Mote（微粒计算机）的工作原理

您可能听说过一个被称为mote（微粒计算机）的计算概念。这个概念也称为智能尘埃和无线传感网络。曾几何时，《大众科学》、《发现》和《连线》杂志的每一期几乎都包含关于Mote（微粒计算机）理念新应用的短评。例如，军方计划用它们在战场上收集信息，工程师计划将它们混入混凝土中，用于内部监测建筑物和桥梁的健康状况。

Mote（微粒计算机）的用途有数千种，随着人们对这个概念越来越熟悉，他们提出了更多用途。这是一种全新的分布式传感范式，它开辟了一种看待计算机的迷人新方式。

在本文中，您将有机会了解Mote（微粒计算机）的工作原理，并了解该技术的许多可能应用。然后，我们将探讨一种MICA Mote（微粒计算机）——一种现有的技术，您可以购买它来体验这种独特的感知世界的方式。

基本概念

“Mote（微粒计算机）”概念创造了一种全新的计算机思维方式，但其基本思想相当简单。

Mote（微粒计算机）的核心是一个小型、低成本、低功耗的计算机。
该计算机监测一个或多个传感器。很容易想象各种传感器，包括温度、光线、声音、位置、加速度、振动、应力、重量、压力、湿度等传感器。并非所有Mote（微粒计算机）应用都需要传感器，但传感应用非常普遍。
该计算机通过无线电链路连接到外部世界。最常见的无线电链路允许Mote（微粒计算机）在10到200英尺（3到61米）的距离内传输。功耗、尺寸和成本是限制更长距离的障碍。由于Mote（微粒计算机）的基本概念是微小尺寸（以及相关的微小成本），因此小型、低功耗的无线电是正常的。

Mote（微粒计算机）可以由电池供电，或者在某些应用中利用电网供电。随着Mote（微粒计算机）的尺寸和功耗不断缩小，我们可以想象太阳能甚至像振动能这样奇特的方式来维持它们的运行。

所有这些部件都封装在尽可能小的容器中。未来，人们设想将Mote（微粒计算机）缩小到每边只有几毫米大小。目前，包括电池和天线在内的Mote（微粒计算机）通常有五六枚25美分硬币叠起来那么大，或者一包香烟那么大。电池通常是目前封装中最大的部分。当前Mote（微粒计算机）的批量成本可能在25美元左右，但价格正在下降。

很难想象像Mote（微粒计算机）这样微小而无害的东西会引发一场革命，但这正是它们所做到的。我们将在下一节中探讨一些可能的应用。

典型应用

如果您查阅文献，会发现人们想出了使用Mote（微粒计算机）的各种不同方式，其中包含大量想法。以下是本文末尾链接中精选的一些示例。

可以将Mote（微粒计算机）视为独立的传感器。例如

您可以在浇筑混凝土时将Mote（微粒计算机）嵌入桥梁中。Mote（微粒计算机）上可以带有一个传感器，用于检测混凝土中的盐浓度。然后，您每个月可以驾驶一辆卡车驶过桥梁，向桥梁发送强大的磁场。磁场将允许埋在桥梁混凝土中的Mote（微粒计算机）通电并传输盐浓度。盐（可能来自除冰或海水飞沫）会削弱混凝土并腐蚀增强混凝土的钢筋。盐传感器将使桥梁维护人员能够评估盐造成的损害程度。嵌入桥梁混凝土中的其他可能的传感器可以检测振动、应力、温度波动、裂缝等，所有这些都有助于维护人员在问题变得严重之前发现它们。
您可以将传感器连接到Mote（微粒计算机），以监测机械状况——温度、转数、油位等，并将其记录在Mote（微粒计算机）的内存中。然后，当卡车经过时，Mote（微粒计算机）可以传输所有记录的数据。这将允许对机械（例如，在油田）保留详细的维护记录，而无需维护人员亲自去测量所有这些参数。
您可以将Mote（微粒计算机）连接到社区的水表或电表。Mote（微粒计算机）将记录客户的用电和用水量。当卡车经过时，Mote（微粒计算机）会收到来自卡车的信号并发送它们的数据。这将允许一个人非常容易地读取社区中所有仪表的数据，只需驾车沿街道行驶即可。

