| Apie | Žurnalas | Archyvas | Mokslo įdomybės | Paieška |

2003 m. Nr. 3 turinys

· Tinklų integracija
· Ryšių signalų perdavimo elektros tinklais technologija susidūrė su problemomis
· Žinutės

Mobilusis ryšys
· Gudriosios antenos
· Žinutės
· Mobilieji telefonai ligoninėse
· Krislelių žygis
· 3G Saulė aušta rytuose
· Mikrovarikliai iš pjezokeramikos mobiliesiems telefonams
· Kitos kartos GPS

Internetas
· Sezame TV: Plačiajuosčio vaizdo duomenų tiekimo tarnyba per 9 mėnesius
· Žaidimas atsitiktinumais
· Žinutės

Optinis ryšys
· Kinijos optinio ryšio tinklo revoliucija
· Žinutės
· Šviesa valdo fotonų tuneliavimą
· Prie žydrojo Dunojaus šoka persipynę fotonai

Elektronika
· Žinutės
· Kur yra optinės fotolitografijos riba?
· Kompiuteris - prie šachmatų lentos
· Molekulinė elektronika
· Vaizdo jutikliai ir jų ateities vaizdai
· Lankstomi kompiuteriai
· XXI a. alchemija

Sauga
· Automatinė atpažinimo sistema AIS - Automatic identification system
· Asmens tapatumo nustatymas pagal rainelę - smūgis apgavikams ir teroristams
· Kuo grasina piktavalis išorinis priešas
· Elektroninis šnipinėjimas
· Efektyvią pergalę Irake nulėmė informacija
· Sienos danguje

Krislelių žygis

    Krisas Pisteris norėtų padengti visą pasaulį dulkėmis. Jo įkurtai kompanijai Dust ("dulkės") tai daryti sekasi visai neblogai. Šalia Pisterio kabineto Berklyje (Kalifornijos valstija) sukrautos tuščios kartoninės dėžės, kurios tuoj bus pripildomos dulkių ir išsiuntinėjamos įvairiausiais adresais.

   Aišku, šiose dėžėse bus ne įprastinės dulkės. Tai bus "gudriosios dulkės" - mažyčiai, nebrangūs ir labai protingi bevieliai sensoriai, galintys susisiekti vienas su kitu, sudaryti autonomiškus tinklus ir stebėti beveik viską: temperatūrą, žmonių buvimą, transporto srautus ar netgi tai, kokią žalą paukščių kolonijoms padarė ką tik įvykęs žemės drebėjimas.

   Krisleliai, angliškai "motes", kuriuos dabar gamina Berklio universiteto mokslinės laboratorijos, yra vos ryžio grūdelio dydžio. Ateityje jiems nebereikės baterijų, nes reikalingą energiją jie pasiims iš aplinkos. Pakaks juos paskleisti, ir bus sukurtas tinklas tylių, nematomų sargų, kurie registruoja ir perduoda apie savo aplinką surinktą informaciją.

   Vieni sako, kad gudriosios dulkės sukurs visuotinio stebėjimo košmarą, bet kiti tvirtina, kad tik taip bus galima išgelbėti mūsų planetą. Pisterio vizija yra kur kas platesnė. Jis mano, kad gudriosios dulkės gali, tikrąja to žodžio prasme, apraizgyti Žemę tinklu ir sudaryti dar vieną infrastruktūros sluoksnį, jungiantį Internetą ir fizinį pasaulį.

   Pisteris yra Berklio universiteto profesorius, šiuo metu bandantis padėti įsitvirtinti savo įkurtajai kompanijai Dust. Pirmą kartą apie bevielių sensorių sukūrimą jis pradėjo galvoti dešimtojo dešimtmečio viduryje. Jis pamanė, kad tokius sensorius būtų galima paskleisti visur, kur kitokie informacijos rinkimo būdai sunkiai pritaikomi. Pisteris buvo įsitikinęs, kad tokius sensorius įmanoma sumažinti iki tarkim kubinio milimetro dydžio, ir kreipėsi pagalbos savajam projektui į DARPA, Pentagono mokslinį padalinį. "Aš pavadinau juos "gudriosiomis dulkėmis"tiesiog juokai, nes tuo metu visi tik ir kalbėjo apie gudrias bombas, gudrius namus ir gudrius greitkelius", - sako Pisteris.

   Šiaip ar taip, DARPA nutarė finansuoti projektą, ir pavadinimas prilipo. Kartu su savo bendradarbiais Pisteris pagamino pirmuosius bandinius. Jis sugalvojo ir juos apibūdinantį "krislelio" terminą, kuris nuo to laiko yra visuotinai taikomas bevielių sensorių apibūdinimui. Šiuose prototipuose buvo mikroprocesorius, dvipusis radijo ryšys ir šviesos sensorius.

