工业互联网 传感器行业的巨大机遇

【编者按】传感器在我们的生活中已无所不在，这是因为它们也遵循摩尔定律：传感器一直在变得更小、更便宜、更强大。陀螺仪和加速计现在已经是智能手机的标配，但几十年前，它们还都是体积庞大、价格昂贵的设备。因此在过去，这类设备的应用仅限于为宇宙飞船或导弹导航。同时，随着微电子设计、能源和电磁波谱管理的不断发展，即便是成本不到1美元的芯片，也能将一个传感器阵列连接到一个低功率的无线通信网络中。

一个充满传感器的世界将会如何改变我们所见、所闻、所思和生活的方式?这里有一个有趣的实验：请你试着数数，现在有多少传感器围绕在你身边。你的计算机上有摄像头和微型麦克风，智能手机中有GPS传感器和陀螺仪，健身追踪器中有加速计……如果你在一个现代化的办公大楼上班，或住在新装修的房子里，传感器会不断探测你的行动以及周围环境的温度和湿度。

传感器在我们的生活中已无所不在，这是因为它们也遵循摩尔定律：传感器一直在变得更小、更便宜、更强大。陀螺仪和加速计现在已经是智能手机的标配，但几十年前，它们还都是体积庞大、价格昂贵的设备。因此在过去，这类设备的应用仅限于为宇宙飞船或导弹导航。同时，随着微电子设计、能源和电磁波谱管理的不断发展，即便是成本不到1美元的芯片，也能将一个传感器阵列连接到一个低功率的无线通信网络中。

这个巨大的传感器网络所产生信息量会庞大到不可思议，但其中绝大部分信息对我们来说都是不可见的，似乎被一道无形的墙围了起来，只有特定设备的特定程序(比如调节恒温器，或者记录你每天走了多少步的应用程序)，才能访问并使用这些数据。

如果我们能消除这种界限，计算机和通讯行业都将会发生重大变革。一旦我们开发出相关的通讯协议，允许设备和应用程序之间进行数据交换(目前已经有人在做这件事了)，那么任何程序都可以获取任何器物中的传感器的数据。如果这一设想得以实现，那么马克·魏泽尔(MarkWeiser)在23年前的那篇《21世纪的计算机》(发表于1991年9月的《科学美国人》)中所预言的普适计算时代(ubiquitouscomputing)，就会成为现实。

普适计算时代的来临不会是渐进式的，我们相信这将会是一个革命性的转变，正如互联网的迅猛普及。在谷歌地图、推特等手机应用上，以及推出这些应用的那些行业巨头上，我们已经看到，普适计算的革命性转变已经开始萌芽。但是，只有当各种设备都能从无处不在的传感器上获取数据时，技术创新才会出现爆炸式的增长。环境信息的整合者，将成为下一批市值达到10亿美元级别的科技公司，它们会利用我们身边的传感器产生的数据，开发出全新的应用程序。

要预测普适计算以及传感器数据将对我们的日常生活产生何种影响，其难度不亚于在30年前预知互联网络将会如何改变世界。幸好，我们可以用“媒介理论”作为参考：上世纪60年代，通信理论学家马歇尔˙麦克卢汉说过，电子媒体(主要是电视)将会成为人体神经系统的延伸。如果麦克卢汉今天还健在的话，不知道他会怎么看待传感器的普及。当传感器变得无处不在，当它们收集到的数据能以全新的方式成为人体感官信息的一部分，人类感知的边界将在何处?当我们的感知不受时间、空间和尺度的限制，我们又该如何定义“存在”的概念?

可视化的传感器数据

我们利用所有的感官来认知世界，但对于大多数数字信息，我们只能用移动设备上的、小块的二维屏幕来显示。因此，我们受困于信息瓶颈，这并不是什么新奇的观点。在这个信息爆炸的时代，我们发现自己越来越无法维持在这个世界中的存在感了。然而，只要我们能够学会正确利用这些庞大的数据资源，希望的曙光就将出现。因此，我们在麻省理工学院媒体实验室的团队花费数年时间，致力于将传感器网络收集的信息转换成人们熟悉的“感官语言”。

当年，网景(Netscape)浏览器为我们提供了一个访问互联网庞大数据的渠道，我们正在开发的软件浏览器能帮助我们获取并利用即将涌来的传感器数据洪流。目前用来开发这类浏览器的最佳工具是一款名为Unity3D的视频游戏引擎，通过这款引擎，数百万名游戏玩家可以在不断变化的三维环境中进行实时、快捷的互动。我们则利用它开发了一款名为DoppelLab的应用程序，能够接收环境中所有的传感器数据流，并将数据转化为图像形式，投射在建筑物的三维模型上。以多媒体实验室为例，DoppelLab会收集整座大楼的传感器数据，并将这些数据实时呈现在计算机显示器上。只需观察屏幕，用户就可以随时浏览每个房间的温度、访客及人员的活动，甚至乒乓球在智能球台上的位置。

