一、前言

      智能微尘（SmartDust）（图1）是以无线方式传递信息的超微型传感器，具有低成本、低功率等特征，尺寸目标定位在1mm及其以下，是美国加州大学伯克利分校UC.Berkeley在美国国防部高级研究计划局的资助下于1998年开始进行的一项研究[1]。1999年，UC.Berkeley的研究小组将其研制的智能微尘直径缩小到5mm之内。从图2中，我们可以看到，电池占据了智能微尘体积中的绝大部分，一旦功耗降低就可能进一步降低体积。2003年底，UC.Berkeley的研究小组推出了具有革命性的Spec微尘，它有完整的传感器和通信系统，但只有阿司匹林药片大小，其内部结构参见图3。

      智能微尘的应用范围很广，除了主要应用于军事领域外，还可用于健康监控，环境监控，医疗等许多方面。但目前仍存在一些技术瓶颈，限制了其向市场产品的广泛转化。

      二、定义

      智能微尘是指具有电脑功能的一种超微型传感器,它可以探测周围诸多环境参数，能够收集大量数据，并进行适当计算处理。每一粒微尘都是由电池、传感器、微处理器、双向无线电接收装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成（图3所示为spec微尘的结构原理图)。其中，电池为传感器提供正常工作所必需的能源；传感器用于感知、获取外界的信息,并将其转换为数字信号；微处理器负责组织协调节点各部分的工作,如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存,控制感知部件和电源的工作模式等；无线部件负责与其他微尘通信；软件给传感器提供必要的软件支持,如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等，通过编程来实现各种不同的功能。

      三、发展状态

      目前绝大多数智能微尘为微机电系统(MEMS)。智能微尘最终的目标是把无线部件、网络、传感器和处理器部件集成在单块芯片上。近几年，由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信技术和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能微尘能够仅依靠微型电池就能工作多年。

      1、智能微尘监测网络数据融合技术[2]

      数据融合(DataFusion)的基本目的是通过多种传感器采集的原始数据进行智能化综合处理以获得比单一传感器更多的信息。将一些微尘散放在同一个场地中，它们就能够相互定位组成网络，收集数据并向基站传递信息。在多智能微尘数据融合中，由于多微尘协同工作，即使个别微尘受到干扰而功能失常或失去对目标的覆盖，通过设计正确的数据融合算法，其他微尘会对其进行修复或重新创建新的网络。从而使系统的鲁棒性增强，信息的置信度提高。数据融合技术还可用于扩大网络的时空覆盖区域、减少测量数据的模糊度、改进系统的检测性能、提高空域分辨率、增加测量维数（除空间和时间坐标外，还有目标运动频谱，目标电磁特征等）。

      2、智能微尘监测网络介绍[11]

      1997年，加州大学计算机科学教授KrisPister根据摩尔定律认为传感器构成的微小网络最终能够实用化，到时候空调能够在人离开房间后自动关闭，自习室在同学们离开后会自动关灯等。智能微尘监测网络起源于冷战时期，为了实时监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器来收集信息。近年来，随着无线通信、微处理器、微型机电系统（MEMS）、微型电池等技术的发展，智能微尘监测网络的设计能够得以实现。

      一组微尘以AdHoc（自组织）方式组成智能微尘监测网络（如图4），可以自我组织、自我维持、协同工作，用以监测四周环境（如温度和湿度等）参数，然后利用双向无线通信装置将这些数据在相距1000英尺微尘器件间往来传送。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并传递给观察者。不同智能微尘采集的数据通过每个微尘中的收发器和嵌入式系统构成了基于本地分析、分布控制的智能微尘网络。智能微尘监测网络的特点是任意两个微尘物理上不相联,但能共享网络上的数据。

      AdHoc网络也称为自组织网络[1]，是一种自创造、自组织和自管理的网络。它不需要基站，所有的节点分布式运行，同时具有终端和路由器的功能，可接收或转发分组数据。AdHoc网络作为无线接入网，广泛应用在战场、地震、泥石流、水灾和偏远地区的救援行动等。

