智能微尘信息获取和处理的新模式具有十分美好的应用前景，人的生命体征、能源用量、土壤温度、交通地图、生产过程、城市活动、交通等都可以远程跟踪、实时处理并接入智能网络。

随着物联网和5G技术应用的不断拓展深化，许多现有技术和设备的革新也近在咫尺。传感器设备是实现万物联网的关键一环，传感器设备将物体与环境的状态实时地上传给互联网，以实现准确定位，分析，跟踪和管理。然而目前的传感器设备存在体积过大，信息传输慢，能耗过高的问题，无法适应物联网时代高效通讯的要求，因此，体积更小，能耗更低，信息传输更快的新兴传感器便迫切需要，智能微尘便是其中的一个重要概念和方向。

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关于智能微尘（Smart Dust）

智能微尘的研究最早起源于21世纪初美国国防部DARPA资助的传感器研究项目，并由加州大学伯克利分校于2001提出相关的概念。所谓智能微尘，是一种以无线方式传递信息的微型传感器，体积定位在5mm3及以下，大约相当于一粒沙子或者微尘，它可以探测周围诸多环境参数，能够收集大量数据，进行适当计算处理，然后利用双向无线通信装置将这些信息在相距1000英尺的微尘器件间往来传送。

虽然体积小，但是每个微尘内部的结构却非常精细而且复杂（见图1）。智能微尘的工作主要基于微机电系统（MEMS）技术和集成电路技术，组成结构包括：1）感应器（Sensor）；2）主动&被动传输装置（Active & Passive transmitter）；3）探测接收装置（Receiver with photodetector）；4）信号处理器（Analog I/O）；5）能源装置（Power capacity, Solar cell and battery）。各个部分相互协作，共同组成了一个能够持续工作并且实时传输信息的微型计算器。

图1.智能微尘概念结构图

在实际应用中，数量众多的智能微尘设备会被部署到环境中去，从而形成一张覆盖广泛的无线传感网。微尘构成的无线网络，是一种不需要基础设施的自创造、自组织和自管理的网络。微尘能够探测周围诸多环境参数，收集大量数据，进行适当计算处理，然后利用双向无线通信装置将这些信息在微尘器件间往来传送。智能微尘之间能够相互定位、收集数据并向基站传递信息，如果一个微尘功能失常，其他微尘会对其进行修复，且不会影响观察数据的获取。

相较于传统的探测器，智能微尘的优势主要体现在以下几个方面：1）智能微尘极小的体积和每个微尘精密的数据处理和计算能力使得智能微尘的功能能够适用到非常多的复杂场景之中；2）智能微尘的能耗极低，一个4.8mm3智能微尘执行一条指令平均只需12pJ能耗，未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息。它能够仅依靠微型太阳能电池就能工作多年；3）智能微尘形成的无线传感网络可以形成多角度多方位的信息监测系统，并做到极近距离监测目标，提高数据搜集的效率和有效性。

互联网小常识：SNMP的主要操作有获取（get）、设置（set）、通知（notifications）

图2.智能微尘网络示意

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智能微尘的应用场景

智能微尘这种信息获取和处理的新模式具有十分美好的应用前景，人的生命体征、能源用量、土壤温度、交通地图、生产过程、城市活动、交通等都可以远程跟踪、实时处理并接入智能网络。

（1）在军事领域，微尘系统可以部署在战场上，如将微尘大量装在宣传品、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，跟踪敌军行动，将敌方的军事力量和人员、物资的运动看得一清二楚。微尘还可通过分析空气中的化学成分来预告生化攻击。

（2）在医疗健康领域，微尘可定期检测人的血糖、脉搏或含氧饱和度等生理体征和健康指标，将信息反馈给本人或医生，尤其适用于监控老年人或病人的生活。在老年人或病人的居所里可布放各种微尘监控器，如嵌在手镯内的微尘会实时发送老人或病人的血压情况，地毯下的微尘会显示老人的行动及体重变化，门框上的微尘会了解老人在各房间之间走动的情况，衣服里的微尘则传递体温的变化，抽水马桶里也有微尘，可分析排泄物并及时告警，从而确保独居老人或病人的健康和安全。将微尘植入人体，可为糖尿病患者监控血糖含量的变化，糖尿病人可以看着电脑屏幕上显示的血糖值选择适合自己的食物。由智能微尘构成的智能绷带通过检测伤口化脓情况可确定应使用何种抗生素。

（3）在环境监控领域，海洋科学家将大量的微尘撒落在海面，用以收集海洋监测数据，预测海啸等灾害的发生。在发生森林火灾时，也可通过直升机飞撒微尘温度传感器来了解火灾情况。微尘不仅可用于行星探测、海底勘测等高难度任务，也可用于输油管道等大面积、长距离的无人监控及拥挤的闹市区的交通流量监控等场景。将微尘配置在桥梁或摩天大楼等大型建筑物上，能监测细微裂缝，而装在智能家居中的微尘则可以报告光线、温度、一氧化碳水平等数据，并可监控各种家电的用电情况以避开用电高峰，甚至可通过传感器感应设备的非正常振动来发现家电产品的问题。

互联网小常识：IEEE802局域网参考模型对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层。但是将数据链路层拆分为LLC（逻辑链路控制子层）和MAC（介质访问控制子层）。

图3.智能微尘在环境监测领域的应用

（4）在农林业领域，将智能微尘放置在土壤和空气中，这些设备能够实时监测土壤的酸碱度、水分和氮磷浓度，以及空气中的湿度和各种成分，帮助农业林业生产和土地，森林环境监控。

（5）在工业物联网领域，智能微尘可以部署在生产运输的各个环节，例如机械制造生产中，智能微尘可以检测设备的运行情况，发现设备损坏和异常情况。对于生物化学产品生产过程，智能微尘可以协助检测化学成分变化情况，帮助生产和科研人员把控生产进程。

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智能微尘引发的一些问题

智能微尘作为一项先进的技术，也带来了一些潜在的问题：

（1）个人隐私：智能微尘广泛分布环境中的特性自然而然让人们担忧个人隐私的问题。将智能微尘放置于家中，工作场所，将使得人们的行为暴露在这些微型传感器之下，而且难以察觉。

（2）回收与监控：智能微尘体积小的特性也使得控制和回收的难度巨大，同时也对监管部门提出了更高的要求。

（3）成本考量：作为一项新技术，智能微尘实施的成本不仅仅只是微型设备，还包括与之适配的卫星通讯等基础设施，总体的成本可能相当之大。

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未来展望

虽然智能微尘概念的提出和相关科研工作已经开展近20年，但智能微尘目前仍然没有得到大规模的应用，主要受限于相关的技术瓶颈而导致成本和制造难以平衡。而近年来随着硅片技术，太阳能电池和传感器制造工艺方面的长足发展，以及5G通讯技术在未来的强力支持，智能微尘有望在物联网时代大展身手，其广泛应用将大大影响社会、经济的发展及人们的工作和生活方式。

参考文献：

[1] Warneke, B. , Last, M. , Liebowitz, B. , & Pister, K. S. J. . (2001). Smart dust: communicating with a cubic-millimeter computer. Computer, 34(1), 44-51.

[2] Sailor, M. J. , & Link, J. R. . (2005). Smart Dust: nanostructured devices in a grain of sand. Chemical Communications (11), 1375.

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