除了对数据进行可视化处理，“双重实验室”还能将大楼中所有麦克风采集到的声音汇总到一起，创建一个虚拟的声音环境。当然，为了保护隐私，传感器会在传输声音之前，对音频信息进行处理。经过处理后，声音里的信息是无法理解的，但保留了环境的背景音和说话者的声音特质。“双重实验室”的使用者还可以查找过去某一时刻的信息——使用者可以从各个角度观察某一时刻的情形，或者通过快进，查看不同时间尺度的数据，从而发现日常很难发现的周期性现象。

“双重实验室”一类的浏览器软件有许多直接的商业价值——例如可用于安装了多种传感器的大型建筑的虚拟控制平台。以往，当大楼管理者想要追踪暖气系统的问题时，他必许整理并查看大量表格和图表，对异常的温度数据进行分类归纳，才有可能最终找到问题的根源。如果使用“双重实验室”，管理者可以及时了解所有房间的当前温度和设定温度，快速发现温度异常的楼层或房间。此外，规划者、设计人员和居住者可以了解大楼内基础设施的使用情况，以及楼里的人们什么时候会聚集在一起，通常会聚集在哪里，如何改变人们的工作或交流方式?

不过，我们开发“双重实验室”，并非出于商业目，而是为了探索一个更宏大也更有趣的问题：普适计算将会如何改变“存在”这个词的基本含义?

重新定义“存在”

随着传感器和计算机技术的不断发展，虚拟旅行或将变成现实，实时“存在”于遥远的某个地方也成为可能。到那时，“这里”和“现在”这两个词，也许会有新的含义。我们在蒂德马什农场开展了名为“实境观测站”的项目，目标是带领实体和虚拟访客体验不断变化的自然环境。我们计划在“实境观测站”的基础上，结合“双重实验室”，来探索“存在”这个词概念的变化。

自2010年以来，在政府与民间环保组织的共同努力下，美国马萨诸塞州南部250英亩(约101公顷)的蔓越莓沼泽，已经被改造成一个受保护的沿海湿地系统，统称为蒂德马什农场，我们的同事格洛里安娜·达文波特是农场的共同拥有者之一。达文波特在多媒体实验室中主要研究纪录片未来的发展，她有一个很好的想法，就是在环境中布置多种传感器，自动拍摄“纪录片”。在她的协助下，我们正在开发一个能记录生态变化，并允许人们体验这些信息的传感器网络。在蒂德马什农场，我们架设了数百个无线传感器，用来测量温度、湿度、水分、光、运动、风、声音、树干液流，以及多种化学物质的浓度水平。

借助于高效的电源管理方式，这些传感器只靠电池就可持续工作数年。其中，某些传感器会使用太阳能电池，其功率的提升可以满足音频传输的需求——甚至包括微风、鸟鸣，以及雨滴落在树叶上的声音。我们的同事还在蒂德马什农场安装复杂的生态传感器，比如水下光纤温度表以及可以测量水中溶氧含量的设备。所有这些数据都会传输到服务器上的数据库中，用户可以通过不同的应用程序，查询和使用这些数据。

应用某些程序，生态学家可以查看沼泽中的环境数据。还有些程序则是专门为普通用户设计的。比如，我们正在开发一款类似“双重实验室”的浏览器，可以通过任何联网的计算机，访问虚拟的蒂德马什农场。在这个虚拟农场中，我们对沼泽的地貌进行了数字仿真模拟，生成了虚拟的树木和植被。同时利用游戏引擎，加入了由传感器收集到的噪声和数据，让你在不同的位置，听到不同的声音，获得身临其境的感受。作为虚拟体验者，你可以在沼泽上漂浮，倾听身边的响动;或是探索不同的区域，感受环境的变化;抑或潜入水底，聆听水下麦克风收集的声音。真实环境中的风也会被传感器侦测到，并转化为数字信号，吹动虚拟丛林。

“实境观测站”只是一个展示性项目，而并非实用系统的原型。但我们不难想象在现实生活中应用的场景。比如，农民使用类似的系统，可以查看大量的传感器数据，随时追踪农场中的湿度、农药、肥料情况，甚至动物活动。而市政机构则可以对风暴、洪水等自然灾害进行跟踪，寻找处于危险中的人群，及时提供帮助。实际上，对于我们的日常生活来说，这种技术并非遥不可及。我们早已习惯在外出用餐之前先使用Yelp(美国类似于“大众点评”的软件)查询餐厅的评价。未来，这类软件也许还会让我们看到餐厅里的环境情况(是否吵闹，是否拥挤)。

这种可以实现远程“存在”的方式，或许已经接近于时空穿越了。我们经常会在旅途中会打开“双重实验室”，只是为了听听大楼里的声音，感受一下实验室里的活动。这种体验，让我们有了家就在身边的感觉。同样，路途中的游子们，也可以通过这种技术，瞬间“回到”在家中，并和家人一起，共度美好的时光。

感知的延伸

有一点是毋庸置疑的，可穿戴设备将会在下一波计算大潮中扮演至关重要的角色。在我们看来，可穿戴计算机与传感器具有天然的互补性，两者可以完美结合在一起，成为人体感知能力的补充和延伸。