      四、智能微尘技术的瓶颈及其突破

      虽然研究人员和商业开发者们都渴望智能微尘技术能积极推广应用，但智能微尘在尺寸、供电、运输等方面仍存在技术难题，技术还没有成熟，广泛应用估计还需要几年时间。研究者们在将MEMS与其他电子器件集成到单一芯片的过程中遇到了严峻的挑战，这需要杰出的、具有超凡的攻关能力的设计工程师来把所有功能集成到单一芯片内。两年内有可能把几个功能半导体集成到一个半导体上。一些研究者们一直在努力开发先进的设计工具以帮助工程师们最终完成这项艰巨的研究任务。当前研究者们的主要目标是如何将5mm级的微尘芯片缩小到1mm。卡内基梅隆大学MEMS实验室的联合创始人之一Fedder试图利用最新的制造工艺与最先进的设计技术解决这些难题，但要取得突破还有大量的工作要做[8]。

      至于供电，当前这些系统的测试或应用都要靠微型电池供电。比较理想的情况是，未来能随意部署这些无线微尘器件，而无电能之忧。UC.Berkeley的ShadRoundy研究的燃料电池可以大大延长供电时间，该燃料电池可以吸收周围工业机械设备振动时所产生的能量，或者从低度光源收集能量，这种技术有望在5年内有所突破。另外可以采用软件“休眠”技术及开发低功耗专用布线协议来延长供电时间[8]，以便能用最少的能量实现微尘之间的信息传输。过去两年里，UC.Berkeley和MIT已经开始对这样的能源供给问题展开了研究。现在还没有找到一个一揽子解决方案，但近期内无线智能微尘的供电和尺寸两个问题都可望有所突破。运输方面有人设想用一种直径2mm、高仅9mm的微型火箭来“运载”智能微尘到指定地点，这种有效载荷为1mg的微型火箭将在10s内产生2g的加速度。有研究者正在设计微型的“电子晴蜓”携带微尘进行远距离抛洒。

      五、应用领域

      1、现代化军事领域

      智能微尘监测系统具有获取多方位信息、隐蔽性强、与探测目标近距离接触等优势，可以部署在战场上。这种无线远程传感器芯片能够跟踪敌方军事行动，可被大量地装置在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的运动自然一清二楚。智能微尘还可以用于防止生化攻击?D它可以通过分析空气中的化学成分来预告生化攻击。将智能微尘从潜水艇或船上释放,智能微尘网络能监测水面和水下的各种参数。此外，智能微尘还有许多具体的军事应用。

      美国国防部希望在战场上放置这种微小的无线传感器，以秘密监视敌军的行踪。五角大楼在四年以前就已经把它列为一个重点研发项目。如果像美国预想的那样，将智能微尘用在战场上，美国的军事实力又将与其他国家再度拉开距离。

      2、防灾与大气监测领域[4]

      美国加州大学的斯蒂夫?格拉泽教授正在研究用智能微尘驯服California的森林火灾，它可能会用于发生森林火灾时通过从直升机飞播温度传感器来了解火灾情况。作为进一步的应用，智能微尘监测网络将用于调查北太平洋海洋板块的华盛顿大学“海洋项目”及美国正在推进的行星网络项目中。用气球或风筝可将智能微尘布放在预定位置，它将可以用于对大气运动、气体成分等监测，对气体污染成分、程度进行监控。

      3、建筑物安全检测

      使用安装有地震加速计的智能微尘，可以探测建筑物支撑梁的细微移动，并判断地震后的建筑物是否可以安全进入。一旦这项技术成熟并被使用，法国戴高乐机场的坍塌事故可能就不会发生了。如日本、我国台湾等地震多发地区以及泥石流多发地区的监控可智能化，事故处理更科学化更有效率。

      4、远程健康监控及医疗应用[5]