所有这些想法都很好；有些允许传感器进入以前无法进入的地方（例如嵌入混凝土中），另一些则减少了单独读取传感器所需的时间。

然而，Mote（微粒计算机）最令人兴奋的亮点在于使用大量Mote（微粒计算机）彼此通信并形成自组网络的想法。

自组网络

美国国防高级研究计划局（DARPA）是Mote（微粒计算机）理念的最初倡导者之一。DARPA实施的最初Mote（微粒计算机）想法之一是允许Mote（微粒计算机）感知战场状况。

例如，想象一位指挥官希望能够探测偏远地区的卡车移动。一架飞机飞过该区域，撒下数千个Mote（微粒计算机），每个Mote（微粒计算机）都配备了磁力计、振动传感器和GPS接收器。这些电池供电的Mote（微粒计算机）以大约每100英尺（30米）一个的密度投放。每个Mote（微粒计算机）都会苏醒，感知其位置，然后发出无线电信号以寻找其邻居。

该区域内的所有Mote（微粒计算机）形成一个巨大的、无定形的网络，可以收集数据。数据通过网络汇集并到达一个收集节点，该节点拥有强大的无线电，能够传输数英里外的信号。当敌方卡车驶过该区域时，检测到它的Mote（微粒计算机）会传输它们的位置和传感器读数。相邻的Mote（微粒计算机）会接收到这些传输并将它们转发给它们的邻居，依此类推，直到信号到达收集节点并传输给指挥官。指挥官现在可以在屏幕上显示数据，并实时看到卡车在Mote（微粒计算机）区域中行驶的路径。然后，一辆遥控飞行器可以飞到卡车上方，确认它属于敌方并投下炸弹将其摧毁。

这看起来可能需要付出巨大的努力，直到您意识到这些Mote（微粒计算机）所取代的系统。过去，指挥官用于阻止卡车或部队通过偏远地区的方法是地雷。士兵会在该区域布设数千枚反卡车或杀伤人员地雷。任何穿过该区域的人——无论是友军还是敌军——都会被炸毁。当然，另一个问题是，冲突结束后很久，地雷仍然活跃且致命——潜伏着，随时可能夺走任何路人的肢体甚至生命。根据这份联合国儿童基金会报告，在过去的30年中，地雷已造成超过100万人死亡或致残——其中许多是儿童。有了Mote（微粒计算机），战后留下的是微小、完全无害的传感器。由于Mote（微粒计算机）功耗极低，电池可以使用一两年。然后，Mote（微粒计算机）就会简单地停止工作，对附近的平民不会造成任何物理威胁。

这种自组网络的概念——由数百或数千个Mote（微粒计算机）相互通信并传递数据——是极其强大的。以下是该概念的几个实际应用示例

想象一个郊区社区或公寓大楼，其中配备有Mote（微粒计算机）来监测水表和电表（如前一节所述）。由于典型社区中的所有仪表（和Mote（微粒计算机））彼此相距不到100英尺（30米），因此连接的Mote（微粒计算机）可以自行形成一个自组网络。社区的一端是一个带有网络连接或手机链路的超级Mote（微粒计算机）。在这个想象中的社区里，人们无需每月驾驶卡车穿过社区来读取各个水表或电表——Mote（微粒计算机）将数据相互传递，然后由超级Mote（微粒计算机）进行传输。如果需要，测量可以每小时或每天进行。
农民、葡萄园主或生态学家可以为Mote（微粒计算机）配备检测温度、湿度等的传感器，使每个Mote（微粒计算机）成为一个迷你气象站。这些Mote（微粒计算机）分散在田野、葡萄园或森林中，可以跟踪微气候。
楼宇管理人员可以将Mote（微粒计算机）连接到办公楼内的每根电线上。这些Mote（微粒计算机）将具有感应传感器，用于检测该单根电线上的功耗，并让楼宇管理人员看到精确到单个插座的功耗。如果楼宇的功耗似乎很高，楼宇管理人员可以将其追溯到单个租户。虽然这可以通过电线实现，但使用Mote（微粒计算机）会便宜得多。
生物学家可以为濒危动物佩戴一个装有Mote（微粒计算机）的项圈，用于感应位置、温度等。当动物移动时，Mote（微粒计算机）会收集并存储来自传感器的数据。在动物的环境中，生物学家可以放置带有数据收集Mote（微粒计算机）的区域或条带。当动物进入其中一个区域时，项圈中的Mote（微粒计算机）会将数据转储到该区域的自组网络，然后将其传输给生物学家。
在高速公路每隔100英尺放置的Mote（微粒计算机），并配备用于检测交通流量的传感器，可以帮助警方识别事故导致交通中断的位置。由于不需要电线，安装成本将相对较低。

