ACM通信
嵌入式计算与万维网相遇
两个重要的趋势正在汇合，帮助推动我们世界信息流动方式的根本转变。首先，计算机行业将越来越多的晶体管挤进越来越小的硅区，这一惊人能力正在提高我们设备的计算能力，同时降低它们的成本和功耗。其次，网络的发展和对移动接入的需求推动了有线和无线网络的普及，使计算设备之间的低成本连接成为可能。现在不仅可以将我们的桌面计算机连接起来，还可以将每一个计算设备连接到一个真正的全球网络中，将传感器和执行器的物理世界与信息公用事业和服务的虚拟世界连接起来。会产生哪些令人惊奇的新应用程序和服务?无处不在的计算将如何改变我们的日常生活?隐形计算范式最终会成为可能吗?我们在此针对嵌入式设备的新浪潮来解决这些问题。
在此之前，从未有过如此多的支持技术能够以如此大的规模组装一个遍及日常生活的网络基础设施。此外，在过去的10年里，我们已经将许多工作实践迁移到电子媒体上。甚至像烤箱、烤面包机和洗碗机这样的普通消费品也通过嵌入式计算实现了自动化。事实上，目前销售的98%的计算设备都是嵌入在产品中，但用户在使用时并不会看到它们。现在，另一场革命即将发生，通过连接所有这些计算组件，我们将获得巨大的新价值[11］．但这一机遇也代表了构建有用服务、设计更健壮、更易于管理的系统以及保障用户隐私和安全的重要挑战。
互联网是其中最重要的组成部分。然而，值得记住的是，在革命开始发生之前，任何新的机会都需要许多因素准备就绪。例如，形成早期互联网的一系列网络，包括NSFNET和ARPANET，早在20世纪70年代就创建了。直到20世纪80年代中期，因特网的名称才被创造出来，因为所有这些新兴的计算机链接开始被视为一个单一的网络，由TCP/IP协议集统一。到1994年，由于Web协议的简单性，Internet已成为世界其他地区的首选网络。直到那时，网络才在大学计算机科学系和企业研究实验室的传统环境之外被迅速采用。用户群体的扩大反过来又促进了互联网本身的发展。用户数量增长越多，网络的客户群就越大，对个人和企业的吸引力就越大。这一趋势还伴随着另一个重要的加速因素——摩尔定律(moore’s Law)。摩尔定律预测，每18个月，芯片上可制造的器件数量就会翻一番。5］．
在20世纪80年代中期，TCP/IP协议需要通常在桌面或工作站类机器上找到的计算资源。当时可以嵌入的微处理器的能力远不如今天的。以合理的性能支持完整协议栈的能力超出了那些功能不足的计算引擎的能力范围。因此，互联网连接被限制在昂贵和有节制的资源上。
在摩尔定律生效的过去15年里，股市的表现翻了10倍。一个微控制器的成本只有几美元，加上1兆字节的内存，其功能就像1985年的台式电脑一样。这样的设备现在可以支持紧凑的嵌入式操作系统，连接10Mbps网络，运行TCP/IP栈和Web服务器，通过无处不在的HTTP协议进行交互。我们期望在这些组件的小型化和降低功耗方面取得进一步进展。但是，这些设备的电力预算已经可以低至50mW，或足够小的便携式设备由电池供电。用无线网络技术取代有线技术获得了更大的效用。无线连接，也可以在合理的电力预算范围内实现，使无处不在的连接和一个世界，在这个世界中，一切都可以通过一个统一的全球网络连接到其他一切。与此同时，新的标准和大规模生产的收发器继续将无线连接的成本降低到与微控制器相当的水平。
这些趋势指向一个新的网络世界，在这个世界中，我们利用数十亿个相互连接的设备提供的协同作用，每个人数千个。这些设备即将普遍嵌入到我们的工作环境中;他们的模块化组合将更有效地促进许多任务，以今天的标准，需要相对昂贵的单片解决方案。
通信技术