      通过这种无线装置，可以定期检测人体内的葡萄糖水平、脉搏或含氧饱和度，并将信息反馈给本人或医生。将来可用智能微尘来监控病人、小孩或老年人的生活，在他们生活的环境中布满各种各样的微尘监控器，如嵌在手镯内的微尘会实时发送老人或病人的血压情况，地毯下的压力微尘将显示老人的行动及体重变化，门框上的微尘将了解老人在各房间之间走动的情况，衣服里的微尘将送出体温的变化，甚至固定于抽水马桶里的微尘可以及时分析排泄物成分如尿糖含量、微量元素含量等并显示出有无病症……。这样，他们即使单独一个人在家也是安全的。中国即将步入老龄化的社会，此项研究有广阔的市场应用前景。

      INTEL正在研究通过检测压力的“SmartSocks”来预测初期溃疡，以及通过检测伤口化脓情况来确定抗生物质是否有效的“智能绷带”[10]。智能微尘将来可以植入人体内，为糖尿病患者监控血糖含量的变化提供帮助。糖尿病人可能需要看着电脑屏幕上显示的血糖指数才能决定合适自己的食物。需要做胃镜患者只需吞下一颗米粒大小的微尘就可以在电脑里看到自己胃肠中病情发展状况。智能微尘可能会给我们的生活带来彻底的改变。

      5、大面积，长距离无人监控

      我国西气东输及输油管道要穿越大片荒无人烟的区域。传统的人力巡查这些无人区是不可能的事，而现有的多种管道监控产品，往往复杂且昂贵。智能微尘的成熟产品可以布置在管道上实时地监控，一旦有破损或恶意破坏都能在监控中心实时了解到。仅西气东输这样的一个工程就可带来上亿元的资金节省。

      在电力监控方面，因为电能一旦输送出就无法保存，因此，电力管理部门一般都会层层要求下级部门定期上报该地区用电量，但用电量的随时波动使数据误差很大。如用智能微尘来监控每个用户的用电量，问题就将迎刃而解。智能微尘的应用使美国California一年省下7亿~8亿美元的电费。

      6、一些新问题

      智能微尘的应用不胜枚举，但它可能带来的负面影响同样不容忽视。一只背上粘了一小颗智能微尘的蟑螂一旦进入你家，有成为监视你一举一动的“狗崽”。在智能微尘面前，个人隐私将不复存在。一旦每枚智能微尘的价格下降到1美元以下，任何一家企业或个人都有能力布设多种监控点对别人进行随意的监控，探测他人隐私，刺探公司商业秘密，使正常的商业秩序变得一团糟。如果有人在ATM旁放几粒微尘，你提款的时候可能就已经把账号和密码告诉了别人。抛撒微尘所产生的环境污染，安全漏洞等问题同样不容忽视。

      六、发展趋势与应用前景

      智能微尘是未来高新技术之一，其构成的监测网络可以部署在地球的任何地方,对任何目标进行低能耗、低带宽长时间监测[2]。它能够仅依靠微型燃料电池或太阳能电池就能工作多年。成熟的智能微尘产品甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息。具体的应用有：监视重型油轮内机器的震动，感应工业设备的非正常振动来确定制造工艺的缺陷，检测杂货店冷冻仓库的效率信息，监控超市的商品消耗量，作交通流量监测器，动物种群研究应用，全球定位系统,在拥挤的闹市区可用作交通流量监测器，在家庭则可监测各种家电的用电情况以避开高峰期等，智能微尘技术潜在的应用价值非常之大。

      智能微尘体积将更小，组网技术将更灵活，或许微尘成为新一代的超小型电脑。美国Intel、Motorola等多家公司已经参与了智能微尘的研究和开发，我国尚无学者对此领域进行比较深入细致的研究。智能微尘技术将于几年内趋于成熟，在国民经济、科学研究与探索、生产与生活等众多领域中，智能微尘及其监测网络将广泛应用。目前，专注于智能微尘的DustNetworks和Crossbow等公司已经把智能微尘装配到系统中[6]，每个微尘费用为25到125美元。随着微尘技术的逐渐成熟，微尘器件的价格将大幅下降，预计5年之内将降到1美元左右，这预示着智能微尘具有极广阔的市场前景和商业价值。随着智能微尘的大量使用，传统意义上的监控系统和监测手段将发生革命性的变化。