构建可联网的智能协作对象

### 构建可联网的智能协作对象 #### 1 引言 构建智能对象是一个复杂的过程，尤其是需要本地“智能”和嵌入式传感功能时。目前市场上有许多形式的“小工具”，像任天堂Wii，其市场的快速增长表明人们对“智能”行为和“智能对象”有需求，前提是附加值清晰、价格合理且可靠。 如今，解决创建智能环境挑战的研究越来越以用户为中心。用户驱动的研究必须与技术创新同步发展，因为目前可用的技术可能无法满足所有需求。例如“消失的计算机计划”，它旨在推动信息技术融入日常物品和环境。其中的“外向小工具（eGadgets）项目”，就是积极开发智能对象原型的项目之一。 #### 1.1 外向小工具项目 eGadgets是一个为期三年的研发项目，有三个学术合作伙伴，分别是希腊的计算机技术研究所（CTI）、爱尔兰的国家微电子研究中心（NMRC，现称为廷德尔国家研究所）和英国的埃塞克斯大学。项目目标是提供一个技术框架，帮助普通人组合、重新配置或使用通过无线网络通信的计算能力日常对象系统。 该项目采用动态的“即插即用”方法，使用具有换能器增强功能的实体对象，类似于系统构建者用组件设计软件系统。它开发了一个平台，用于增强日常物品的智能和通信能力，如厨房电器、娱乐设备、供暖、照明和安全系统，甚至服装和家具。项目的一个关键成果是一系列实用原型，揭示了将分布式传感器和计算处理器集成到日常物品中的挑战。 项目的主要演示器是“用户研究环境”，但在实现过程中面临诸多实际障碍。预算有限，硬件系统开发能力不足。在eGadgets项目之前，NMRC研究人员提到的“系统”通常指包含单个传感器和相关电路的硅平台。而在eGadgets中，硬件系统是完整的小工具实现，包括无线通信、传感器阵列的物理集成和数据管理的计算能力。 最终完成的eGadgets演示器硬件平台约100×100mm，支持每个板上超过二十个传感器设备，包含微控制器和FPGA芯片。许多传感器是简单的物理传感器，如光敏电阻和倾斜开关。该演示器主要作为概念验证，为传感器和系统集成提供了见解。 为了创建合适的传感器接口，需要开发调查工具包。这不仅有助于将现成的传感器、处理器和收发器转化为研究工具，还能让研究项目从更广泛的系统视角中受益。廷德尔国家研究所通过无线传感器网络（WSN）开发了25mm的廷德尔节点，提供了支持复杂传感器的多功能接口。 #### 1.2 问题陈述 工具包的核心是简单处理器、低功耗收发器和微传感器，其关键要求是用于研究传感器/执行器子系统的有效封装技术。目前的重点是实现10mm、5mm甚至1mm的节点，以挖掘微/纳米传感器的潜力。 然而，在eGadgets项目中，一个持续存在的硬件系统挑战是：如何将分布式传感器集成到日常物品中？尽管工具包支持调查过程，但不能认为随着传感器节点功能增强和尺寸缩小，正确的集成方法会自然出现。例如，通过工具包方法构建的传感器节点形状往往受硅和印刷电路板制造的几何形状影响，倾向于立方体。 #### 1.3 使用增强材料的智能对象 材料技术、传感器和处理器小型化、能量收集和上下文感知软件的进步，使得构建“增强”材料成为可能。这种材料包含计算智能和通信功能，可直接用于构建智能制品。但要完全实现增强材料，还需要大量研究。 增强材料的最佳设计将作为更大异构系统的一部分发展。某些功能和硬件子系统不会包含在材料基础设施中，如精确惯性测量，单个准确的惯性测量单元（IMU）从成本和性能角度看是更有效的解决方案。因此，在对象组装过程中，需要安装子系统，这可视为对象和底层增强材料的“编程”，需要“整体智能制品设计”过程。下面通过构建智能桌子的案例研究来进一步探讨。 #### 2 构建智能对象 本案例研究聚焦于一张桌子。桌子设计的目标是，一旦有了增强材料，就可以通过“编程”方式从增强材料组装而成。目前的桌子由木材制成，可以完全拆卸并重新组装成平板。 以下是智能桌子的组装步骤： |步骤|操作| | ---- | ---- | |1|使用部件（10 - 25）构建四个空心桌腿，每个桌腿由4块木头用螺丝连接，每个桌腿有一个顶部部件，确保四个导向孔在桌腿同一端。| |2|使用木材支撑件（4, 5）连接四个桌腿，用固定装置和螺丝将桌腿与支撑件连接，每个固定装置用6个螺丝。| |3|使用固定装置和螺丝将每个桌腿连接到三角形角支撑，在框架顶部角落放置木材平台并用螺丝连接，增加结构稳定性。| |4|用螺栓将称重传感器连接到每个角部件，确保沉头安装在沉头孔中，使表面平整，然后将桌面放在框架上。| 这张桌子在宏观和微观层面都为增强研究提供了焦点。在宏观层面，添加了一些传感功能，如通过四个称重传感器确定放置在桌面上物体的重量和重心位置。在微观层面，开始评估网络方法，以确定如何将网络部署和后续行为与这种桌子相结合。 #### 3 智能桌子的系统设计 ##### 3.1 可扩展分布式负载传感 采用可扩展方法构建分布式负载传感系统，无线传感器网络（WSN）在其中起着关键作用。为了在不使传统处理基础设施不堪重负的情况下管理大量传感器数据，将传感器网络和嵌入式传感技术结合，构建一个靠近被感测现象工作的自主系统，允许在本地做出控制决策。 本实验重点是将无线传感器网络与负载传感子系统结合，并将该系统应用于“智能桌子”。相关工作参考了Schmidt等人的论文，他们通过嵌入式称重传感器系统识别测试桌上负载的重量和位置。本实验复制了部分工作，但使用传感器网络代替集成处理平台，以实现系统的可扩展性。 ##### 3.2 负载传感实验 本实验的目的是确定智能桌子上分布式负载传感系统的灵敏度