaalbeeld van temperatuur en bodemgesteldheid, en sturen deze analyse naar de curatoren. Het is alsof een autonome, zeer bewuste computer zich over 40 hectare landschap verspreidt.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2003

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Het draait allemaal om het 'on the fly' synthetiseren van wereldwijde kennis uit ruwe data, zegt Delin. Zijn pods voorspelden een toekomst waarin slimme sensoren enorme hoeveelheden vitale gegevens opzuigen, bijvoorbeeld mechanische spanningen op de balken van een brug of het gerommel van een vijandelijk konvooi op een maanloze woestijnnacht, die momenteel niet worden opgenomen. Draadloze en batterijgevoede sensoren zullen op afstand worden benaderd en worden geplaatst waar het onpraktisch zou zijn om gegevens en hoogspanningsleidingen aan te sluiten. Ze zijn klein en goedkoop, ze zullen royaal worden verspreid en dicht bij elkaar liggen, wat fijnkorrelige beelden oplevert van fenomenen zoals het klimaat die momenteel alleen op grote schaal in kaart worden gebracht. En omdat ze coöperatief zullen handelen - zichzelf organiseren en berekeningen over de mesh delen - zullen ze mensen bruikbare brokken voorverwerkte informatie bieden in plaats van een verwarrende was van getallen.

Draadloze sensornetwerken zijn inderdaad een van de eerste praktijkvoorbeelden van doordringend computergebruik, het idee dat kleine, slimme en goedkope detectie- en computerapparatuur uiteindelijk de omgeving zal doordringen. Dat idee sijpelt al meer dan tien jaar door in kringen van informatietechnologie. Maar nu, na enkele jaren van onderzoeksinvesteringen door het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency, de National Science Foundation en een handvol hightechgiganten zoals Intel, komen de hardware en software die fundamenteel zijn voor doordringend computergebruik in opkomst.

Hoewel de technologie nog in de kinderschoenen staat, is het scala aan mogelijke toepassingen verbijsterend ( zien Het potentieel voelen ). Wetenschappers van Intel en de University of California, Berkeley, hebben een draadloos chassis ter grootte van een pager ontwikkeld dat kan worden aangepast met allerlei soorten sensoren. De onderzoekers gebruiken de apparaten om microklimaten en plagen in wijngaarden te volgen, de nestgewoonten van zeldzame zeevogels te volgen en verwarmings- en ventilatiesystemen te regelen. En 600 kilometer verderop aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, zetten andere onderzoekers draadloze sensoren in om gedetailleerde metingen te doen van de effecten van seismische golven op gebouwen. Weer anderen werken aan manieren om bedrijven hun werkruimten te laten bewaken en controleren, van lokale kantoren tot assemblagelijnen een half continent verderop. De toepassingen zijn: overal , zegt David Culler, een vooraanstaand onderzoeker op het gebied van netwerkdetectie bij UC Berkeley.

In de gedachten van velen is het een technologie die net zo belangrijk zou kunnen zijn als internet: want net zoals internet computers in staat stelt om digitale informatie af te tappen, ongeacht waar deze is opgeslagen, zullen sensornetwerken het vermogen van mensen om op afstand te communiceren met de fysieke wereld vergroten. Culler noemt de apparaten een nieuwe klasse computersystemen, die zich onderscheiden van de hardware uit het verleden door hun alomtegenwoordigheid en hun collectieve analytische vaardigheid. Hij voorspelt dat binnen dit decennium gedistribueerde detectie en computers in elk huis, gebouw, kantoor, fabriek, auto, straat en boerderij zullen binnensluipen.

Het is niet verrassend dat er genoeg uitdagingen zijn voordat dat gebeurt. In veel opzichten zijn draadloze sensorwebs net zo ver als internet in de jaren zeventig, toen het netwerk minder dan 200 universiteiten en militaire laboratoria met elkaar verbond, en onderzoekers nog aan het experimenteren waren met communicatieprotocollen en adresschema's. Tegenwoordig verbinden de meeste draadloze sensornetwerken minder dan 100 punten of knooppunten; meer en de communicatielijnen raken zo verward dat ze kapot gaan. De kosten van het gemiddelde knooppunt bedragen bijna $ 100, terwijl de levensduur van de batterij wordt gemeten in, op zijn best, maanden. En niemand weet precies welke toepassing de technologie tot een commercieel succes zal maken. Iedereen en hun oom en tante zijn geïnteresseerd, zegt Deborah Estrin, directeur van UCLA's Center for Embedded Networked Sensing. Maar het is een strijd om het businessmodel te vinden.

