モートとして知られるコンピューティングの概念について聞いたことがあるかもしれません。この概念は、スマートダストおよびワイヤレスセンシングネットワークとも呼ばれます。ある時点で、今日のポピュラーサイエンス、ディスカバー、ワイヤードのほぼすべての号に、モテのアイデアの新しい応用に関する宣伝文が掲載されていました。たとえば、軍は戦場での情報収集にそれらを使用することを計画しており、技術者はそれらをコンクリートに混ぜて建物や橋の健全性を内部監視するために使用することを計画しています。
モートには何千もの異なる使用方法があり、人々がその概念に慣れるにつれて、さらに多くの方法を思いつきます。これは分散センシングのまったく新しいパラダイムであり、コンピューターに対する魅力的な新しい見方を切り開きます。
この記事では、モートがどのように機能するかを理解し、このテクノロジーの可能な応用例を数多く確認することができます。次に、 MICA モートについて説明します。MICA モートは、世界を感知するこのユニークな方法を実験するために購入できる既存のテクノロジーです。
基本的な考え方
「モート」の概念はコンピューターについての新しい考え方を生み出しますが、基本的な考え方は非常にシンプルです。
- モートの中心となるのは、小型、低コスト、低電力のコンピュータです。
- コンピュータは 1 つ以上のセンサーを監視します。温度、光、音、位置、加速度、振動、応力、重量、圧力、湿度などのセンサーを含む、あらゆる種類のセンサーを想像するのは簡単です。すべてのモート アプリケーションがセンサーを必要とするわけではありませんが、センシング アプリケーションは非常に一般的です。
- コンピュータは無線リンクで外の世界に接続します。最も一般的な無線リンクでは、モートは 10 ～ 200 フィート (3 ～ 61 メートル) 程度の距離で送信できます。消費電力、サイズ、コストが長距離化の障壁となっています。モートの基本コンセプトは小型サイズ (およびそれに伴うわずかなコスト) であるため、小型で低出力の無線機が一般的です。
モートはバッテリで動作することも、特定のアプリケーションで電力網を利用することもできます。モートのサイズと消費電力が縮小するにつれて、モートを動かし続けるために太陽光発電、あるいは振動力のような珍しいものを想像することも可能です。
これらの部品はすべて、可能な限り最小の容器にまとめて梱包されています。将来、人々は、一辺がわずか数ミリメートルのものに収まるようにモートを縮小することを想像します。現在では、バッテリやアンテナを含むモートのサイズは、4 分の 5 ～ 6 個を重ねたサイズ、またはタバコの箱ほどのサイズになることが一般的です。現在、バッテリーは通常、パッケージの最大の部分を占めています。現在のモートの価格は大量に 25 ドル程度ですが、価格は下落しています。
砂利のような小さくて無害なものが革命を引き起こすとは想像しにくいですが、まさにそれが彼らの行いです。次のセクションでは、考えられる応用例をいくつか見ていきます。
代表的な用途
モートを使用するために人々が考えてきたさまざまな方法について文献を調査すると、膨大な種類のアイデアが見つかります。以下は、記事の最後にあるリンクから抜粋したコレクションです。
モートを単独のセンサーと考えることもできます。例えば：
- コンクリートを流し込むときに橋にモートを埋め込むことができます。モートには、コンクリート内の塩分濃度を検出できるセンサーが搭載されている可能性があります。その後、月に 1 回、トラックを運転して橋の上を通過し、橋に強力な磁場を送り込むことができます。磁場により、橋のコンクリート内に埋められたモートに電力が供給され、塩分濃度が伝達される。塩（おそらく除氷剤や海洋スプレーによるもの）はコンクリートを弱め、コンクリートを強化する鉄筋を腐食させます。塩分センサーを使えば、橋の保守担当者は塩分がどの程度のダメージを与えているかを測定できるようになる。橋のコンクリートに埋め込まれた他のセンサーは、振動、応力、温度変動、亀裂などを検出する可能性があり、これらはすべて保守担当者が問題が重大になるずっと前に発見するのに役立ちます。
- 温度、回転数、オイルレベルなどの機械の状態を監視できるセンサーをモートに接続し、モートのメモリに記録することができます。その後、トラックが通過すると、モートはログに記録されたすべてのデータを送信できます。これにより、保守担当者がすべてのパラメータを自ら測定する必要がなく、詳細な保守記録を機械 (油田など) に保存できるようになります。
