Lanciare la rete del sensore wireless

Non lo sapevo prima, ma le piante fanno sesso, dice Kevin Delin. Sta indicando due enormi cicadee, fuggitive simili a palme dell'era dei dinosauri che crescono in un angolo dell'Huntington Botanical Gardens, un santuario per 15.000 specie di piante rare a San Marino, in California. L'ignoranza di Delin in materia di botanica è scusabile. È un ingegnere del vicino Jet Propulsion Laboratory della NASA, e ciò che veramente lo interessa non sono le cycas maschio e femmina, ma la coppia di capsule di sensori alloggiate nel terreno sotto le piante. Ogni pod ha le dimensioni di un computer palmare e contiene un processore, una batteria, una cella solare, una radio, una memoria e sensori per monitorare il calore, l'umidità e l'umidità del suolo. I baccelli sono gli occhi, le orecchie e persino il cervello surrogati dei curatori del giardino, che tengono traccia di quanta luce solare e pioggia le piante stanno diventando fattori critici per le cicadee, che hanno bisogno di condizioni specifiche per riprodursi.

I sensori non sono una novità. Un'auto, ad esempio, ne utilizza dozzine per monitorare fattori come le condizioni del motore. Ma i sensori nelle automobili, nelle fabbriche e negli uffici di oggi sono, per la maggior parte, stupidi. Non hanno l'intelligenza per analizzare o agire in base alle loro scoperte; invece, inviano le misurazioni a un processore centrale. Anche la maggior parte dei sensori attuali è bloccata in posizione, con qualsiasi spostamento che richiede un costoso ricablaggio. I baccelli di Delin sono diversi. Parlano in modalità wireless tra loro e con altri 18 pod nel giardino, formando la propria rete intelligente. Ogni pochi minuti, i pod si aggiornano a vicenda sulle loro ultime letture, elaborano insieme le informazioni in un quadro generale della temperatura e delle condizioni del suolo e inviano questa analisi ai curatori. È come se un computer autonomo e altamente consapevole fosse distribuito su 40 ettari di paesaggio.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2003

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Si tratta di sintetizzare al volo la conoscenza globale da dati grezzi, afferma Delin. Le sue capsule preannunciano un futuro in cui i sensori intelligenti risucchiano grandi quantità di dati vitali, ad esempio sollecitazioni meccaniche sulle travi di un ponte o il rombo di un convoglio nemico in una notte del deserto senza luna, che attualmente non vengono registrati. Wireless e alimentati a batteria, tali sensori saranno accessibili da remoto e posizionati dove sarebbe impraticabile stringere dati e linee elettriche. Piccoli ed economici, saranno distribuiti liberamente e ravvicinati, fornendo immagini a grana fine di fenomeni come il clima che attualmente sono tracciati solo su larga scala. E poiché agiranno in modo cooperativo, organizzandosi e condividendo i calcoli attraverso la rete, forniranno alle persone pezzi utilizzabili di informazioni predigerite piuttosto che una confusa pioggia di numeri.

In effetti, le reti di sensori wireless sono uno dei primi esempi nel mondo reale di pervasive computing, l'idea che dispositivi di rilevamento e di elaborazione piccoli, intelligenti ed economici alla fine permeeranno l'ambiente. Questa nozione si è diffusa negli ambienti della tecnologia dell'informazione per più di un decennio. Ma ora, dopo diversi anni di investimenti nella ricerca da parte della U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, della National Science Foundation e di una manciata di giganti dell'alta tecnologia come Intel, stanno emergendo l'hardware e il software fondamentali per l'informatica pervasiva.

Sebbene la tecnologia sia ancora agli inizi, la gamma di potenziali applicazioni è sbalorditiva ( vedere Percepire il potenziale ). Gli scienziati di Intel e dell'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato uno chassis wireless delle dimensioni di un cercapersone che può essere personalizzato con molti tipi di sensori. I ricercatori stanno utilizzando i dispositivi per monitorare i microclimi e i parassiti nei vigneti, monitorare le abitudini di nidificazione di rari uccelli marini e controllare i sistemi di riscaldamento e ventilazione. E a 600 chilometri lungo la strada presso l'Università della California, Los Angeles, altri ricercatori stanno implementando sensori wireless per ottenere misurazioni dettagliate degli effetti delle onde sismiche sugli edifici. Altri ancora stanno lavorando a modi per consentire alle aziende di monitorare e controllare i propri spazi di lavoro, dagli uffici locali alle catene di montaggio a mezzo continente di distanza. Le applicazioni sono ovunque , afferma David Culler, uno dei principali ricercatori di rilevamento in rete presso l'UC Berkeley.