这里，我们强调的是驱动信息系统这种革命性重组的技术，这要感谢标准化的无所不在的协议。它们收集信息，通过有线和无线网络向用户提供服务，并将经过提炼的信息和事件呈现给用户。
嵌入式Web服务器。将Web服务器嵌入到设备中有什么好处呢?Web的基本功能使客户机程序和浏览器能够获取Web页面(HTML格式的文件)并在浏览器窗口中显示它们。文件中的超链接可以进一步引用本地或远程到该站点的其他文件。对于设备更重要的是，链接还可以引用执行HTML并将其返回给浏览器的通用网关接口(CGI)脚本。因为这些脚本动态地生成HTML，所以它们可能包含来自传感器的实时数据。因此，可以通过CGI脚本监视以这种方式连接的任何设备，并将结果以方便的图形形式呈现给用户。还可以使用类似的机制直接从远程浏览器控制设备。
我们已经开始看到业界和业余爱好者之间的一些竞争，看谁能构建最小的Web服务器，甚至小到可以放在人的手掌上。图1展示了1998年在施乐PARC设计的Web服务器，用于探索在办公环境中由嵌入式计算支持的应用程序。它有连接到10baseT以太网、串口线和微控制器通用I/O引脚的连接器。它在VxWorks操作系统上运行Spyglass Web服务器，并提供16MB的DRAM和1MB的闪存。位于西雅图的华盛顿大学开发的另一种软件架构使用uCLinux和公共域HTTP服务器。我们提到这些细节是为了强调在这种主要由连接器控制的小型结构中所能实现的功能。计算能力不再是制约因素。还值得强调的是，这个嵌入式Web服务器(其自带内存)可以提供大量的Web页面、图像和相关文档，从而作为一个自成一体的Web站点在您的手掌中运行。
嵌入式Web服务器的商业例子开始出现，包括达拉斯半导体公司的Tini(参见图2)，如果我们忽略它的适配器板和连接器，这也反映了一个小的计算占用。
一些web服务器的设计目标完全不同(参见图3)，使用串行线路，而不是直接以太网连接。web服务器的另一端是所谓的布尔服务器，它的唯一目的是打开一个比特(例如，为了打开或关闭一个灯泡，或感知一个电气开关的状态，可能作为安全系统的一部分)。在实现位级控制或感知的嵌入式Web服务器的物理接口端，系统非常简单。但是在网络端，Web服务器必须使用与任何更高级的服务器相同的协议。
这些微型Web服务器的设计者面临的挑战是实现尽可能少的HTTP/TCP/IP协议栈，以满足协议标准，同时保留通常称为“瘦服务器”的小型实现。通过使用一个简单的状态机对接收到的数据包进行响应传输的预计算数据包，可以降低一些复杂性。通过这种方式，通过详尽地计算服务器通信或获取其状态所需的所有不同响应，计算被转移到编译服务器时。这种简化只有在状态机非常小且可能的遍历有限的情况下才有意义。如果服务器的复杂性介于功能齐全的Web服务器和轻薄的服务器之间，则必须使用完整协议套件的更熟练的实现。随着摩尔定律不断提高内存容量和计算能力，同时降低功耗，这种方法将越来越适用于更大范围的系统。
Java、applet和Jini。前面描述的CGI机制也有局限性，因为用户和Web页面之间的所有交互都必须返回到服务器进行处理。Java编程模型提供了一种将计算引入客户机的方法，因此交互可以实现更快的响应时间。嵌入在Web页面中的链接指向加载到浏览器中的Java“applet”。该程序由Java字节码组成，用于由Java虚拟机(JVM)执行。一旦收到，代码就可以在本地JVM的安全环境中本地执行。从专用设备中的嵌入式处理的角度来看，Java applet使设备能够将其接口导出到可能在附近或在世界其他地方的辅助机器上。此外，根据客户机的性质，可以对接口进行定制，以满足特定的需求，即由另一个程序或自动代理提供用户交互或控制。Java模型代表了打开所有嵌入式计算形式之间方便交互的关键。
