“大規(guī)模”成傳感網(wǎng)應(yīng)用壁壘

我們曾經(jīng)設(shè)想的傳感網(wǎng)，都是有成千上萬個節(jié)點，傳感網(wǎng)存在的意義也是大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集。而殘酷的事實是，目前的傳感網(wǎng)且不論真實系統(tǒng)，連演示系統(tǒng)都停留在“百”這個量級上; 網(wǎng)絡(luò)存活的時間更是短得看不到優(yōu)勢。大規(guī)模長期部署的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)到底面臨什么挑戰(zhàn)?

1998年，當時我參加工作時間還不長，被作為臨時翻譯派到紐約，坐在賣煙草晉身的IBM總裁郭士納一尺遠的地方聽他說理想中的E-service概念。那時我還不知道后來異常有名的“智慧塵埃”概念已經(jīng)公之于眾了，郭士納先生也未必知道自己后來將因為所謂的15年周期定律被我們頻頻說起。大家抽空用中文悄悄交換著剛聽到的傳奇般的雅虎和免費的E-mail空間，真正在聽郭士納滔滔不絕講解的，其實只有我這個翻譯。

在我第一次走進五星級飯店洗手間的時候，知道了傳感器原來離我這么近。其實傳感器的開發(fā)和使用有很多年了，但是給傳感器附加通信功能，組成自組織、自我協(xié)同的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是近十年才取得的巨大進步。在“智慧塵埃”之后，無線傳感網(wǎng)的概念迅速拓展到民用當中。在一個無線傳感網(wǎng)中，大量的傳感器等微型化計算設(shè)備通過無線多跳網(wǎng)絡(luò)自組織連接在一起，完成持續(xù)環(huán)境監(jiān)控和大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，填補計算世界里數(shù)據(jù)來源這個木桶短邊。

傳感網(wǎng)怎么了?

世界范圍內(nèi)，無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用很廣泛，加州大學伯克利分校的大鴨島動物監(jiān)測與紅木監(jiān)測、哈佛的火山遙感、麻省理工的河流監(jiān)控，都進一步推動了自組織傳感網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱潮。國內(nèi)外研究取得了顯著進展，無線傳感網(wǎng)應(yīng)用延伸至眾多領(lǐng)域，包括軍事、工業(yè)控制、環(huán)境觀測、生態(tài)安全、數(shù)字生活、交通監(jiān)控。但是，綜觀國際上比較有代表性的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)(見附表)，不難看出，當前實際系統(tǒng)可達的規(guī)模和運轉(zhuǎn)壽命，與當初無線傳感網(wǎng)被提出時的目標相去甚遠。我們曾經(jīng)設(shè)想的傳感網(wǎng)，都是成千上萬的節(jié)點，不論是面向路由的還是邊界檢測的，存在的意義都是龐大規(guī)模下的系統(tǒng); 而殘酷的事實是，目前的傳感網(wǎng)且不論真實系統(tǒng)，連演示系統(tǒng)都停留在“百”這個量級上; 網(wǎng)絡(luò)存活的時間，更是短得看不到優(yōu)勢。我們不得不思考一下，大規(guī)模長期部署的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)到底面臨什么挑戰(zhàn)?

說到這里，明眼的讀者可能會立刻問我一個尖銳的問題: 什么是大規(guī)模?因特網(wǎng)上億節(jié)點，手機網(wǎng)也是上億的節(jié)點，從廣義上說都可算是傳感網(wǎng)，到了你這里怎么“千”就成了大規(guī)模了?原來的方法就不好用了?

這是個非常好的問題，也非常難以用幾句話說到點子上，我試著用一個也許不大恰當?shù)谋扔鹘忉屢幌隆Ｔ谧越M織網(wǎng)絡(luò)里，沒有中心節(jié)點，通信又是多跳的，國際上認為幾百個就是大規(guī)模了。這就好比國慶表演集體操，如果事先演練好了，大家按流程來，幾萬人跳整齊了也不算太難的事。如果事先沒有演練，而是由某個人來指揮，大家都能直接聽得見他的號令(類似單跳無線網(wǎng)絡(luò)如移動手機網(wǎng)的情形)，跳整齊了也不是多難的事。然而，事先沒有演練，而指揮人不能同時給所有人發(fā)出他們直接聽得見的號令，只能發(fā)給身邊的幾個人再慢慢一個個傳開，臨時碰上各種情況大家還要商量著來，那么可以想象要保證幾百人整齊操練是多么困難。

“綠野千傳”

感知林業(yè)