Onderzoekers zeggen dat geen van deze problemen waarschijnlijk onbetaalbaar zal zijn. Sommige draadloze sensoren zijn al op de markt en producten met intrigerende nieuwe mogelijkheden zouden binnen een paar jaar beschikbaar kunnen zijn. Sensoria in San Diego ontwikkelt bijvoorbeeld sensoren die auto's kunnen veranderen in reizende knooppunten in stedelijke draadloze netwerken, waardoor groepen voertuigen automatisch realtime beelden van lokaal verkeer kunnen samenstellen of communicatietaken kunnen delen bij toegang tot informatie over lokale bestemmingen. William Kaiser, een elektrotechnisch ingenieur aan de UCLA en oprichter van Sensoria, stelt dat het internet de manier waarop we zaken doen met computers heeft veranderd. Dit zal de manier waarop we ons dagelijks leven leiden veranderen.

Ontkabelingsindustrie

Terug in de Huntington-tuinen gaat Delin een vergaderruimte binnen met een aluminium koffertje, het soort dat overheidsagenten op tv gebruiken om uiterst geheime gadgets te dragen. Hij haalt vier van zijn nieuwste sensorpods tevoorschijn en wrikt het deksel van één; daaronder bevinden zich printplaten die de ingewanden van de pod vasthouden, inclusief de microprocessor en de radiozendontvanger waarmee hij kan communiceren met zijn metgezellen. Hij verspreidt de pods door de kamer en binnen enkele seconden lokaliseren ze elkaar en organiseren ze zichzelf in een draadloos netwerk dat onder meer temperatuur en vochtigheid bewaakt. Een nabijgelegen pod, hoewel elk van hen informatie van het netwerk zou doorsturen naar Delins laptop voor weergave. Om te laten zien hoe het netwerk op zijn omgeving reageert, koppelt Delin een van de apparaten los. Het laptopscherm toont de resterende pods die compenseren door gegevens rond de ontbrekende pod te routeren. Hij bevestigt een elektrische ventilator aan een pod en houdt dan een andere pod in zijn hand; het netwerk detecteert Delins lichaamswarmte en schakelt de ventilator in.

Het vermogen van de pods om via de radio te communiceren, legt Delin uit, betekent dat ze kunnen worden verspreid in gebieden die telefoon- en hoogspanningslijnen niet kunnen bereiken en naar believen kunnen worden verplaatst. Maar om data te laten stromen, moeten nodes hun buren automatisch vinden en radioverbindingen opzetten. Die verbindingen kunnen snel veranderen, zegt Delin, dus het delen van data via het netwerk is jongleren. Software die op alle pods draait, coördineert welke van hen met elkaar praten en wanneer. De sensorknooppunten luisteren naar elkaar en stellen tijden in om gegevens te delen, terwijl een netwerkklok de knooppunten gesynchroniseerd houdt. Het netwerk lijkt meer op een mesh dan op de hub-and-spoke-opstelling die wordt gebruikt voor mobiele telefoons; in plaats van elke sensor rechtstreeks te koppelen aan een centraal communicatiepunt, sturen de nodes alleen gegevens naar buren binnen het radiobereik, waardoor energie wordt bespaard.

Het klinkt ingewikkeld, en dat is het ook. Maar gedecentraliseerde draadloze netwerken zoals die van Delin zijn al kosteneffectief voor de zware industrie: Ember in Boston, MA, heeft vergelijkbare technologie verkocht aan klanten die gefrustreerd zijn door de conventionele bedrade sensoren in hun productie- of verwarmings- en ventilatieapparatuur. Een klant bekleedde vroeger de leidingen van zijn zuiveringsinstallatie - waar olie en gas worden gescheiden van afvalwater - met dure bedrade temperatuursensoren, bevestigd aan verwarmingstoestellen die ervoor zorgen dat de vloeistof binnenin niet te dik wordt. Als een sensor niet goed functioneert, kan een tank barsten, waardoor de fabriek moet sluiten voor een kostprijs van 100.000 dollar per uur, zegt Robert Poor, medeoprichter en chief technology officer van Ember. Met een draadloos netwerk kunnen meer sensoren worden geïnstalleerd tegen een betaalbare prijs, wat redundantie biedt en betrouwbaardere informatie oplevert. Silicium is goedkoop. Bedrading is dat niet, zegt Poor. (Voor meer van Poor's gedachten over de technologie, zie Sensors of the World, Unite!).