- 近所の水道メーターや電力メーターにモートを取り付けることができます。モートは顧客の電力と水の消費量を記録します。トラックが通過すると、モートはトラックから信号を受信し、データを送信します。これにより、道路を運転するだけで、近所のすべてのメーターを非常に簡単に読み取ることができるようになります。
これらのアイデアはどれも良いものです。センサーがこれまで設置されていなかった場所 (コンクリートに埋め込まれているなど) に移動できるものや、センサーを個別に読み取るのに必要な時間を短縮するものもあります。
ただし、モートに関する最大の魅力の多くは、相互に通信し、アドホック ネットワークを形成する多数のモートを使用するというアイデアから生まれます。
アドホックネットワーク
国防高等研究計画局 (DARPA) は、モートのアイデアの当初の支援者の 1 人でした。 DARPA に実装された最初のモートのアイデアの 1 つは、モートが戦場の状況を感知できるようにするものです。
たとえば、指揮官が遠隔地でトラックの動きを検出できるようにしたいと考えていると想像してください。飛行機がその地域上空を飛行し、磁力計、振動センサー、 GPS 受信機を備えた数千個のモートを散布します。バッテリー駆動のモートは、約 100 フィート (30 メートル) ごとに 1 つの密度で投下されます。各モートが起動し、その位置を感知して、隣接するモートを見つけるために無線信号を送信します。
エリア内のすべてのモートは、データを収集できる巨大な不定形ネットワークを作成します。データはネットワークを介して収集ノードに到着します。収集ノードには信号を何マイルも送信できる強力な無線機が備わっています。敵のトラックがエリアを通過すると、それを検出したモートが位置とセンサーの読み取り値を送信します。信号が収集ノードに到着してコマンダーに送信されるまで、隣接するモートが送信を受信し、隣接するモートに転送します。車長はデータを画面に表示し、トラックがモートのフィールドを通過する経路をリアルタイムで確認できるようになりました。その後、遠隔操縦の車両がトラックの上空を飛行し、それが敵のものであることを確認し、爆弾を投下して破壊することができます。
これらのモートが置き換えるシステムを理解するまでは、これは非常に面倒なことのように思えるかもしれません。これまで、指揮官が遠隔地でのトラックや部隊の移動を阻止するために使用した手段は地雷でした。兵士たちはその地域に何千もの対トラック地雷や対人地雷を敷き詰めた。そのエリアを移動する者は、敵味方問わず爆破される。もちろん、もう一つの問題は、紛争が終わった後もずっと地雷が活動しており、通行人の手足や命さえも奪おうとしているということです。これによると、過去 30 年間で地雷により 100 万人以上が死亡または負傷し、その多くは子供です。モートの場合、戦争後に残されるのは、小さくて完全に無害なセンサーです。モートの消費電力は非常に少ないため、バッテリの寿命は 1 ～ 2 年です。その後、モートは単に沈黙し、近くの民間人に物理的な脅威を与えることはありません。
このアドホック ネットワークの概念 (相互に通信し、データを相互に受け渡す数百または数千のモートによって形成される) は、非常に強力です。この概念が実際に機能している例をいくつか示します。
- (前のセクションで説明したように) 水道メーターと電力メーターを監視するモートを備えた郊外の地域または集合住宅を想像してください。一般的な近隣地域ではすべてのメーター (およびモート) が互いに 100 フィート (30 メートル) 以内にあるため、接続されたモートは相互にアドホック ネットワークを形成できます。近隣の一端には、ネットワーク接続または携帯電話リンクを備えたスーパーモートがあります。この想像上の近所では、誰かが毎月トラックを運転して個々の水道メーターや電力メーターを読み取る必要はありません。モートがデータを次から次へと受け渡し、スーパーモートがそれを送信します。測定は、必要に応じて 1 時間ごとまたは毎日行うことができます。
- 農家、ブドウ園の所有者、または生態学者は、温度や湿度などを検出するセンサーをモートに装備し、各モートをミニ気象観測所にすることができます。これらのモートを野原、ブドウ園、または森林全体に散在させると、微気候の追跡が可能になります。
- ビル管理者は、オフィス ビル全体のすべての電線にモートを取り付けることができます。これらのモートには、個々のワイヤ上の電力消費を検出する誘導センサーが搭載されており、ビル管理者は個々のコンセントまでの電力消費を確認できるようになります。建物内の電力消費量が多いと思われる場合、建物管理者はそれを個々のテナントまで追跡できます。これはワイヤーを使用して行うことも可能ですが、モートを使用するとはるかに安価になります。