為了探尋大規(guī)模自組織網(wǎng)的挑戰(zhàn)的根源和解決方案，我們發(fā)起了“綠野千傳”項目。當時提出了3個“1”的決心，即在一個野外的真實環(huán)境，部署超過一千個節(jié)點的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，連續(xù)運轉(zhuǎn)一年以上。

為什么選擇了林業(yè)為應(yīng)用背景呢?一方面，林業(yè)在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位，在生態(tài)建設(shè)中居于首要地位，在西部大開發(fā)中也意義重大，在應(yīng)對全球氣候變化中，更是戰(zhàn)略選擇。2007年9月8日，胡錦濤主席在悉尼APEC非正式會議上提出了“森林方案”，強調(diào)通過森林的恢復(fù)和增長，增加碳匯、減緩氣候變化; 2009年9月22日在紐約G20氣候變化峰會上，他提出用“森林碳匯”來減緩氣候變化——發(fā)展林業(yè)是應(yīng)對全球氣候變化的戰(zhàn)略選擇。

另一方面，林業(yè)應(yīng)用是在森林這個復(fù)雜系統(tǒng)的背景下展開的，森林物種繁多、類型多樣、分布地域廣闊、生長周期長。林業(yè)應(yīng)用在時間上要求同步性、持續(xù)性; 在空間上要求范圍廣、測點多，還要求維持較低的人力和設(shè)備成本。林學已有的技術(shù)和方法難以滿足上述條件，遭遇了精確描述刻畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的的瓶頸。就拿碳匯來說，大家都知道森林能固碳，但到底什么樣的森林固多少二氧化碳，都是大致的估算，世界范圍內(nèi)也沒有非常準的測量。因此，探尋新技術(shù)、新方法勢在必行。無線傳感網(wǎng)低功耗、智能化自組織、大規(guī)模持續(xù)同步監(jiān)測、低成本的諸多特點，是一個有效的解決林業(yè)應(yīng)用瓶頸的可行方案。

無線傳感網(wǎng)與林業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，林業(yè)給予無線傳感網(wǎng)技術(shù)足夠強大的應(yīng)用驅(qū)動力，而無線傳感網(wǎng)的先進技術(shù)能給林業(yè)學科在研究方法和思維方式層面帶來變革。基于這兩點考慮，我們選擇了林業(yè)作為著眼點。

“綠野千傳”的系統(tǒng)研發(fā)工作始于2008年下半年。到今天為止，前后參與這項工作的單位和人員除了香港科技大學，還包括浙江農(nóng)林大學周國模教授、西安交大趙季中教授、杭州電子科大戴國駿教授、美國IIT李向陽教授、清華大學顧明教授、北京郵電大學馬華東教授、哈工大李建中教授、同濟大學蔣昌駿教授等。此外，這個項目還得到了自然基金委、科技部、國家林業(yè)局等單位專家直接或者間接的指導。2009年5月，項目組成功部署了一個120個節(jié)點的原型系統(tǒng)，到2009年10月，原型系統(tǒng)擴充至330個點，至今已經(jīng)運轉(zhuǎn)超過11個月(http://greenorbs.org/)。2009年8月，項目組在浙江省天目山脈實現(xiàn)了一個超過200個節(jié)點的實用系統(tǒng)，該系統(tǒng)至今已經(jīng)連續(xù)運轉(zhuǎn)超過8個月。

為什么我們不一下子推到1000個節(jié)點呢?實際上，算上我們在浙江農(nóng)林大學其他幾個實驗點部署的小型系統(tǒng)，總的節(jié)點數(shù)早已經(jīng)超過1000個，通過Internet，它們之間的數(shù)據(jù)都是互聯(lián)互通的; 而我們前前后后制造和測試的節(jié)點，已經(jīng)超過2000個。但這還不是我們心目中真正的“千傳”。雖然通過Sink(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、基站、接入點等)和Internet，它們之間可以交換數(shù)據(jù)，也可以被認為是一個系統(tǒng)，但是我們這里追求的，是要在一個Sink控制范圍內(nèi)的1000個節(jié)點。

突破壁壘

需直面三大挑戰(zhàn)

通過一年多以來的觀察和對系統(tǒng)收集的大量傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析，我們對當前無線傳感網(wǎng)突破大規(guī)模應(yīng)用壁壘面臨的根本挑戰(zhàn)有了一點認識，初步總結(jié)為三個主要方面。

