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嵌入互联网:介绍

对大多数人来说，今天的互联网是一个惊人的技术奇迹。但未来的网络计算系统将达到一定程度的复杂程度和功能，相比之下，今天的互联网将显得很原始。虽然互联网创造了一个与我们的物理世界分离的新的网络空间，但技术进步将使我们的日常生活中无处不在的网络计算成为可能。这种无处不在的力量将从嵌入物理世界的计算和通信，即具有传感和通信能力的嵌入式设备，使分布式计算成为可能。

有了这种能力，我们将开始看到计算技术在今天不常见的环境中的应用:家庭中的设备和设备网络;忠实捕捉实验室中的科学实验;以及自动化的全天候病人健康监测我们已经看到了这些应用所必需的技术进步的要素:更快、更小、省电的处理器;更大更便宜的计算机内存;以及为此类设备量身定制的早期软件。我们不知道，其中一些技术已经在我们的生活中无处不在;令人震惊的是，地球上98%的处理器不在传统的台式计算机系统中，而是在家用电器、汽车和工厂车间的机器中。如果我们要添加两个简单的技术-可靠的无线通信和传感和驱动功能，非常有趣的应用场景成为可能。

华盛顿大学的盖塔诺·博列洛和施乐帕洛阿尔托研究中心的罗伊·万特指出，这些应用甚至比受过教育的观察者所能想象的更接近实现。行业联盟，如Bluetooth和HomeRF，已经在为嵌入式设备的无线网络设计标准。近年来，基于微机电系统(MEMS)的传感器已被添加到汽车中。软件供应商正在推进嵌入式计算机网络的命名和目录服务标准。Web已经提供了一个标准接口，可以利用该接口集成从这些嵌入式系统获得的数据。

当每个人拥有成百上千台计算机时，全新的挑战在等待着我们。

英特尔公司首席科学家、美国国防高级研究计划署信息技术办公室前主任大卫·特纳豪斯(David Tennenhouse)写道，这样的应用将使我们达到人/机器/网络的“断点”，在这个断点上，计算机的数量大约等于地球上的人口数量。在此基础上，假设每个人拥有数百或数千台计算机，那么全新的挑战将等待着我们。我们将能够“获得物理”(准确而紧密地测量我们的物理环境)，“获得真实”(摆脱交互计算强加的计算范式)，以及“摆脱”(将人类从今天交互系统强加的低级决策责任中消除)。Tennenhouse呼吁计算机科学界将一些研究和教学工作集中在物理嵌入计算过程中的问题上。

“分布式微传感”就是远远超出人/机/网络断点的一个例子。未来的嵌入式设备可能具有多模态环境传感能力，包括声学和地震传感，甚至微型相机。将这些传感器联网，使它们能够在更大的传感任务中相互协调，将彻底改变许多这种情况下的信息收集和处理。大规模的、动态变化的、健壮的传感器群将可部署在偏远的地理区域和有毒的城市位置等不适宜居住的物理环境中。它们还将使低维护的传感技术能够应用在更温和但更不易进入的环境中，包括智能家居、大型工业工厂、飞机内饰等。

低功耗无线传感专家、Sensoria公司的联合创始人G.J. Pottie和W.J. Kaiser强调，从信号处理、功率效率和理论上的通信限制等多个角度来看，传感器网络同时也是分布式计算机系统的架构比今天的集中式传感器系统更有意义。但设计分布式传感器网络并非没有挑战。从低功耗电路设计到允许健壮的大规模协调感知的网络协议，传感器网络打开了各种迷人的研究领域。

例如，如果这些传感器是自主移动的呢?这个额外的自由度将揭示非常有趣的可能性。一群机器人可以迅速分散，绘制有毒物质泄漏或城市灾区的地图。操作员可以与机器人进行交互，有选择地收集详细信息，帮助制定恢复策略。从机器人的角度来看，有几个值得注意的挑战:机器人必须能够计算自己的位置;机器人团队必须能够有效地分散并监视被监视的物理区域;多个机器人可以集体识别环境特征，并绘制地图来指导救援队伍。

Gaurav Sukhatme和Maja Matari写道，设计这种能力的关键挑战是他正在处理传感器读数的不确定性以及机器人和环境中其他实体行为的不可预测性。如果不恰当地解释，不确定性可能会引发，比如说，机器人群中不想要的行为，所以所有的机器人都发现自己聚集在一个位置。Sukhatme和Matari靠近支持与地方决策进行分散协调，以实现预期的全球目标，这是本期几篇文章的核心设计主题。

这些愿景有可能在未来5到10年内实现，它们大多基于芯片制造、无线电和传感器设计方面可预见的进步。一个更激进的预设是允许简单计算、通信和传感的微加工技术。但我们能用沙粒大小的嵌入式设备做什么呢?我们能用细胞工程技术来制造分子逆变器吗?例如，如果单个细胞具有简单的计算和感知能力，我们能够以有趣的方式将它们连接起来吗?这种进步可能会导致计算增强的材料，如智能油漆，可以报告天气状况和不寻常的建筑压力。

这些都没问题，Hal Abelson等人写道，他们大多来自麻省理工学院人工智能实验室，但我们如何为智能油漆编程呢?他们认为这种“无定形计算”迫使我们从根本上重新思考编程抽象，以及我们如何组织计算元素。特别是，他们主张我们应该对每个单独的元素进行编程，以执行非常简单的任务(例如维护和传播信息“标记”)，并且只与相邻的元素交换信息。如果设计得当，这种简单的计算和本地通信可以导致可预测的集成行为，即使是在单个元素出现故障的情况下。

不管未来无处不在的计算世界的互补愿景中哪一个最先出现，当它们显现出来时，我们预计计算、通信和整个世界都将被即将到来的嵌入式互联网设备革命所深刻改变。

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