与设备交互的能力只是成功的一半;另一半是知道手边有哪些类型的设备和服务。由Sun微系统公司开发的网络中心计算的Jini架构[8]是“发现”服务的一个例子，发明它是为了使客户端进程能够定位本地设备或服务，从而形成设备的临时社区，进行通信并从相互交互中受益。
Jini“查找”服务运行在本地服务器上，充当服务和设备注册(或“加入”)的交换所，其他服务和设备来查找可用的内容。多播网络协议有效地定位查找服务;当设备注册时，它还可以提供Java代码，未来的客户端可以通过这些代码与设备进行通信。发现服务的客户端还会加载此代码，这是一种设备驱动程序，实现了使用设备所需的特定于设备的代码和协议的所有方面。然后，客户机可以直接与设备通信，而不必进一步通过Jini服务。Java及其用于远程方法调用(RMI)的机制是实现跨所有服务的统一访问的关键技术。最终，Jini服务只是实现客户端和服务之间所需交互的支持组件。
我们可以想象，科学家能够描述新的实验，并让机器人自动执行它们。
今天，依赖于小型微控制器和那些在功率预算上明显受限的设备无法支持JVM。可以使用代理机制将Jini协议交互委托给功能更强大的代理处理器。摩尔定律再次确保了需要代理的情况的数量将持续减少。研究团体将面临开发真正通用的即插即用操作方法的重大挑战，使所有这些高功能设备聚合它们的能力，并尽可能自动地为用户提供有趣的服务。
无线连接。在本文的这一点之前，我们一直假设嵌入式计算的客户机能够毫不费力地联系目标服务——这在有线世界中是一个合理的假设。但是，如果我们要充分认识到无处不在的嵌入式计算的好处，许多组件将缺乏物理连接。
嵌入式设备之间的无线连接是非常可取的，允许无阻碍的移动和设备之间的动态临时连接。蓝牙(2]是一个由计算机和消费电子公司组成的大型联盟最近发起的一项倡议，旨在提供一种低成本的无线解决方案，用于连接相距不超过几米的组件。通过将所有所需的模拟和数字组件完全集成到一个混合模式芯片上，将实现低成本通信。通过增加一个天线和一组最少的分立组件，该收发器就可以与数字总线连接。目前最流行的实现都是从一个双芯片组构建的。
蓝牙系统被设计成在不受监管的2.4GHz频段的扩频设备。它将使用跳频技术在79个间隔为1MHz的频率之间切换;最大跳率约为1600跳/秒。该系统将提供1Mbps的原始数据速率，转换为大约721Kbps的应用程序级数据速率。对于许多应用程序来说，这已经是相当不错的速度了(与当今无处不在的Web冲浪工具56K调制解调器相比)，因此对于应用程序构建者来说可能是一个有吸引力的建议。
蓝牙联盟已经为这项新技术建立了硬件和协议标准。本系统多为论文设计;现场演示已经在会议上进行，包括在拉斯维加斯的Comdex'99。诺基亚和摩托罗拉已经展示了使用蓝牙同步联系人列表和传输文件的手机和笔记本产品。这一领域仍有许多设计增长的机会，未来几年对这个新兴无线网络标准的推广至关重要。
由红外数据协会(IrDA)标准化的红外通信[4]，也是连接嵌入式计算机的潜在候选者。在9600bps到4Mbps的数据速率范围内，IrDA应用程序的机会似乎和蓝牙应用程序一样多。然而，该标准已经存在了好几年，尽管移动计算机上的硬件支持通常无处不在，但由于该标准试图包含许多操作模式，相关的应用程序级软件存在互操作性问题。在大多数情况下，红外还需要视线操作，对于需要明确选择需要通信的设备的应用(例如将通用遥控器对准某一音频/可视设备)，这可以被视为一种优势。然而，也有其他的例子，接近的非视距操作也是可取的。