   Kitos kartos krisleliai buvo gerokai sudėtingesni. Juose buvo interfeisas, leidžiantis prisijungti įvairius sensorius, pavyzdžiui, magnetometrus ar barometrus. Po to atsirado dar mažesni ir dar galingesni krisleliai, pavadinti Mica. Nuo 2001 m. spalio mėnesio jie yra gaminami ir pardavinėjami. Mica yra kiek didesnis už degtukų dėžutę. Jį maitina dvi AA baterijos, jame gali būti iki aštuonių skirtingų sensorių.

1 pav. Krislelių bandymas.

   Nors toks dydis dar nepateisina "dulkių" vardo, krisleliai Mica jau parodė daug stipriųjų naujosios koncepcijos pusių. Iš jų sudarytas tinklas gali, pavyzdžiui, operatyviai patikrinti, ar saugu įeiti į po žemės drebėjimo išlikusius stovėti pastatus.

   Dideli pastatai ir dangoraižiai po žemės drebėjimų paprastai ilgam uždaromi ir žmonės į juos įleidžiami tiktai po to, kai bus atlikti kruopštūs saugos bandymai. Šis procesas kainuoja labai daug ir gali užtrukti mėnesius. Pakanka prie kiekvieno svarbesnio konstrukcinio elemento pritvirtinti po krislelį su vibracijas registruojančiu akselerometru, ir bus galima greitai suskaičiuoti, kiek visa konstrukcija buvo kratoma drebėjimo metu. Išmatavę, kiek konstrukciniai elementai pajudėjo vienas kito atžvilgiu, sensoriai gali nustatyti ir visos struktūros tvirtumą ir iškart pasakyti kokia žala yra padaryta kiekvienoje pastato vietoje.

   Jei reiktų tik sukurti ir paskleisti mažyčius sensorius, viskas būtų gana paprasta. Tačiau problema kur kas sudėtingesnė už paprastą duomenų siuntimą skaičius graužiančiam kompiuteriui. Viena vertus, sensorių skaičiui didėjant, kompiuteris greitai nebepajėgtų susidoroti su plūstančiais duomenų srautais. Kita vertus, jeigu krisleliai nuolatos siųstų savo matavimų rezultatus, jų baterijos greitai išsikrautų. Galimas sprendimas - inteligentiški krislelių tinklai, sugebantys preliminariai apdoroti duomenis ir išorėn pasiunčiantys svarbiausią informaciją apie, pavyzdžiui, statinio konstrukcijos tvirtumą.

   Bet tada būtina, jog gudriosios dulkės išties taptų gudriomis. Jų tinklo širdis yra labai naujoviška programinė įranga. Kiekvienas krislelis turi savo operacijų sistemą (OS). Ji yra taip vykusiai sudaryta, kad OS pakanka nedidelės krislelio mikroprocesoriaus atminties. Jei naujausioms Windows versijoms reikia ne mažiau negu 100 megabaitų, krislelio OS pakanka vos 8 kilobaitų. Ta operacijų sistema buvo pavadinta TinyOS.

   TinyOS yra atvirojo kodo įranga, todėl ją kuriant dabar dalyvauja gausus programuotojų būrys iš viso pasaulio. Operacijų sistema privalo efektyviai valdyti aparatūrinės įrangos resursų paskirstymą. Krislelio atveju tokia įranga yra prie jo prikabinti sensoriai, radijo ryšio su kitais krisleliais jungtis ir maitinimo šaltinis. TinyOS privalo atlikti savo darbą, sunaudodama kuo mažiau energijos, nes krislelis su išsekusiomis baterijomis bus nedaug naudingesnis už (įprastinę) dulkę.

   Programai tai pavyksta, nes ji didžiausią laiko dalį "miega". Tuo metu beveik visi komponentai, išskyrus sensorius, yra budėjimo režime. TinyOS pabunda, sakykime, kartą per sekundę, po to 50 milisekundžių renka sensorių rodmenis ir 10 ms užtrunka, apsikeisdama duomenimis su kaimyniniais krisleliais. Nors šiaip žiūrint atrodo, kad krislelis veikia visąlaik, iš tikrųjų jis miega net 99 proc. laiko.

   Siekiant dar labiau sutaupyti energiją, TinyOS naudoja "daugiašuolį tinklą". Įsivaizduokite teritorijoje paskleistus šimtus krislelių, stebinčių dirvos drėgmę. Su bazine stotimi - pavyzdžiui, nešiojamuoju kompiuteriu - susisiekia ne visi krisleliai, o tiktai tie, kurie yra arčiausiai jos. Tie "pirmojo lygmens" krisleliai vėliau susisiekia su kitais, nutolusiais nuo jų tam tikru nuotoliu, ir sudaro antrąjį sluoksnį. Šis procesas tęsiasi tol, kol atsiranda daugelio pakopų tinklas. Kiekvienas krislelis susiranda patį geriausią maršrutą, kuriuo reikia pasiųsti savo duomenis pirmojo lygmens krisleliams, todėl žinutė pasiekia bazinę stotį per patį mažiausią šuolių skaičių.