Nella mente di molti, è una tecnologia che potrebbe rivelarsi importante quanto Internet: proprio come Internet consente ai computer di attingere alle informazioni digitali indipendentemente da dove sono archiviate, le reti di sensori amplieranno la capacità delle persone di interagire in remoto con il mondo fisico. Culler chiama i dispositivi una nuova classe di sistemi informatici, distinti dall'hardware del passato per la loro ubiquità e la loro abilità analitica collettiva. Entro questo decennio, prevede, il rilevamento distribuito e l'informatica si insinueranno in ogni casa, edificio, ufficio, fabbrica, auto, strada e fattoria.

Non sorprende che ci siano molte sfide prima che ciò accada. Per molti versi, le reti di sensori wireless sono lontane come Internet negli anni '70, quando la rete collegava meno di 200 università e laboratori militari, e i ricercatori stavano ancora sperimentando protocolli di comunicazione e schemi di indirizzo. Oggi, la maggior parte delle reti di sensori wireless connette meno di 100 punti o nodi; più e le linee di comunicazione diventano così aggrovigliate che si guastano. Il costo del nodo medio è vicino a $ 100, mentre la durata della batteria è misurata, nella migliore delle ipotesi, in mesi. E nessuno è esattamente sicuro di quale applicazione trasformerà la tecnologia in una fortuna commerciale. Tutti e loro zia e zio sono interessati, afferma Deborah Estrin, direttrice del Center for Embedded Networked Sensing dell'UCLA. Ma è una lotta per trovare il modello di business.

I ricercatori dicono che nessuno di questi problemi rischia di essere proibitivo. Alcuni sensori wireless sono già sul mercato e nel giro di pochi anni potrebbero essere disponibili prodotti con nuove interessanti funzionalità. Sensoria a San Diego, ad esempio, sta sviluppando sensori che potrebbero trasformare le auto in nodi di viaggio nelle reti wireless urbane, consentendo a gruppi di veicoli di assemblare automaticamente immagini in tempo reale del traffico locale o di condividere le funzioni di comunicazione quando accedono alle informazioni sulle destinazioni locali. William Kaiser, un ingegnere elettrico dell'UCLA e fondatore di Sensoria, sostiene: Internet ha cambiato il modo in cui facciamo affari con i computer. Questo cambierà il modo in cui viviamo la nostra quotidianità.

Industria dei cablaggi

Di ritorno ai giardini di Huntington, Delin entra in una sala conferenze con una valigetta di alluminio, del tipo che gli agenti del governo in TV usano per trasportare gadget top secret. Tira fuori quattro dei suoi ultimi sensori e ne stacca il coperchio; sotto ci sono i circuiti che contengono le viscere del pod, incluso il microprocessore e il ricetrasmettitore radio che gli permette di comunicare con i suoi compagni. Distribuisce i pod nella stanza e in pochi secondi si localizzano l'un l'altro e si auto-organizzano in una rete wireless che monitora la temperatura e l'umidità, tra le altre cose. Un pod nelle vicinanze, anche se qualcuno di loro farebbe, inoltra le informazioni dalla rete al laptop di Delin per la visualizzazione. Per mostrare come la rete reagisce al suo ambiente, Delin disconnette uno dei dispositivi. Lo schermo del laptop mostra i pod rimanenti che compensano instradando i dati attorno al pod mancante. Attacca un ventilatore elettrico a un pod, quindi tiene in mano un altro pod; la rete rileva il calore corporeo di Delin e accende la ventola.

La capacità dei pod di comunicare via radio, spiega Delin, significa che possono essere sparsi in aree che il telefono e le linee elettriche non raggiungono e possono essere spostati a piacimento. Ma per far fluire i dati, i nodi devono trovare automaticamente i loro vicini e impostare connessioni radio. Queste connessioni possono cambiare rapidamente, afferma Delin, quindi la condivisione dei dati sulla rete è un atto di giocoleria. Il software in esecuzione su tutti i pod coordina chi di loro parla tra loro e quando. I nodi del sensore si ascoltano l'un l'altro e impostano i tempi per condividere i dati, mentre un orologio di rete mantiene i nodi sincronizzati. La rete assomiglia a una maglia piuttosto che alla disposizione hub-and-spoke utilizzata per i telefoni cellulari; invece di collegare ciascun sensore direttamente a un punto di comunicazione centrale, i nodi inviano dati solo ai vicini entro il raggio radio, risparmiando energia.