其他无线通信方法也可能受到欢迎。例如，基于人体的通信方案，通过用户的皮肤发送极低功率的数据信号，可以通过触摸或握住，而不是像基于射频的系统那样，仅靠靠近，有利于私人通信和设备选择。
此外，许多类型的无线通信可能会并存，需要开发支持跨这些异构网络的数据移动的协议。此外，协议和操作系统必须能够支持间歇性连接。电力限制(摩尔定律仅部分缓解)和短距离通信(需要最大化单位体积的带宽和可能的隐私)意味着设备将不能连续连接到有线基础设施。代理、缓存和主动网络是在这个新兴的互联设备世界中扮演重要角色的一些技术。
设备技术
脱离世界的计算只有有限的价值超出计算机本身。无数的输入/输出设备已经或正在开发，以连接用户与计算基础设施。它们的范围从高分辨率的壁挂式显示器到基于手写笔的手持pda，再到基于会话语音的界面。然而，为了从嵌入式计算的全部价值中受益，必须使这些设备能够直接感知和控制世界。直到最近，在整个物理环境中部署传感器和执行器的成本一直令人望而却步，主要原因有两个:设备本身的成本和它们的互连成本(可能是与功能齐全的网络进行有线连接)。今天，由于新技术和规模经济，设备变得越来越便宜;连接将越来越无线化，而且在许多情况下是间歇性的。因此，由于许多长期存在的障碍正在被消除，我们现在可以开始考虑在物理世界和信息和计算的虚拟世界之间建立一个广泛的接口。
MEMS传感器。MEMS，或微机电系统，代表了一个重要的解决方案，以低成本和高精度集成计算和通信。MEMS传感器由直接由硅构成的新颖机械结构制成。它们可以按照半导体工业中使用的相同公差制造，而且由于硅在微米尺度上非常坚固，MEMS传感器具有弹性和相当长的寿命。例如，单晶硅元件可以来回弯曲进行数百万次的操作而不会产生材料疲劳。MEMS的一个常见的大众市场商业应用是用于控制汽车安全气囊部署的加速度计图4)[1］．MEMS结构最终将成为设计需要计算、传感和控制的嵌入式系统的首选技术，该系统的生产成本低、可靠性高。除了力和光的水平外，它们的性能正在扩展到化学和磁场传感。可以想象的是，我们很快就会有显微镜实验室来分析液体和它们所浸泡的大气。除了通信和计算之外，这种发展应该会刺激一个个性化环境感知时代的到来。
标签。与嵌入式计算没有直接关系的自动识别产业，一直在推动计算和小型化的极限，目的是设计电子标签来跟踪从快递包裹到牲畜的一切。射频识别(RFID)是由标签查询器电感供电的电子标签的工业名称。它的微型电子设备利用捕获的能量将它的身份(一个唯一的数字)通过调制载波发送回审讯者。
电子标签行业受益于推动计算机行业的光刻技术的进步。现代标签正变得相当复杂，许多现在都包含可被审讯者写入或读取的机载存储器;有些技术甚至有防碰撞机制，允许在同一空间内读取多个电子标签，例如德州仪器公司的Tag-it系统图5)[7］．传感器还集成了电子标签，允许读取和返回实时传感器数据和唯一标识符。
电子标签很快将支持更强大的计算功能。在某种程度上，它们可能能够提供完整的Web服务器性能。然而，在近期内，如果电子标签询问器技术包括到Internet的接口，那么标签可以成为网络基础设施的一部分，同时接近阅读器。
位置、跟踪传感。全球定位系统(GPS)可用于向在几颗GPS卫星的视线范围内的用户提供高精度的位置数据。室内位置传感技术才刚刚开始受到商业开发商的重视。标记技术不仅可以用来检测物体的存在，还可以用来检测物体的位置。通过在环境中植入足够多的询问器，标签可以在它们穿过空间时被跟踪。射频标签的信号强度可由基站测量，可在已知的坐标系内进行三角测量。