Een aantal resterende problemen staat echter een brede commerciële toepassing van de technologie in de weg. De eerste is het hoge stroomverbruik. Vooral het periodieke heen en weer praten tussen de knooppunten is een aanslag op de batterijen. Elke verzonden bit brengt een sensorknooppunt een moment dichter bij de dood, zegt Greg Pottie, een medeoprichter van Sensoria.

Een gerelateerd probleem is dat de radio's van sensornodes een beperkt bereik hebben, meestal in de tientallen meters. Dus netwerken met een grotere ruimte, bijvoorbeeld een grote fabriek, vereist veel knooppunten. Talloze knooppunten die veel gegevens verzenden, creëren kansen voor gelokaliseerde storingen waardoor delen van het netwerk geïsoleerd kunnen raken, zegt Rick Kriss, CEO van Xsilogy uit San Diego. Een betrouwbaar netwerk bestaat niet, tenzij je zeer agressief netwerkbeheer uitvoert, zegt Kriss. Dus de nodes van Xsilogy zenden periodiek hun status uit en laten het netwerk weten of hun batterijen bijna leeg zijn of hun ontvangst verslechtert. Dan kan het netwerk dit compenseren door om de storingspunten heen te routeren en de gebruiker te waarschuwen voor dreigende problemen.

Maar er is nog een ander probleem dat moeilijker te omzeilen is, en dat is de prijs. In een proces dat precies het tegenovergestelde is van massaproductie, knutselen de meeste makers van sensornetten nog steeds kant-en-klare onderdelen met de hand in elkaar, waardoor de kosten van elk knooppunt in het bereik van $ 80 tot $ 100 stijgen. Die prijs moet onder de $ 20 komen om sensornetten commercieel van de grond te krijgen, zegt David Tennenhouse, onderzoeksdirecteur bij Intel.

Standaardisatie zou kunnen helpen. Het hebben van open standaarden en veel ongeïnteresseerde groepen die concurrerende benaderingen testen, zal absoluut maken of breken of dit op grote schaal wordt gebruikt, zegt Culler van UC Berkeley. Maar met zoveel bedrijven en universitaire laboratoria die hun eigen prototypes ontwikkelen, beginnen ontwerpnormen voor draadloze sensoren en netwerkprotocollen pas te ontstaan. Een potentieel dominant ontwerp wordt een splinter genoemd; het besturingssysteem, TinyOS, is ontwikkeld door Culler's groep in Berkeley en ondergaat verdere verfijningen bij Intel en Crossbow Technology in San Jose, CA. De Berkeley-motes, die door honderden onderzoeksgroepen over de hele wereld zijn getest, zijn kleiner en verbruiken minder stroom dan de meeste commerciële draadloze sensoren. De wisselwerking is dat ze niet zoveel gegevens kunnen verwerken. Maar veel onderzoekers zeggen dat hun aanpassingsvermogen - het is gemakkelijk om sensoren voor licht, geluid, temperatuur of beweging vast te klikken - hen tot het equivalent van een Windows-pc met netwerksensoren maakt.

In feite kan de uiteindelijke keuze voor een draadloos sensorplatform net zo ingrijpend zijn als de opkomst van Windows als het dominante besturingssysteem voor consumenten, of zelfs, in de ogen van een expert, als de standaardisatie van elektriciteit. Het lijkt een beetje op de historische strijd tussen AC en DC, zegt Larry Smarr, directeur van het California Institute for Telecommunications and Information Technology in San Diego. Totdat er een alomtegenwoordige winnaar was, kon de elektrische apparatenindustrie niet van de grond komen.

Verdeel en heers

Alsof ze klaar zijn om zelf op te stijgen, klampen 50-tal vlinders zich vast aan het plafond en de muren van het laboratorium van Deborah Estrin aan de UCLA, die temperatuur, licht en beweging bewaken. Anderen liggen gedemonteerd op desktops en banken. Een paar van de stofjes hebben zelfs wielen; ze rollen over de vloer onder hun eigen voortstuwing en oefenen een dag waarop ze zich verplaatsen om de beste radio-ontvangst te vinden of een batterij opladen aan een falende buurman. Hier is een foto van de connectiviteit, zegt Estrin, terwijl hij een vel papier omhooghoudt met een onbegrijpelijke wirwar van lijnen erop. Het ziet eruit als een bord spaghetti: het aantal communicatiepaden explodeert naarmate er meer knooppunten worden toegevoegd, waardoor het netwerk steeds crashgevoeliger wordt.