Sembra complicato, e lo è. Ma le reti wireless decentralizzate come quelle di Delin sono già convenienti per l'industria pesante: Ember a Boston, MA, ha venduto una tecnologia simile a clienti frustrati dai sensori cablati convenzionali nelle loro apparecchiature di produzione o riscaldamento e ventilazione. Un cliente era solito rivestire i tubi del suo impianto di trattamento, dove petrolio e gas sono separati dalle acque reflue, con costosi sensori di temperatura cablati, collegati a riscaldatori che impediscono al fluido all'interno di diventare troppo denso. Se un sensore si guastasse, un serbatoio potrebbe esplodere, costringendo l'impianto a chiudere al costo di $ 100.000 all'ora, afferma Robert Poor, cofondatore e chief technology officer di Ember. Con una rete wireless, è possibile installare più sensori a un prezzo accessibile, offrendo ridondanza e fornendo informazioni più affidabili. Il silicio è economico. Il cablaggio non lo è, dice Poor. (Per ulteriori informazioni sui pensieri di Poor sulla tecnologia, vedere Sensors of the World, Unite!).

Diversi problemi rimanenti, tuttavia, ostacolano un'ampia applicazione commerciale della tecnologia. Il primo è il suo elevato consumo energetico. Il dialogo periodico avanti e indietro tra i nodi, in particolare, è un esaurimento delle batterie. Ogni bit trasmesso avvicina un momento alla morte un nodo sensore, afferma Greg Pottie, cofondatore di Sensoria.

Un problema correlato è che le radio dei nodi dei sensori hanno una portata limitata, solitamente nell'ordine di decine di metri. Quindi il collegamento in rete di uno spazio più grande, ad esempio una grande fabbrica, richiede molti nodi. Numerosi nodi che inviano molti dati creano opportunità per guasti localizzati che potrebbero lasciare parti della rete isolate, afferma Rick Kriss, CEO di Xsilogy con sede a San Diego. Non esiste una rete affidabile, a meno che non si esegua una gestione della rete molto aggressiva, afferma Kriss. Quindi i nodi di Xsilogy trasmettono periodicamente il loro stato, facendo sapere alla rete se le loro batterie si stanno scaricando o se la loro ricezione sta svanendo. Quindi la rete può compensare instradando attorno ai punti di guasto e avvisando l'utente di problemi imminenti.

Ma c'è un altro problema che è più difficile da risolvere, ed è il prezzo. In un processo che è esattamente l'opposto della produzione di massa, la maggior parte dei produttori di reti di sensori assemblano ancora a mano parti standard, aumentando il costo di ciascun nodo nell'intervallo da $ 80 a $ 100. Quel prezzo deve scendere sotto i 20 dollari affinché le reti di sensori possano decollare commercialmente, afferma David Tennenhouse, direttore della ricerca presso Intel.

La standardizzazione potrebbe aiutare. Avere standard aperti e molti gruppi disinteressati che testano approcci concorrenti sarà assolutamente determinante o meno se questo diventa ampiamente utilizzato, afferma Culler di UC Berkeley. Ma con così tante aziende e laboratori universitari che sviluppano i propri prototipi, gli standard di progettazione per i sensori wireless e i protocolli di rete stanno appena iniziando a emergere. Un disegno potenzialmente dominante è chiamato pagliuzza; il suo sistema operativo, TinyOS, è stato sviluppato dal gruppo di Culler a Berkeley e sta subendo ulteriori perfezionamenti presso Intel e Crossbow Technology a San Jose, in California. Le particelle di Berkeley, che sono state testate da centinaia di gruppi di ricerca in tutto il mondo, sono più piccole e consumano meno energia rispetto alla maggior parte dei sensori wireless commerciali. Il compromesso è che non possono elaborare tanti dati. Ma molti ricercatori affermano che la loro adattabilità - è facile agganciare sensori per luce, suono, temperatura o movimento, diciamo - li rende l'equivalente mondiale di sensori in rete di un PC Windows.