重要的问题是位置信息的解析以及哪些人员和应用程序被授权访问它。不同的应用需要特别适应的技术。知道人们在办公环境中移动的位置与能够精确地跟踪文件夹从文件柜到桌面再到公文包的移动是完全不同的。在位置追踪中，隐私问题显得尤为突出。让用户能够确定位置，然后使用他们认为合适的信息的方法将有一个重要的位置，除了直接的跟踪方法，系统通过它来跟踪用户的位置。自普适计算开始以来，这种二分法的例子已经很清楚了;例如，比较Olivetti主动徽章[10]与施乐partab系统[9］．
应用程序
通过Web标准协议和无线通信媒体连接的分布式传感器和执行器为开发影响我们所有生活的丰富应用程序提供了一个强大的工具包，如下场景所示。
家庭自动化长期以来，家庭自动化一直是人们追求的未来愿景。人们曾多次尝试创建所谓的智能住宅，但很少有吸引人的模式能让人们有强烈的居住欲望。我们认为，这主要是投资回报率低的结果，当时很少有产品具有任何类型的嵌入式计算。我们看到嵌入式处理的应用越来越多，因为微处理器越来越能够执行更广泛的任务，并利用提供某种互操作性度量的标准。一个典型的例子是数码相机，它开始取代传统摄影。成像和后处理的质量开始与建立已久的化学和纸质摄影行业竞争。但我们现在有机会以以前从未有过的方式使用照片，将它们显示在电视屏幕上或电子相框中，并通过电子邮件发送给亲戚。我们甚至已经开始看到存储和分类照片的服务，以及将照片组织成图形丰富的基于web的相册。
我们也可以期待普通设备的互操作。技术标准制定组织，包括HomeRF [3.]，正提出标准，以进一步促进在市场经济中逐步发展的互动。在商业环境中也可以找到类似的交互，包括计算机、pda、扫描仪、打印机、电脑化白板、移动电话和自动文档跟踪。蓝牙、IrDA和各种局域网(如IEEE 802.11无线局域网标准)都专注于这个市场，企业很可能在国内市场赶上之前就已经从无处不在的嵌入式计算中获益。
无论如何，家庭环境代表着许多特殊的挑战。我们可以从家中大量的红外遥控设备带来的问题开始。如果有类似手掌大小的pda的通用触摸屏远程控制设备，从设备本身上传用户界面，不是更有意义吗?我们只需要确保在我们的房子和公寓的每个房间都放一个。然而，这个目标涉及到一个更加水平的控制模型，在这个模型中，新标准允许与设备无关的用户界面描述，而不是当前的垂直模型，后者迫使我们使用设备提供的特定远程控制设备。互联网的普遍连通性，以及嵌入式Web服务器，应该允许一种与我们的生活空间交互的新方式。环境参数和视听显示将能够根据房间的居住者进行调整，并提供以前不可能的能源效率水平。
互联嵌入式处理器带来的协同效应将使桌面出版和娱乐领域备受吹捧的数字融合看起来像计算技术历史上的一个小插曲。
华盛顿大学的一个项目正在寻求为老年亲属开发虚拟邻居[6］．通常在家中发现的传感器将用于收集家中的交通和资源使用模式的数据，因此远程观察员或自动化代理可以确保一切正常。不正常的情况，比如门窗整夜开着，或者家里有很长一段时间没有动静，都会引起相关人员的注意。
对于这一系列新应用来说，至关重要的是能够将新设备随时集成到家庭信息系统中。因此，动态添加或删除传感器应该是可能的，而不必像我们今天所做的那样，通过升级到新软件和调试故障来重新配置或维护软件。这种无处不在的家庭传感器网络的愿景导致了一种即插即用的模式，其中传感器尽可能小和便宜，并大量部署。他们收集的数据存储，以及在数据中寻找模式的程序，将驻留在有线基础设施的节点上。嵌入式家庭Web服务器将充当无线传感器和基础设施之间的连接器。显示传感器数据和融合来自多个传感器的数据的代码将由第三方开发，并通过诸如可扩展标记语言(XML)等自描述机制与数据连接[12］．因此，通过Web浏览器监视家庭的远程用户将在收集传感器数据时看到其图形化呈现。传感器制造商和第三方开发者将通过不断更新负责数据融合的软件组件来确保这些系统的寿命。