   Toks perdėtas dėmesys energijos taupymui davė gerų vaisių: krisleliai sunaudoja tūkstantį kartų mažiau energijos už standartinius bevielio ryšio prietaisus, pavyzdžiui, mobiliuosius telefonus. Krislelio baterijos gali pakakti nuo 1 iki 10 metų - priklauso nuo to, kam jis bus naudojamas.

   TinyOS privalumai nėra tik ilgesnė baterijos gyvavimo trukmė. Operacijų sistemos sugebėjimus geriausiai iliustruoja eksperimentas, kurį Pisteris ir jo kolegos Kalifornijoje esančioje karinėje bazėje pademonstravo savo užsakovams iš DARPA. 2001 m. kovo mėnesį jie įrengė šešiuose krisleliuose po magnetometrą, įvyniojo juos į polistirolą ir pasiuntė nepilotuojama skraidykle. Skraidyklė nulėkė išilgai kelio 50 m aukštyje, 50 km/h greičiu ir išmėtė krislelius 20 m atstumu nuo kelio. Jų tikslas buvo stebėti tankų ir kitų karinių mašinų judėjimą keliu.

2 pav. "Gudriųjų dulkių" kūrėjai pasiūlė keletą krislelių judėjimo būdų.

   Vos nukritę ant žemės ,krisleliai susisiekė vienas su kitu, sudarė bevielio ryšio tinklą ir susinchronizavo savuosius laikrodžius. Kai tik pro šalį važiuodavo tankas, jis iškraipydavo Žemės magnetinį lauką, o krisleliai tai kruopščiai užregistruodavo. Po to jie palygino tarpusavyje matavimų duomenis, suskaičiavo tanko judėjimo kryptį ir greitį ir visus šiuos duomenis įrašė atmintyje. Kai po valandos skraidyklė vėl pralėkė tuo pačiu maršrutu, krisleliai pasiuntė rezultatus joje esančiam kompiuteriui. Eksperimentas buvo labai sėkmingas.

   Liepos mėnesį Berklyje buvo pademonstruota dar sudėtingesnė tos pačios karinės paskirties versija, skirta priešo padalinių judėjimui sekti. Šimtas krislelių buvo paskleista kvadratiniu tinklu, kuriame du krislelius skyrė 18 m. Tik pačiuose tinklo kampuose esantys krisleliai žinojo savo tikslią padėtį. Kiti krisleliai nustatė savo koordinates, naudodami ultragarso signalus ir sudėtingą algoritmą. Po to į tokio tinklo vidų buvo įvairuotas nedidelis radijo bangomis valdomas automobilio modelis. Pasinaudodami savaisiais magnetometrais, krisleliai sekė modelio judėjimą, nustatinėjo jo padėtį ir pasiųsdavo informaciją apie tai kitam modeliui, kuris po to sugebėjo sekti radijo bangomis valdomą modelį. Visa tai buvo atliekama realiame laike.

   TinyOS sudaro galimybę nesunkiai perprogramuoti tuos pačius krislelius kitų užduočių atlikimui. Programa pakeičiama irgi naudojant bevielį ryšį. Pakanka surašyti programą ir pasiųsti ją artimiausiam krisleliui. Jis pakeis savo programą ir po to pasiųs naujas instrukcijas savo kaimynams. Programa kaip virusas pati pasklis tinklu ir po 30 sekundžių visi krisleliai jau bus pasiruošę vykdyti naują užduotį.

3 pav. Naujausios "gudriosios dulkės" yra 2,5 mm diametro.

   Nors gudriosiomis dulkėmis labiausiai domisi kariškiai, civiliniame gyvenime jos irgi turi didžiulį potencialą. Steve Glaseris iš Berklio universiteto ruošiasi pasitelkti krislelius, kad padėtų miškų gaisrus gesinantiems ugniagesiams. "Kiekvienas gaisras sukuria savo specifinį mikroklimatą, ypač vėjus", - sako Glaseris. "Kartais ugnis vėl įsižiebia už ugniagesių ir jie atsiduria apsuptyje". Glaseris planuoja iš sraigtasparnio paskleisti krislelius gaisro apimtoje miško teritorijoje. Krisleliai matuotų temperatūrą, barometrinį slėgį, oro drėgmę, šviesą ir vėjo greitį. Kiekviename iš šių krislelių taip pat bus po GPS imtuvą, todėl jie galės tiksliai nustatyti savo padėtį. Kaip ir anksčiau aprašytame eksperimente, krisleliai persiųs savo nustatytus duomenis virš miško skrendančiam sraigtasparniui. Iš ten duomenys pateks į valdymo centrą, kur bus sulyginti su informacija apie vietovės augmeniją ir jos topografiją ir padės prognozuoti tolesnį gaisro plitimą. Gudriosios dulkės ateityje gali gerokai sumažinti su miško gaisrų gesinimu susijusius pavojus.

