Сегодня их можно встретить в самых разных местах. Крошечные беспроводные электромеханические датчики следят за температурой, влажностью, давлением, различного рода внешними воздействиями на полях, мостах, заводах, военных кораблях, даже в кронах реликтовых деревьев
Представьте себе, что датчики, имплантированные в тело, начнут посылать сигналы хирургу-ортопеду, выправляющему ваше колено или тазобедренный сустав. По мнению экспертов, широкое распространение интеллектуальных микроконтроллеров («умных» имплантантов), построенных на основе подобных датчиков, — дело не такого уж далекого будущего.
Сети завтрашнего дня
Еще совсем недавно подобный сценарий казался невозможным в силу ограничений, присущих источникам питания и средствам программирования датчиков и сенсорных сетей. В обычном режиме датчики генерировали слишком большие потоки данных, что приводило к быстрому исчерпанию энергетических ресурсов аккумуляторов.
Однако исследования ученых, проводящих эксперименты с пьезоэлектрическими технологиями, показывают, что датчики могут получать требуемую им энергию в результате движений человека, в тело которого они имплантированы, или вследствие вибраций заводского пола. Тонкая настройка программного обеспечения позволит исключить передачу больших потоков необработанных данных и ограничиться доставкой обобщенной информации, содержащей сигналы тревоги и предупреждения. Все это приведет к существенной экономии энергопотребления.
Команда исследовательского центра PARC в Пало-Альто, возглавляемая ведущим научным сотрудником Фенгом Жоа, разрабатывает сегодня энергосберегающие алгоритмы «информационных запросов к датчикам», регламентирующие сбор и передачу данных в зависимости от их полезности.
«Все происходит примерно так же, как если бы поток информации контролировался человеком, — поясняет Жоа. — Ведь человек не в состоянии следить сразу за всеми происходящими событиями. Поэтому мы создаем механизмы распределенного контроля за сенсорными сетями. Появляется возможность смещать акценты и фокусировать внимание на новых факторах, вызывающих наибольший интерес».
Результатом совместного проекта корпорации Intel и Университета Беркли стало появление TinyOS — операционной системы с открытым кодом, которая помимо всего прочего позволяет датчикам и сенсорным сетям генерировать потоки обобщенной информации в соответствии с различными схемами классификации данных.
«TinyOS превращает датчики в программируемые маршрутизаторы, — говорит профессор информатики Университета Беркли Дэвид Каллер. — Можно отдельно запрограммировать реакцию на события, регистрируемые в непосредственной близи от датчика, и на события, происходящие в сети в целом».
Информация, получаемая в режиме реального времени, помещается затем в хранилище TinyDB, то есть происходит, как шутит Каллер, как бы преобразование физического мира в базу данных. «Но при этом для пользователя он все равно остается физическим миром, — подчеркивает он. — Иными словами: не нужно генерировать SQL-запросы, можно просто обращаться к потокам данных, поступающим непосредственно из реального мира».
Одной из первоочередных сфер применения систем на основе TinyOS Каллер видит энергетику. «Довольно большой процент оборудования энергетической отрасли в той или иной степени изношен, и возможность постоянного наблюдения за его состоянием сулит немалые преимущества», — считает он.
В Беркли полагают, что руководителям корпоративных информационных служб уже пора понять, что на их глазах рождается совершенно новый класс компьютерных систем. Пройдет еще пять лет, и большую часть устройств, используемых в корпоративных информационных системах, будут составлять именно датчики, подключенные к сенсорным сетям. Конечно, это означает, что к пропускной способности сетей, параметрам хранилищ данных и средствам управления информацией станут предъявляться совершенно другие требования, нежели сегодня.
Например, на типичном заводе по производству электронной продукции сегодня установлено около 5 тыс. датчиков. «Сейчас эти датчики обходят электрики, собирающие выдаваемую ими информацию, — отметил Каллер. — Но уже очень скоро потоки данных с контрольных устройств начнут поступать в режиме реального времени в корпоративные центры обработки данных. Информационным службам придется иметь дело с принципиально иными технологиями. Контроль за нужными элементами можно будет организовать ранее недоступным способом, обеспечивающим возможность постоянного слежения за взаимодействием различных компонентов».
Управляя и объединяя
Через некоторое время сенсорные сети можно будет не только использовать как разделяемые ресурсы, но также опрашивать и программировать через Internet. Этому должно способствовать появление новых стандартов, разрабатываемых в Open GIS Consortium — международной организации, которая ставит цель «предоставить возможность контроля всех типов датчиков, инструментов и устройств отображения при помощи Web-средств».
«Уже в настоящее время разработчики создают для вертикальных рынков такие системы на основе сенсорных сетей, в которых возможно взаимодействие датчиков друг с другом с использованием специальных языковых средств. Однако пока подобные системы не являются интероперабельными и потому могут использоваться только теми заказчиками, для которых они разработаны», — пояснил Майкл Боттс, профессор университета штата Алабама и один из разработчиков языка SML (Sensor Model Language). Этот язык представляет собой стандартную XML-схему, в которой датчики и генерируемые ими потоки информации описываются с помощью метаданных. «Будущее мы связываем с самоуправляемыми сенсорными сетями, которые будут функционировать и поддерживать взаимодействие с другими системами в соответствии с определенными для них спецификациями», — отметил Боттс.
От Open GIS ждут таких спецификаций, которые позволят без особых усилий начать использование SML-интерфейсов (после того, как они будут стандартизованы) с существующим аппаратным и программным обеспечением.
В конечном итоге, по мнению представителей консорциума, пользователи начнут объединять сенсорные сети различного назначения, что обеспечит возможность формирования более целостных информационных инфраструктур на их основе. К примеру, экологи могли бы устанавливать датчики вблизи сточных вод химических предприятий. Получая данные от этих сенсоров, а также от гидрометеорологических сенсорных сетей (в частности, информацию о силе и направлении ветра), им было бы легче анализировать возможное распространение вредных паров, исходящих от этих стоков.
У производственных компаний появится возможность оперативно оценивать и планировать потребности в материальных ресурсах с учетом сведений из цехов и данных с датчиков, которые устанавливаются на контейнерах во время перевозки грузов. Таким образом можно будет поддерживать непрерывность производственного процесса при минимальных складских запасах.
«Стандарты выведут нас на недостижимый доселе уровень интероперабельности, — отметил Рид. — Важность роли корпоративных ИТ-систем определяется выводами, которые извлекает руководство предприятий из получаемой информации. За счет внедрения новых технологий и синтеза решений на их основе существенно расширятся возможности для анализа данных. Кроме того, в целом еще и снизится стоимость обеспечения доступа к информации».