典型的Mote（微粒计算机）

MICA Mote（微粒计算机）是一款商用产品，已被研究人员和开发人员广泛使用。它具有Mote（微粒计算机）的所有典型特征，因此可以帮助您了解这项技术现在能够实现什么。MICA Mote（微粒计算机）通过一家名为Crossbow的公司向公众销售。这些Mote（微粒计算机）有两种外形尺寸

矩形，尺寸为2.25 x 1.25 x 0.25英寸（5.7 x 3.18 x 0.64厘米），大小适合放置在两节AA电池之上以获取电力。
圆形，尺寸为1.0 x 0.25英寸（2.5 x 0.64厘米），大小适合放置在一枚3伏纽扣电池之上。

MICA Mote（微粒计算机）使用Atmel ATmega 128L处理器，运行频率为4兆赫兹。128L是一款8位微控制器，拥有128千字节的板载闪存来存储Mote（微粒计算机）的程序。这款CPU的性能与最初的IBM PC（约1982年）中的8088 CPU相当。主要区别在于，ATmega在运行时仅消耗8毫安，而在睡眠模式下仅消耗15微安。

这种低功耗使得MICA Mote（微粒计算机）使用两节AA电池可以运行一年多。一节典型的AA电池可产生约1000毫安时。如果ATmega持续运行，以8毫安的电流计算，它将运行约120小时。然而，程序员通常会编写代码，使CPU大部分时间处于睡眠状态，从而大大延长电池寿命。例如，Mote（微粒计算机）可能会睡眠10秒，然后唤醒几微秒检查状态，然后再次进入睡眠。

**“Spec”置于加州大学伯克利分校上一代Mote（微粒计算机）——Mica节点之上的广角视图。“Spec”就是中间凸起部分上面的那个微小方块。**
图片来源：JLH Labs

MICA Mote（微粒计算机）带有512千字节的闪存用于存储数据。它们还具有一个10位A/D转换器，以便传感器数据可以被数字化。子卡上的独立传感器可以连接到Mote（微粒计算机）。可用的传感器包括温度、加速度、光线、声音和磁性传感器。针对GPS信号等的高级传感器正在开发中。

MICA Mote（微粒计算机）的最后一个组件是无线电。它的范围有几百英尺，每秒可以传输大约40,000比特。当它关闭时，无线电消耗不到1微安。接收数据时，它消耗10毫安。传输时，它消耗25毫安。节省无线电功耗是延长电池寿命的关键。

所有这些硬件组件共同构成了一个MICA Mote（微粒计算机）。程序员编写软件来控制Mote（微粒计算机）并使其以特定方式运行。MICA Mote（微粒计算机）上的软件是基于一个名为操作系统的TinyOS。TinyOS很有帮助，因为它为您处理无线电和电源管理系统，使为Mote（微粒计算机）编写软件变得更加容易。

未来展望

2003年3月，研究人员成功地将Mote（微粒计算机）所需的所有部件集成到一块每边小于3毫米的单芯片上。总面积约为5平方毫米，这意味着您可以将十多块这样的芯片放在一枚便士上。

该芯片包含Mote（微粒计算机）中的所有组件：CPU、内存、用于读取传感器数据的A/D转换器和无线电发射器。要完成封装，您需要连接传感器、电池和天线。该芯片量产后的成本将低于一美元。有关详细信息，请参阅此页面。

有关Mote（微粒计算机）及其应用和相关主题的更多信息，请查看下一页的链接。