   O šiuo metu gudriosios dulkės jau sklinda visame pasaulyje. Glaseris, kartu su Chiku Tanimoto iš Osakos universiteto Japonijoje pradėjo instaliuoti krislelius 1800 km į vakarus nuo Pekino esančiose Dunhuango olose. Šiose olose atrastus 1600 metų senumo piešinius gadina sūrūs gruntiniai vandeniai, o krisleliai stebės drėgmę ir šviesos intensyvumą. Šie duomenys padės konservatoriams iš Los Angeles esančio Getty muziejaus restauruoti ir išsaugoti piešinius bei nustatyti, pavyzdžiui, kaip geriausiai ventiliuoti olas.

   Visi šie krisleliai dar yra palyginti dideli, kaip degtukų dėžutės dydžio Mica krisleliai, bet kai kurioms užduotims, tokioms kaip olų stebėjimas ar pastatų sužymėjimas potencialioje žemės drebėjimo zonoje, toks dydis yra kaip tik. "Dydis yra santykinis dalykas", - sako Glaseris. "Jeigu krislelis bus labai mažas, palikęs jį pastate niekuomet vėliau neberasi". Bet atsiranda daug naujų užduočių, kurioms reikalingi krisleliai, kuriuos jau tikrai galima pavadinti "dulkėmis".

   G. Hillas savo daktaro disertacijoje sukonstravo plokščią, keturkampį krislelį, kurio matmenys yra tik 2x2,5 mm. Jo prototipą pagamino mikroelektronikos kompanija National Semiconductors. Nors šiems prietaisams vis dar reikia išorinės antenos ir maitinimo šaltinio, Panasonic jau gamina milimetrų dydžio baterijas, kurios tam puikiai tiks.

   Bet baterijų galbūt pavyks ir visai atsisakyti. Miniatiūriški krisleliai gali semtis sau reikalingos energijos iš šviesos (dirbtinės ir natūralios), elektros perdavimo linijų spinduliuojamų magnetinių laukų ir netgi beveik nejuntamų vibracijų. Paulas Wrightas iš Berklio universiteto sukūrė mažyčius prietaisus, galinčius iš silpnų vibracijų, kurios egzistuoja pastatuose, siurbliuose, ventiliacijos kanaluose ar net mikrobangų krosnelėse, pagaminti iki 200 mikrovatų galios elektros energiją. Visų šių šaltinių keliamos vibracijos keičia talpą tarp prietaisuose esančių sulenktų pjezolektriko juostelių ir silicio kristalo pagrindo ir sukuria naudingą elektros įtampą.

   Tuo tarpu vis mažėjančios gudriosios dulkės kelia susirūpinimą dėl mūsų privatumo išsaugojimo. Ar tai netaps tikra Didžiojo brolio technologija? Kai kurie Mica krisleliai jau dabar yra apginkluoti mikrofonais, o mokslininkai jau kuria ir jiems skirtas vaizdo kameras. Deborah Estrin iš Kalifornijos universiteto Los Angeles, kurianti gudriosioms dulkėms skirtą programinę įrangą, sako, kad žmonės privalo susirūpinti privatumo problemomis. "Tam prireiks nemažo dėmesio ir konkrečių teisinių ir įstatyminių priemonių", - sako Estrin.

   Pisteris sutinka, jog gudriosios dulkės kelia nerimo dėl privatumo, bet jis prieštarauja tiems, kurie mano, kad krisleliai gali užteršti aplinką. Net jeigu vienu metu paleistume į orą milijardą krislelių, jų tankis nepakenktų niekieno sveikatai. "Tankis būtų lygus vos vienam krisleliui kubiniame kilometre. Jums tektų labai ilgai vaikščioti, kol pavyktų įkvėpti bent vieną krislelį", - sako Pisteris. "O jeigu taip ir nutiktų, tai nebūtų nemaloniau nei netyčia prarijus mašalą. Atsikosėtumėt ir iškart jį išspjautumėt".

   Nors ginčai dėl gudriųjų dulkių keliamo pavojaus vis dar tęsiasi, aišku, kad ši technologija jau skinasi kelią į gyvenimą.


El. p.: info@elektronika.lt