De oplossing die wordt getest in het lab van Estrin: verdeel en heers. Zie het als het organiseren van een groot etentje, zegt ze. Betekenisvolle gesprekken kunnen alleen plaatsvinden als mensen om de beurt spreken en luisteren. En communicatie op hoog niveau is het meest efficiënt als mensen zichzelf in clusters organiseren en een persoon kiezen om voor elke cluster te spreken. Daarom clusteren de knooppunten zichzelf en passen ze zich direct aan, waarbij ze opportunistisch van cluster veranderen om zowel het stroomverbruik als de informatiestroom door het netwerk te optimaliseren.

De volgende uitdaging is simpelweg hoe de stroom aan gegevens te kanaliseren. Het idee is om verwerking in elk knooppunt te stoppen, zodat het onbewerkte gegevens in patronen kan condenseren en minder bits kan doorgeven dan het heeft ontvangen. De stofjes boven Estrins hoofd zouden bijvoorbeeld haar bewegingen kunnen volgen en hun buren kunnen waarschuwen, die erachter komen in welke richting ze loopt en alleen die informatie - niet het hele record van haar bewegingen - naar een database op een moederknooppunt verzenden. Dit knooppunt kan aanbevelen dat de lichten worden uitgeschakeld, bijvoorbeeld als het besluit dat Estrin de kamer heeft verlaten en er geen andere mensen aanwezig zijn. Gegevens beetje bij beetje in het hele netwerk verwerken, zegt Estrin, is een eerste stap in de richting van het programmeren van het systeem om intelligente beslissingen te helpen nemen. Het bespaart ook kostbare batterijstroom.

Om echt nuttig te zijn, zou een sensornetwerk gebruikers alleen de analyses van interessante gebeurtenissen moeten sturen, niet de onbewerkte stukjes zelf. Mensen willen antwoorden, geen cijfers, zegt Steven Glaser, een professor in civiele en milieutechniek aan UC Berkeley wiens groep sensornetten gebruikt om seismische activiteit te bestuderen.

Een van de antwoorden die ingenieurs en seismologen zoals Glaser willen: hoe beïnvloeden aardbevingen individuele componenten van gebouwen en hoe reageren constructies op plaatselijke variaties in de sterkte van een aardbeving? Een UCLA-team onder leiding van Paul Davis, een geofysicus en hoofdonderzoeker in het centrum van Estrin, implementeert een reeks seismische sensoren met 50 knooppunten over de campus in een poging een deel van het antwoord te achterhalen. De eerste stap is gewoon om de gegevens te verzamelen, die vanaf de grond zijn vastgelegd met intervallen van 100 meter - een veel hogere resolutie dan die van de huidige seismische sensoren, die kilometers van elkaar verwijderd zijn, zegt Davis. De onderzoekers zullen vervolgens vergelijken hoe de grond schudt met trillingen die tegelijkertijd worden gemeten in een campusgebouw dat is bedraad door de U.S. Geological Survey na de aardbeving in Northridge, CA, in 1994.

Seismische detectie

Onderzoekers van de UCLA zetten een sensornetwerk met 50 knooppunten in om seismische activiteit op een fijnere schaal dan ooit tevoren te monitoren. Op deze kaart van de UCLA-campus zijn de locaties van de grondtrillingssensoren (sterren) op 100 meter van elkaar geplaatst.

Het doel is om een ​​model te ontwikkelen van hoe fijnschalige seismische activiteit verschillende structuren beïnvloedt. Een dergelijk model, geprogrammeerd in draagbare sensornetten die tijdelijk in stadswijken zouden kunnen worden ingezet, zou stadsplanners kunnen helpen te leren waar geologische omstandigheden de neiging hebben om aardbevingen te vergroten en hoe gebouwen in die gebieden veiliger kunnen worden gemaakt. In de toekomst zouden sensoren die in de buurt van breuklijnen zijn geplaatst zelfs naderende seismische golven kunnen detecteren en alarmen kunnen activeren, waardoor gebruikers van gebouwen kostbare seconden krijgen om naar veiligere gebieden te gaan. Maar, zegt Davis, dat zijn blauwe luchten.

