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物联网征程初启与物联网之阻

——微软亚洲研究院常务副院长 赵峰

物联网征程初

要想让传感器真正“飞入寻常世界中”,它必须在体积、造价、能耗等方面进行“瘦身”,这样它才真正能够进入到物理世界。现在在我手边有一个黑乎乎的小匣子,只有鼠标的一半大。有位记者说这东西看起来像古老的BP机,不过BP机早就进博物馆了,但这个小匣子还将继续存在很久,而且还将经历“72变”,最终完全成为人们生活的一部分。

这个黑乎乎的东西就是传感器,也是我折腾了将近20年的小玩意儿,它被复制了1万多个,在微软3个数据中心的角落里“站着岗”,常年监控着机房内的温度和湿度。说起传感器以及由它组成的网络——传感网,或者是现在比较时髦的说法“物联网”,从其诞生到现在已经有几十年的历史了,我们先翻开历史的卷轴,看看其发展历程。

传感网的古与今

对于互联网来说,20世纪80年代是黄金时代,这段时间出了一个知名的人物——鲍勃·卡恩,他被人们称为互联网之父(被赋予同样称呼的人还有好几个)。在为互联网做出卓越贡献的同时,他也非常有远见地为另一个始于上世纪80年代的项目——分布式传感网(Distributed Sensor Net, 简称DSN)——做了奠基。在那个年代,传感器远比我手上的这个大得多,要用一辆卡车来拉。这么大的传感器作为一个个节点组织在一起,通过微波彼此相连,就组成了传感网。

庞大的传感器在体积方面跟不上人们对其功用上的期望,于是研究者们就开始思考能不能把它做得小一点、再小一点。于是,在上世纪90年代,“智能微尘”(Smart Dust)这个很有意思的概念出现了,提出者是Kris Pister,他是加州大学伯克利分校的教授。这一概念认为可以将计算和通信集成在约1~2平方毫米的超微型传感器中,用以对周围环境的参数进行探测。其核心的成分是微电机系统(Micro-Electro-Mechanical System, 简称MEMS;这个概念在当时引起非常大的轰动),该系统中可以集成很多和机械有关的传感器。

当时Kris Pister这批人有一个幻想——在蒲公英上面悬挂一个传感芯片,蒲公英飞到哪里就探测哪里的信号,再把信号传递回来。虽然只是一个假想,但当时真有科学家信心百倍地投入其中,并且还把所需的数据算出来了。比如有空气动力学专家计算出了芯片应有的重量等等。在2001年,加州大学伯克利分校的实验室真做出了这种理想中的芯片雏形,比米粒还小,可谓“细如发丝,薄如蝉翼”。

在这一时期,有三所高校和研究机构在传感器领域处于领军地位,一是加州大学伯克利分校(以Kris Pister为代表,他们提出了“智能微尘”理论),另外两个是加州大学洛杉矶分校(他们提出了“微无线技术”)和施乐帕克研究中心(Xerox PARC)。施乐帕克研究中心的团队主要由我带领,我们做的是传感信息处理和“智能物质”(Smart Matter),希望能把计算、微电机系统放到物理世界中,与“智能微尘”也有非常紧密的联系。

自本世纪初以来,对于传感的研究越来越受到人们的重视,有很多学校和大公司的研发机构开始进行了类似的研究,并有许多新兴公司借此东风异军突起。将传感器连接成“网”或“系统”,就成了传感网。除了传感网以外,类似的概念也相继提出,比如“Cyber Physical System”和 “Internet of Things” (简称IOT)。相较而言,IOT的概念在提出的初期更接近于日常生活,比如常见的RFID(射频识别)技术就是它的一部分。

关于传感网和物联网的历史,若从大的传感器开始算起,传感网诞生至今应有30年了;而若从微传感网(Micro Wireless Sensor Network)来说,应该仅有15至20年:微传感网始于上世纪90年代,那个时期的人们刚刚提出“微电机系统”的概念,试图把传感器和计算机处理和通信全部都集成在一个芯片上,即“智慧微尘”。

其实传感器的历史,归结起来就8个字——从大到小,以点到面。这8个字看似简单,但做起来却是困难重重——要想让传感器真正“飞入寻常世界中”,它必需在体积、造价、能耗等方面进行“瘦身”,这样它才真正能够进入到物理世界。