In effetti, l'eventuale scelta di una piattaforma di sensori wireless potrebbe essere altrettanto consequenziale quanto l'emergere di Windows come sistema operativo di consumo dominante o addirittura, agli occhi di un esperto, come la standardizzazione dell'elettricità. È un po' come la storica battaglia tra AC e DC, afferma Larry Smarr, direttore del California Institute for Telecommunications and Information Technology di San Diego. Fino a quando non ci fosse stato un vincitore onnipresente, l'industria degli elettrodomestici non poteva decollare.

Dividere e conquistare

Come se fossero pronti a decollare, una cinquantina di particelle delle dimensioni di una farfalla si aggrappano al soffitto e alle pareti del laboratorio di Deborah Estrin all'UCLA, monitorando temperatura, luce e movimento. Altri giacciono smantellati su scrivanie e panche. Alcuni dei granelli hanno anche le ruote; rotolano sul pavimento sotto la loro stessa propulsione, esercitandosi per un giorno in cui si sposteranno per trovare la migliore ricezione radio o fornire una ricarica della batteria a un vicino in difficoltà. Ecco un'immagine della connettività, dice Estrin, sollevando un foglio di carta con un incomprensibile groviglio di linee. Sembra un piatto di spaghetti: il numero di vie di comunicazione esplode man mano che si aggiungono più nodi, rendendo la rete sempre più soggetta a crash.

La soluzione in fase di sperimentazione nel laboratorio di Estrin: divide et impera. Pensalo come organizzare una grande cena, dice. Non possono verificarsi conversazioni significative a meno che le persone non si alternano nel parlare e nell'ascoltare. E la comunicazione di alto livello è più efficiente se le persone si organizzano in gruppi ed eleggono un individuo che parli per ogni gruppo. Pertanto i nodi si raggruppano da soli e si adattano al volo, cambiando i cluster in modo opportunistico per ottimizzare sia il consumo di energia che il flusso di informazioni attraverso la rete.

La prossima sfida è semplicemente come incanalare il flusso di dati. L'idea è di inserire l'elaborazione in ciascun nodo, consentendogli di condensare i dati grezzi in schemi e di passare meno bit di quelli ricevuti. I granelli sopra la testa di Estrin, ad esempio, potrebbero seguire i suoi movimenti e allertare i loro vicini, che capiscono la direzione in cui sta camminando e trasmettono solo quelle informazioni, non l'intero record dei suoi movimenti, a un database su un nodo madre. Questo nodo può consigliare di spegnere le luci, ad esempio, se decide che Estrin ha lasciato la stanza e non sono presenti altre persone. L'elaborazione dei dati un po' alla volta in tutta la rete, afferma Estrin, è un primo passo verso la programmazione del sistema per aiutare a prendere decisioni intelligenti. Risparmia anche la preziosa carica della batteria.

Per essere veramente utile, una rete di sensori dovrebbe inviare agli utenti solo le sue analisi di eventi interessanti, non i bit grezzi stessi. Le persone vogliono risposte, non numeri, sottolinea Steven Glaser, professore di ingegneria civile e ambientale all'Università di Berkeley, il cui gruppo utilizza reti di sensori per studiare l'attività sismica.

Tra le risposte che vogliono ingegneri e sismologi come Glaser: in che modo i terremoti influenzano i singoli componenti degli edifici e come rispondono le strutture alle variazioni localizzate della forza di un terremoto? Un team dell'UCLA guidato da Paul Davis, geofisico e ricercatore principale presso il centro di Estrin, sta distribuendo una serie di sensori sismici di 50 nodi in tutto il campus nel tentativo di apprendere parte della risposta. Il primo passo è semplicemente accumulare i dati, registrati da terra a intervalli di 100 metri, una risoluzione molto più alta di quella fornita dagli attuali sensori sismici, che sono distanziati di chilometri, dice Davis. I ricercatori confronteranno quindi il modo in cui il terreno trema con le vibrazioni misurate contemporaneamente all'interno di un edificio del campus cablato dall'US Geological Survey dopo il terremoto di Northridge, in California, del 1994.

Rilevamento sismico

I ricercatori dell'UCLA stanno implementando una rete di sensori a 50 nodi per monitorare l'attività sismica su una scala più fine che mai. Sovrapposte a questa mappa del campus dell'UCLA sono le posizioni dei sensori di vibrazione del suolo (stelle), distanziati di 100 metri l'uno dall'altro.