多年来，研究人员一直在不断尝试，将可穿戴传感器和制动器作为人体的辅助设备，把传感器数据传输到人体的感知器官，这个过程叫做感知替换。近年来的许多研究都显示，神经可塑性确实存在——我们的大脑可以适应新的刺激，也就是说，传感器有可能作为“额外感觉器官”，融入我们的感觉系统。不过，要把传感器网络的数据，与人类的感知体验有机结合在一起，我们还有很长的路要走。

我们相信，要发挥可穿戴设备的最大潜力，提升人体的外部感知能力，面临的一个关键问题是，如何更好掌控穿戴者的注意力。今天的高科技可穿戴设备，如谷歌眼镜，其功能就像一个第三方的服务中介，会根据周边环境，为我们提供相关的信息，或为我们推荐一些服务(比如用户经过电影院时，会推荐近期热播的大片)。但是，这些“建议”经常会毫无征兆地突然跳出来，之前没有任何预示。这种机械式的建议方式让人十分头疼甚至厌烦，但在我们的神经系统里，类似情况是绝对不会发生的。我们的感知系统让我们能动态处理不同的外部刺激，过滤掉那些与当前关注的事物无关的刺激。我们正在进行相关实验，以了解可穿戴设备能否像人类大脑一样，将注意力集中在重要工作上，同时对周围环境保持一定的关注度。

我们的第一个实验是要确定，在实际应用中，可穿戴设备能否分辨出使用者正在聆听哪一组声源。我们希望利用这个实验获得的结果，能让用户仿佛身处自然环境中，可以“不经意”地听到周边环境发出的各种声音，就像我们在蒂德马什农场中做的那样。想象一下，最初你的注意力集中在一个遥远的湖心小岛上，然后慢慢地，你开始听到远方的声音，这种感觉就像你可以随心所欲地调整听觉的灵敏度(在现实中，我们的耳朵不可能听到那么远的地方传来的声音)。再次进入想象的世界——你正沿着一条小溪散步，但水底的声音却可以清晰地传入耳中，偶一抬头，就会听到枝头鸟儿的歌声飘来。这种数字化信息的传输方式将成为一个重要的里程碑，未来人体的感知器官和传感器网络极有可能通过信息流，实现相互之间的连接。或许在不久的将来，这一设想将由植入人体感觉器官或神经系统的传感器来实现。我们希望这些设备及其提供的信息，能够作为我们现有感知能力的补充，而非取代它们。

美梦还是噩梦?

对于包括我们自己在内的许多人来说，我们刚刚描述的世界似乎让人觉得有些毛骨悚然。对“存在”的重新定义，代表我们与环境的关系，以及我们与他人的关系都不得不发生改变。更令人担心的是，普适计算对于个人隐私产生的巨大影响。但我们仍然相信，在科技进步的同时，我们可以采用很多方法来保护自己。

10年前，我们的研究团队曾经开展过一个项目，马特˙莱伯维兹在媒体实验室里架设了40个摄像头和传感器。他为每一个节点都设计了一个巨大的开关，使用者可以轻易发现并关闭传感器。在现今的世界里，摄像头、麦克风等传感器几乎无处不在，就算有开关，也很难一一关闭。我们必须有更加有效的解决方法。

其中的一个解决方案是，让传感器可以对环境和人的个体偏好做出响应。几年前，我们团队的成员龚南葳就在这个方向上做了一些探索。她开发了一个特别的钥匙环，这个装置实际上是一个无线信标发射器，可以不停地发射无线信号，将使用者的个人偏好“告知”周边的传感器。钥匙环上有一个标有“NO”字样的按钮，一旦按下这个按钮，当前环境中的所有传感器都无法接收到相应的信息，这样就可以确保，在这段时间里，使用者的所有隐私信息不会外泄。

任何解决方案都必须要保证以下两点：一是要确保周边所有传感器都能接收到使用者发出的请求;二是确保这些请求能切实执行。要开发这样的通讯协议，首先要面对技术和法律上的种种限制。为了克服这些问题，全球各地的开发团队已经开展了多项探讨和研究。例如，法律可以将某人周围所有传感器产生的数据的所有权赋予这个人，个人有权选择是否对这些数据进行加密，或限制这些数据上传到网络中。

“双重实验室”和“实境观测站”项目有一个共同的目标，就是首先在安全的空间内，了解这些技术会对隐私权产生何种影响。这样，我们就可以在那些灾难性的影响真正来临之前，找到有效的应对方案。美国国家安全局(NSA)前雇员爱德华·斯诺登让我们了解到信息透明的重要性，在一个开放的社会，只有制定相关的法律措施，才能真正消除隐私权受到的威胁。除此之外，我们认为，在软硬件开发过程中，向全民化开源，是防止隐私受到系统性侵犯的最好手段。

与此同时，这个由传感器驱动的世界将给我们带来的全新体验也开始慢慢出现，未来的前景令我们兴奋不已。全新的科技完全具备将我们的身体与周围环境融为一体的能力。这些工具可以让我们摆脱对智能手机的依赖，回归到现实环境中——它们会让我们更加真实地存在于这个世界。

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