然而,造型的缩小并不是传感进入生活的唯一条件,还需要互联网技术的配合以实现从点到面的网际联系。就IP地址而言,物联网应采用IPv6(IPv4必然不够),它有128位两进制的IP网址数,这相当于给世界上的每个沙粒都赋予了一个IP地址。唯有当所有的物体都有一个属于自己的IP的时候,物联网才能真正实现。总而言之,物联网的实现需要这两方面的相辅相成:一是利用微处理技术(micro-fabrication),提高集成度;其二是运用IP技术,以提供足够丰富的网址。

感知地球

互联网作为一个产业革命的传奇和标本,人们总忍不住把传感网与之相提并论,希望互联网能成为物联网真正诞生的一架云梯:在互联网发展的前30年,其主要功能是把通信和信息网络化,使得我们可以用关键字检索。而今在信息网络化完成之后,接下来的主要挑战是如何将互联网和物理世界相互联系,使得物理世界中的因素(比如温度、湿度、图像、声音等)能够被存储标记和搜索,并能使得人们通过一种非常便利的方式获取这些信息,这就是所谓的物联网。

互联网是人与人之间的联系;而物联网是物与物之间以及与数字世界的联系,其核心是传感网,关键是传感器、网络和感知。温家宝总理在参观了无锡中科院物联网研究所之后,也高瞻远瞩地肯定了“感知中国”的科技畅想,并决心将物联网作为新兴产业制高点放进“十二五”规划中。我们相信一旦物联网成为现实,它将为我们的生活带来翻天覆地的变化,让人与物的联系不再受时空经纬的局限,比如在出门上班前就可以知道小孩的班车是不是已经到学校了;室外的温度、湿度如何;离家在外还能检查一下家里的煤气有没有关等等。如果你新到一个城市,你甚至还可以查找到有多少你所认识但久未联系的故知旧友与你共同生活在一个城市的天空下,他们都分布在那一方角落。

概而言之,我认为物联网将在以下三个领域发挥其显著的用途和价值:

自然生态环境:可以利用传感器监控空间而不是某个特定的物体,如关注某片空间的温度、湿度等;这需要很小的传感器的高密度分布,同时更不能影响环境(nonintrusive)。

工业、商业应用:可以利用传感器监测追踪特定物体,如监控货物在途中是否受过震动,温度的变化对其是否有影响,是否损坏其物理结构等等。可以应用到供应链管理、设备保存、车流交通、工厂生产等方面。

人类和社会活动:可以利用传感器监控人们日常生活中的行为。这在老龄化社会的医疗保健中可以得到很多应用,比如传感器可以监控老年人的生活作息,一旦出现意外,可以及时通知亲人和医生。同样的,也可以帮助母亲追踪自己的幼儿。有趣的是,在日本现在就有人用它来找回失踪宠物。

之所以先对未来物联网的应用领域进行介绍和分类,是因为我认为物联网能够得到发展的原因在于找到大规模的应用方式。拿一个互联网的例子来说,1985年我在麻省理工学院(MIT)读书时有个Email地址,那个时候Email还不像现在一样应用如此广泛,只是简单地代替传统邮件的工作。而在商用互联网发展起来之后,电子邮件的用途已远远超出通信了。对于物联网来说,前15年走过的路大多还比较窄,大都局限在学术研究中,还没有真正走入到人们的生活,远没有发展到人们生活离不开的程度。未来的这段路需要去探寻对人们生活有非凡意义的应用方式,这些应用能够真正大规模地解决人们生活中的问题,给人们的生活带来可感知的变化。

物联网之阻

要迎来一个具有变革意义的物联网时代,还需要跨越重重阻碍。

现在物联网的概念已经深入人心,大家都无比憧憬着一个具有变革意义的物联网时代的到来。但是,作为一个与传感器打了数十年交道的研究者,我不得不承认,物联网之路“道阻且长”,而我们才刚刚起步,这段万里长征有许多可以预知的艰难险阻等着我们,比如以下五个方面的问题:

大规模——可靠的物联网意味着大量且布置合理的传感器。从概率上来讲,成千上万个传感器中总有几个不工作,在这种情况下,如果一个系统的性能不是从100%降到0,而是可以发挥绝大部分的功能,那么这就是一个好的系统。但是实际上现在计算机还很脆弱,一台电脑在正常运转的情况下可以保证运算从头到尾都正确,但是当把多台这样的电脑放在一起形成一个系统时,往往会出现一些预想不到的故障。这和生物系统的原理完全不同:生物系统有很多的细胞,可以起到替代作用,即使每天都有很多细胞死去,但在生物体的水平上我们现在都还很健康的存在着。比如医学上发现大脑中一部分结构坏死,其附近的一些细胞可以替代它的工作,整个系统可以正常运转。对于传感器网络来说,其最好的状态就是可以形成一个类似生物学系统的体系,一部分传感器出现故障时,有其他的传感器可以替代,这就需要大的规模来保证。