首先，無線傳感網(wǎng)傳輸和感知兩大功能不匹配。主要表現(xiàn)為兩種形式。一方面，圖像、聲音、視頻等數(shù)據(jù)可以利用對應(yīng)的圖像和聲音傳感器直接獲取，但這類數(shù)據(jù)量大，且經(jīng)常要求實時傳輸，要通過帶寬非常有限的無線多跳網(wǎng)絡(luò)傳送，難度很高。另一方面，不同應(yīng)用需要各種各樣的傳感器數(shù)據(jù)，比如在林業(yè)應(yīng)用中，二氧化碳含量和光譜數(shù)據(jù)具有廣泛用途，地震波強度數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)中意義重大。這類數(shù)據(jù)量小，較易于傳輸，但現(xiàn)實的難題是，可以提供這些數(shù)據(jù)且適用于大規(guī)模部署的低成本傳感器尚未成熟。直白地說: 就是易感不易傳、易傳不易感。這個根本矛盾，直接導致無線傳感網(wǎng)無法滿足真實應(yīng)用領(lǐng)域的感知需求。要解決這個矛盾，有若干關(guān)鍵問題亟待研究，包括設(shè)計高性能低功耗傳感器以突破網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬瓶頸、設(shè)計與優(yōu)化路由協(xié)議以提升可靠性和網(wǎng)絡(luò)吞吐率，以及多模態(tài)數(shù)據(jù)融合和非確定性數(shù)據(jù)處理、異構(gòu)傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理等等。我們把這個壁壘稱作“傳感失諧”。

其次是網(wǎng)絡(luò)管理方面的困難。與傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的節(jié)點多數(shù)在室內(nèi)的環(huán)境相比，無線傳感器節(jié)點經(jīng)常在惡劣環(huán)境當中，風吹日曬、雪打雨淋。同時傳感器節(jié)點的通信和計算資源極端有限，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上類似SNMP類型的Agent匯報機制無法有效支持。更為嚴峻的是，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)即使斷了，也比較容易判斷是物理上斷了，還是物理上仍然連接而是軟件或者系統(tǒng)出了故障; 而在傳感網(wǎng)這里，斷了就是斷了，很難找到問題根源，給修復(fù)帶來巨大困擾。我們把這個困難稱為“診判失據(jù)”。

第三，大多數(shù)現(xiàn)有研究工作都基于理想化的模型假設(shè)，比如UDG或者quasi-UDG模型，忽略了無線傳感網(wǎng)運行過程中伴隨的各種不確定物理因素和可能的環(huán)境動態(tài)性。例如，定位算法大多基于規(guī)則的信號強度到物理距離的映射模型，覆蓋算法設(shè)計很多是采用各向同性的確定性的感知模型，拓撲控制對傳輸半徑及其可控性做了很多假設(shè)，但實際上連拓撲邊的存在與否都要依賴于對link評估方式的定義。由此產(chǎn)生的研究成果，當系統(tǒng)規(guī)模小的時候還不明顯，一旦規(guī)模大了，立刻顯現(xiàn)出巨大的反差，無法直接應(yīng)用于指導和仿真實用系統(tǒng)。我們稱之為“模型失用”。

面臨這些困難，我們當然有足夠的理由懷疑傳感網(wǎng)的實際應(yīng)用到底還有多遠。但是，不要緊，我們拍拍腦門想一想，如果把時間軸稍微拉得寬一點，很容易想到在不太遠的未來，大多數(shù)日常物體都被連在網(wǎng)絡(luò)上了，物理的Instrumented、互聯(lián)的Interconnected、智能的Intellectual，應(yīng)該就是這樣的吧，有什么可以懷疑的呢?這樣說來，我們今天做的探索，無論離正確還有多遠，都在朝著未來走去。

作者簡介

劉云浩畢業(yè)于清華大學自動化系，獲工學學士學位; 在北京外國語大學獲文學碩士學位; 在美國密歇根州立大學計算機系獲得碩士和博士學位。目前劉云浩是香港科技大學計算機科學與工程系副教授、系研究生部主任(Post-Graduate Director)，清華大學國家信息實驗室特別研究員。

聯(lián)聯(lián)看

感知中國博覽園5月1日開放

感知中國博覽園專業(yè)館已于5月1日正式開放。感知中國博覽園(傳感網(wǎng)應(yīng)用展示中心)占地面積230畝，分專業(yè)館和綜合館，由震澤路、凈慧東道、菱湖大道和清晏路合圍而成。五大網(wǎng)絡(luò)運營商、中國衛(wèi)星以及華為、利奧等八家首批參展單位正陸續(xù)將它們獨立的物聯(lián)網(wǎng)解決方案布置在各自的展區(qū)。