- 生物学者は、位置や温度などを感知するモートが組み込まれた首輪を絶滅の危機に瀕している動物に装着することができます。動物が動き回ると、モートはセンサーからデータを収集して保存します。生物学者は、動物の環境にデータ収集モートを備えたゾーンまたはストリップを配置できます。動物がこれらのゾーンのいずれかに迷い込むと、首輪のモートがそのデータをゾーン内のアドホック ネットワークにダンプし、その後、そのデータが生物学者に送信されます。
- 高速道路上に100フィートごとに設置され、交通の流れを検知するセンサーを備えたモートは、警察が事故で交通が停止した場所を認識するのに役立つ可能性がある。配線が不要なため、設置コストが比較的低く抑えられます。
典型的なモテ
MICA mote は、研究者や開発者によって広く使用されている市販製品です。これにはモートの典型的な機能がすべて備わっているため、このテクノロジーによって今日何が可能になっているかを理解するのに役立ちます。 MICA モートは、 という会社を通じて一般に入手できます。これらのモートには、次の 2 つのフォーム ファクタがあります。
- 5.7 x 3.18 x 0.64 センチメートル (2.25 x 1.25 x 0.25 インチ) の長方形で、電力を供給する 2 本の単三電池の上に収まるサイズです。
- サイズは 1.0 x 0.25 インチ (2.5 x 0.64 センチメートル) の円形で、3 ボルトのボタン電池の上に収まるサイズです。
MICA モートは、4 メガヘルツで動作する Atmel ATmega 128L プロセッサを使用します。 128L は、モートのプログラムを保存するための 128 キロバイトのオンボードフラッシュ メモリを備えた 8 ビットマイクロコントローラです。この CPU は、初代 IBM PC (1982 年頃) に搭載されていた 8088 CPU とほぼ同じくらい強力です。大きな違いは、ATmega の消費電力は動作中にわずか 8 ミリアンペアであり、スリープ モードではわずか 15 マイクロアンペアであることです。
この低消費電力により、MICA モートは単三電池 2 本で 1 年以上動作します。一般的な単三電池は約 1,000 ミリアンペア時を生成できます。 ATmega は 8 ミリアンペアで、常時動作した場合、約 120 時間動作します。ただし、プログラマーは通常、CPU がほとんどの時間スリープ状態になるようにコードを作成し、バッテリー寿命を大幅に延長します。たとえば、モートは 10 秒間スリープし、数マイクロ秒間起動してステータスを確認し、その後スリープに戻る可能性があります。
MICA モートには、データを保持するための 512 キロバイトのフラッシュ メモリが付属しています。 10 ビット A/D コンバータも備えているため、センサー データをデジタル化できます。ドーターカード上の個別のセンサーをモートに接続できます。利用可能なセンサーには、温度、加速度、光、音、磁気が含まれます。 GPS信号などの高度なセンサーは開発中です。
MICA モートの最後のコンポーネントは無線です。到達距離は数百フィートで、毎秒約 40,000 ビットを送信できます。オフの場合、無線の消費電力は 1 マイクロアンペア未満です。データ受信時には 10 ミリアンペアを消費します。送信時には25ミリアンペアを消費します。無線電力を節約することがバッテリー寿命を長くする鍵となります。
これらすべてのハードウェア コンポーネントが一緒になって MICA モートを作成します。プログラマは、モートを制御し、特定の方法で実行するソフトウェアを作成します。 MICA モート上のソフトウェアは、 と呼ばれるオペレーティング システム上に構築されています。 TinyOS は、無線および電源管理システムを処理し、モート用のソフトウェアの作成をはるかに容易にするため便利です。
未来
2003 年 3 月、研究者たちはモートに必要なすべての部品を に詰め込むことに成功しました。合計の大きさは約 5 平方ミリメートルです。つまり、1 セント硬貨にこれらのチップが 12 個以上収まる可能性があります。
このチップには、CPU、メモリ、センサー データを読み取るための A/D コンバータ、無線送信機など、モートに含まれるすべてのコンポーネントが含まれています。センサー、バッテリー、アンテナを取り付けてパッケージを完成させます。チップが大量生産されると、チップのコストは 1 ドル未満になります。詳細については、「」を参照してください。