Google voor de fysieke wereld

Slim, autonoom en zelfbewust: dat is de ultieme visie voor sensornetten. In veel opzichten is het blauwe lucht. Maar twee industriële projecten bieden een glimp van een genetwerkte toekomst.

Het gevaar bestaat dat toegang tot de gegevens die door sensornetwerken worden verzameld, hetzelfde is als drinken uit een brandslang, alleen erger, zegt Feng Zhao, manager van het onderzoeksgebied Embedded Collaborative Computing van het Palo Alto Research Center in Californië. Met andere woorden, overspoeld worden met te veel gegevens kan net zo verlammend zijn als niet genoeg hebben. Het is een dilemma waar iedereen die het web gebruikt zich terdege van bewust is. En, zegt Zhao, de oplossing voor sensornetwerken kan vergelijkbaar zijn. In een poging om gebruiksvriendelijke interfaces voor sensornetwerken te bouwen, experimenteert de groep van Zhao met een nieuw soort zoekmachine die hij beschrijft als Google voor de fysieke wereld.

Stel je voor, legt Zhao uit, terwijl je inlogt op internet en typt: heeft mijn gazon meer water nodig? Het netwerk zou de vraag vertalen in een gestandaardiseerde databasequery, cijfers van vochtsensoren in uw huis onderzoeken en een vraag met ja of nee terugsturen. Soortgelijke systemen voor supply chain management en beveiliging zouden over vijf tot zeven jaar beschikbaar kunnen zijn, zegt Zhao. In magazijnen konden managers op planken gemonteerde sensoren vragen naar voorraadtrends, terwijl bewakers in beveiligde faciliteiten slimme netwerken van bewegingssensoren zouden kunnen programmeren om alarm te slaan wanneer ze verdachte bewegingspatronen opmerken.

Uiteindelijk kunnen sensornetten zelfs levend lijken. Op een Amerikaanse legerbasis in Fort Leonard Wood, MO, demonstreerden Sensoria-ingenieurs in april een verontrustend zelfbewust systeem dat zichzelf fysiek herschikt als reactie op veranderende omstandigheden. Terwijl 80 toeschouwers toekeken, denderde een M1-A1 Abrams-gevechtstank over een veld met een ploeg aan de voorkant, een pad banend door een struikgewas van ongewapende mijnen met een diameter van 12 centimeter. Nadat de tank een stuk of zes mijnen had verpletterd en zijn weg vervolgde, herverdeelden de resterende mijnen zich om het gat achter de tank door de lucht te vullen met knallen van vuurwerk afkomstig van kleine raketboosters.

De mijnen hebben deze prestatie geleverd door akoestische pulsen uit te zenden en te luisteren die hen hielpen hun buren tot op enkele centimeters te lokaliseren, zegt Kaiser. Een storing in het netwerk zet de mijnen aan om erachter te komen welke buren zijn verplaatst of vernietigd en te berekenen hoe ze zich kunnen herverdelen. Op een echt slagveld kunnen zulke slimme mijnen vijandige mijnopruimingspogingen verslaan, of zelfs uit de weg gaan voor bevriende troepen en vervolgens de verdediging achter hen herstellen.

Ondanks zulke dramatische demonstraties van de kracht van draadloze sensornetten, is het moeilijk te voorspellen of defensie, productie of een nog onbekend veld gastheer zal zijn voor hun geweldige app. Het is net als pc's in het begin van de jaren tachtig. Mensen dachten dat ze vooral zouden worden gebruikt om chequeboekjes te balanceren, zegt Delin. Wat betreft de commerciële markt op korte termijn, het zal een tijdje een heerlijk rommelige omgeving zijn, met veel kansen voor nieuwkomers, voorspelt Ember's Poor. Dat komt omdat de potentiële toepassingen overal om ons heen zijn - overal kan nuttige informatie uit onze omgeving worden gehaald. Wanneer het onderzoek van vandaag wordt vertaald in goedkope, crashbestendige producten, kan dit niets minder betekenen dan een fusie tussen de virtuele wereld en de fysieke wereld. Het gaat gebeuren, zegt Zhao. De vraag is: hoe snel?

zich verstoppen