在國家電網(wǎng)展區(qū)中心，豎立著兩個高大的電線桿塔，上面裝著若干個傳感器，分別感知溫度、風向風速、日照、導線壓力等參數(shù)，一旦有異常情況中心便能立刻知道。電線布點在四面八方，有的甚至在深山老林里，借助傳感器能提高線路的輸電質(zhì)量，在不增加投入的前提下實現(xiàn)“動態(tài)增容”。

在專業(yè)館內(nèi)，智能家居、智能廚房等更與人們生活息息相關(guān)。您下班回到家，只需坐在沙發(fā)上歇著，面前的茶幾就能幫你完成開燈、開熱水器等事情。這是一個“聰明”的茶幾，上班離家就設(shè)置為“離家模式”; 回到家，打開“居家模式”，窗簾會自動拉上，吊燈、熱水器、飲水機等就自動打開。看電視時，如果有人來訪，電視屏幕上就會跳出個小窗口，直接看到門口的狀況。智能幼兒園則充分考慮到了安全問題，通過傳感器實現(xiàn)的實時監(jiān)控連接到家中的機頂盒上，孩子在幼兒園里發(fā)生什么事情，家長都能知道。據(jù)悉，以后各類終端還能連到手機、互聯(lián)網(wǎng)上。

小天鵝物聯(lián)洗衣機進駐世博館

小天鵝推出的新型物聯(lián)網(wǎng)洗衣機已正式進駐世博會國家電網(wǎng)館智能家電展區(qū)。入駐世博館的小天鵝洗衣機，能通過電腦、移動終端等設(shè)備，實現(xiàn)洗衣機的遠程控制、同時還能查詢洗衣機的工作狀態(tài)，通過控制系統(tǒng)傳回洗衣機的相關(guān)信息。

據(jù)了解，目前小天鵝已經(jīng)開發(fā)了具有適應(yīng)未來智能電網(wǎng)的物聯(lián)洗衣機。該洗衣機除了實現(xiàn)物聯(lián)遠程控制之外，還可自動判斷電網(wǎng)的波谷和波峰狀態(tài)，適時調(diào)整洗衣機的運行狀態(tài)，減少家電對于電網(wǎng)的干擾和影響，有利于提高電能質(zhì)量和供電可靠性，同時也實現(xiàn)了洗衣機的高效使用。這無論是對用戶還是社會而言，都將是具有非常重要意義的創(chuàng)新產(chǎn)品，新型產(chǎn)品或?qū)⒂诮衲暝诿绹氏壬鲜校@一技術(shù)，還可以應(yīng)用于其他眾多家電領(lǐng)域。

手機按一按輕松找車位

今年，一項名為“智能交通”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在福州鼓樓區(qū)試點，讓車主無需再為找車位犯愁。

近日，福州市公安局鼓樓分局局長黃作璋透露，今年內(nèi)，鼓樓區(qū)將試行停車位“晝夜交換利用”的辦法。例如，把一些單位的停車位在夜間開放，以緩解夜間鬧市商圈停車位緊張的問題。但實現(xiàn)這個方案，除必須加強各單位的停車安全管理外，還要依賴技術(shù)手段，將停車位的數(shù)量變化及時匯總，并借助手機網(wǎng)絡(luò)平臺實時反饋給車主。

去年12月份，福建省提出建設(shè)福州鼓樓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)，其中一項重要的舉措———“智能交通”就包括“智能化停車”。

據(jù)鼓樓區(qū)數(shù)字辦有關(guān)負責人介紹，鼓樓區(qū)內(nèi)很多停車場都有智能停車系統(tǒng)。就像高速路進出口一樣，按一下智能停車崗的按鈕，就會吐出一張停車卡，出門時，只要刷一下卡，停車場門口的電子桿就會自動豎起，停車場內(nèi)車位的數(shù)量隨著車輛的進出不斷變化，實時統(tǒng)計到該停車場的數(shù)據(jù)庫。而所謂的智能停車，就是通過鼓樓區(qū)各停車場的智能停車管理系統(tǒng)，統(tǒng)計出各停車場內(nèi)的車輛進出登記數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)及時匯總，反饋到互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)平臺上。這樣一來，車主只要在出門前或是到達目的地前，打開手機上網(wǎng)，就能查到整個鼓樓區(qū)內(nèi)各停車場還有多少空車位。

據(jù)了解，這項工程預(yù)計今年年底可正式啟用。