标准化——传感器和其他相关部分毕竟还是互联网的一部分,需要与互联网进行有效连接,那么就需要标准化的组件和I/O接口。另外,交互界面(Interface)也需要标准化,大众最关注的是如何应用,并不需要完全熟悉传感器的复杂原理,只需要知道一个标准化的操作流程就可以了,比如在超市,只要把一个探测器放到物品上,一按开关就能够在电脑上搜索到有关该物品的所有信息,这就是交互界面的标准化——做到这种程度时也就意味着可以做大规模的普及了。值得一提的是,标准化也有利于大规模生产,就如同中国古代木质结构中的斗拱榫卯一样,经过标准化之后大量生产,从而构成亭台楼阁。

数据——和任何硬件一样,传感器做到最后,终归会被大批量生产,从而变成超市里的廉价品。但是在硬件之外,传感器收集到的数据可以有更多的应用。例如,可通过对身体状况的感知来推荐保健品,带来的广告收入想必非常可观。

数据这块蛋糕自然诱人,但吃到嘴里却并不容易。首先,获得这些数据的启动(Bootstrapping)过程并非易事:刚开始时数据很少,需要提供很好的应用方式,才能吸引人们提供更多的数据,进而获得更多更好的应用,以至于获得更多的收益。第二,数据的所有权(Ownership)问题不容忽视。我以前在施乐帕克研究中心的团队中有个很聪明的成员,他后来做了一家创业公司的副总裁,这个公司专门生产一种放在停车位下面的传感器,它用光亮和磁场对周围环境进行感应。技术完成后,他非常有成就感,并认为这将引起一场革命。若想在美国的一些大城市的市中心找到停车位是件令人焦头烂额的事情,安装上这种传感器之后,顾客可以在网上付费查询并预定空的车位,也能提高使用效率,并带来非常可观的收益。他的初衷是好的,但是现实却令他大失所望,因为他得到某些市政府的拒绝理由是,借由这些停车数据而获得的商业收益应该属于市政府的。第三,隐私(Privacy)是个大麻烦。一些传感器和我们生活的空间直接相关,比如放在我们手机里甚至身体上的传感器。

这就涉及到一个很重要的矛盾:一方面,传感器可以提供个人化的服务,满足个人的独特需求;但同时个人的隐私也因此受到曝光。互联网上已经出现了这种问题(比如搜索引擎所提供的个人化的历史提示),物联网也可能会出现类似的问题,甚至更严重,因为传感器感知的几乎完全都是个人化的内容,它会知道你每天看什么书、吃什么饭、见什么人。因此,如果要把传感器应用到个人的日常生活中,对隐私保护的重视是非常必要的。信息的有用性和私密性之间不得不要进行一场徒手博弈。当人们认为在过于公开的信息里自己的隐私受到威胁时,应该能够把相应的传感器关掉。

使用黏性(App stickiness)——以智能手机(比如带有Windows Mobile操作系统的手机)为例,人们喜欢它的原因就在于它的一些非常有吸引力的功能,人们会多次地使用该功能,而不是试一次就不用了。同样的,在物联网上的应用也应该具有非常大的吸引力,而不是只能引发人们一次性的使用。总之,物联网应该是一个漂亮的多次使用的环保袋,而不是一次性的白色污染。

生态系统(Eco-system)——对于物联网来说,需要多个领域的共同配合,比如硬件、固件(firmware)、软件、界面等等,这是一条很大的产业链,只有把一个完整的生态体系建立起来,物联网才能真正可持续的发展。以PC做类比,它就有一个非常完善的生态体系,硬件、软件、应用、兼容都有人来做,这个产业的发展就非常健康。

在上述五个方面中,数据无论如何都是最重要的,传感数据有着巨大的潜力,甚至有可能由于对数据的有效利用而产生又一家有影响的公司。

上世纪80年代,传感器要用卡车来拉;现在微软公司的数据中心里安装了成千上万个两三厘米见方的传感器,或许再做十几年,就真的有如灰尘一般大小的传感器在空中飘浮了,或者进入人们的身体,帮助探测血管阻塞等情况。

这些听上去有些像科幻小说,甚至你会认为有那么一点不切实际,但是科技的魅力正在于此,科学和艺术在想象力方面是相通的,因此我们对传感网的想象并不能因其遥远而被扼杀。尽管现在看起来不可能,但是也许过10年、20年就会变得可能;但如果没有人去尝试,那么不可能永远都不会变成可能。

因此,Dream a big dream,这话永远都不会错!