L'obiettivo è sviluppare un modello di come l'attività sismica su scala fine influenzi diverse strutture. Un tale modello, programmato in reti di sensori portatili che potrebbero essere dispiegate temporaneamente nei quartieri della città, potrebbe aiutare gli urbanisti a capire dove le condizioni geologiche tendono a amplificare i terremoti e come rendere più sicuri gli edifici in quelle aree. In futuro, i sensori posizionati vicino alle linee di faglia potrebbero persino rilevare l'avvicinarsi delle onde sismiche e attivare gli allarmi, dando agli occupanti dell'edificio secondi preziosi per raggiungere aree più sicure. Ma, dice Davis, questa è roba da cielo blu.

Google per il mondo fisico

Intelligente, autonomo e consapevole: questa è la visione definitiva per le reti di sensori. In molti modi, è cielo azzurro. Ma due progetti del settore forniscono scorci di un futuro in rete.

C'è il pericolo che l'accesso ai dati raccolti dalle reti di sensori sia come bere da una manichetta antincendio, solo peggio, afferma Feng Zhao, manager dell'area di ricerca Embedded Collaborative Computing presso il Palo Alto Research Center in California. In altre parole, essere inondati da troppi dati può essere paralizzante quanto non averne abbastanza. È un dilemma di cui chiunque utilizzi il Web è ben consapevole. E, dice Zhao, la soluzione per le reti di sensori potrebbe essere simile. Nel tentativo di costruire interfacce user-friendly per le reti di sensori, il gruppo di Zhao sta sperimentando una nuova generazione di motori di ricerca che descrive come Google per il mondo fisico.

Immagina, spiega Zhao, accedendo a Internet e digitando: Il mio prato ha bisogno di più acqua? La rete tradurrà la domanda in una query di database standardizzata, esaminerà i dati dei sensori di umidità presenti in casa e invierà un messaggio di risposta sì o no. Sistemi simili per la gestione e la sicurezza della catena di approvvigionamento potrebbero essere disponibili in cinque o sette anni, afferma Zhao. Nei magazzini, i manager potrebbero interrogare i sensori montati sugli scaffali sulle tendenze dell'inventario, mentre le guardie nelle strutture sicure potrebbero programmare reti intelligenti di sensori di movimento per attivare gli allarmi quando rilevano schemi di movimento sospetti.

Alla fine, le reti di sensori potrebbero persino sembrare vive. In una base dell'esercito degli Stati Uniti a Fort Leonard Wood, MO, lo scorso aprile, gli ingegneri di Sensoria hanno dimostrato un sistema inquietantemente consapevole che si riorganizza fisicamente in risposta alle mutevoli condizioni. Mentre 80 spettatori osservavano, un carro armato da battaglia M1-A1 Abrams ha attraversato un campo con un aratro attaccato alla sua parte anteriore, aprendo una scia attraverso un boschetto di mine disarmate di 12 centimetri di diametro. Dopo che il carro armato ha schiacciato una mezza dozzina circa di mine e ha proseguito per la sua strada, le mine rimanenti si sono ridistribuite per riempire il vuoto dietro il serbatoio saltando in aria con scoppi di petardi provenienti da minuscoli razzi.

Le miniere hanno compiuto questa impresa emettendo e ascoltando impulsi acustici che le hanno aiutate a localizzare i loro vicini entro pochi centimetri, dice Kaiser. Un disturbo nella rete spinge le miniere a capire quali vicini sono stati spostati o distrutti ea calcolare come ridistribuirsi. Su un vero campo di battaglia, mine così intelligenti potrebbero sconfiggere gli sforzi di sminamento del nemico, o persino allontanarsi dalle forze amiche e quindi ristabilire le difese dietro di loro.

Nonostante dimostrazioni così drammatiche della potenza delle reti di sensori wireless, è difficile prevedere se la difesa, la produzione o qualche campo ancora sconosciuto ospiterà la loro app killer. È come i PC nei primi anni '80. La gente pensava che sarebbero stati usati principalmente per bilanciare i libretti degli assegni, dice Delin. Per quanto riguarda il mercato commerciale a breve termine, per un po' sarà un ambiente deliziosamente disordinato, con molte opportunità per i nuovi arrivati, prevede Ember's Poor. Questo perché le potenziali applicazioni sono tutte intorno a noi, ovunque informazioni utili possono essere estratte dal nostro ambiente. Quando la ricerca di oggi viene tradotta in prodotti economici e resistenti agli urti, può significare a dir poco una fusione tra il mondo virtuale e il mondo fisico. Succederà, dice Zhao. La domanda è: quanto tempo?

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