这个应用程序领域中最重要的一个挑战是使部署传感器、执行器和使用它们的服务变得简单。但在保持隐私的同时做到这一点并不容易。需要新的安全和访问域方法。
实验捕获。传感器基础设施也有望在家庭以外的地方应用。作为“细胞系统计划”的一部分，华盛顿大学的Labscape项目正在研究一个将改变科学结果收集和传播方式的例子。该项目的动机是，试图了解人类细胞内部运作的科学家们发现，目前传播研究成果的方法的局限性阻碍了他们的工作。主要有三个障碍:没有统一的模型来整合科学家们在细胞化学和力学方面的集体知识;未被完全捕获或记录模糊、难以重建的实验;另外，绝大多数实验都没有发表，结果只是丰富了少数研究人员的经验，而不是整个科学界的经验。
Labscape项目旨在建立一个细胞生物学实验室，这样实验就可以被尽可能地捕捉到。这种仪器工作需要集成各种标记和位置跟踪技术，因此单个样品在移动、混合、加热和离心时可以被跟踪。嵌入式Web服务器可用于将实验室仪器连接到Web，因此可以自动控制设备和记录配置。
有了这种级别的捕获，应该可以记录实验室中发生的一切，避免了对不精确、容易出错、不完整的笔记本的需要。此外，大量的应用可以基于收集到的数据。除了提供所有时间的所有实验记录外，它们还可以支持自动化实验室导师，通过回放以前的实验过程的细节来指导科学家、学生和其他人。科学家将能够跟踪许多同时进行的实验，减轻他们的认知负担，减少错误，更有效地利用实验室的时间。我们可以想象，科学家能够描述新的实验，并让机器人自动执行它们。
健康监测。无处不在的传感器和互联网络将从根本上改变我们的医疗保健状态、方法、诊所和管理。当病人需要观察时，医生可以开出一组传感器，这些传感器将被吞食。每天摄入，它们将提供由一个便携式嵌入式Web服务器通过射频链路收集的化学、温度和生理数据。医生将能够连续地观察一种特定的治疗方法如何影响病人，而不是今天在诊所就诊时采集的离散样本。针对特定药物的传感器和促动器将只在需要时释放适当剂量，在副作用发生时提醒医生注意不良反应。因此，我们可以想象这样一个世界:新药物被开发出来，它们的监测传感器和释放驱动器保证它们的安全和有效使用。
在这样一个世界里，隐私问题无处不在。必须为患者医疗数据部署安全的基于web的体系结构。患者应能够将其完整的病史保存在第三方服务提供商处。然后，这些患者会授权他们的医生查看这些数据的子集。同样，保险公司将能够看到立法的子集。患者可以自由购买第三方服务，补充或支持医生提供的服务。一个例子是药物交互服务，它将可能的副作用与患者联系起来，就像今天的一些药剂师所做的那样，但提供了更完整的信息。有前途的商业应用也比比皆是。例如，个性化的药物剂量和混合物，以及提醒服务，以确保适当的治疗和医生监督。
结论
嵌入式处理已经足够强大，可以处理一系列现实世界的应用程序。无线和有线网络越来越普遍，价格便宜，而且功耗低，我们可以想象所有嵌入式处理器的互连。我们将最终实现物理世界和虚拟世界的互联。这所促成的协同作用将使桌面出版和娱乐领域备受吹捧的数字融合看起来像计算技术史上的一个小插曲。
然而，在这场革命改善我们所有人的生活质量之前，还有许多挑战。有些是技术方面的，包括软件开发和部署的新方法，以及新的网络协议、基于网络的服务的组织，以及大型分布式系统的自组织、自配置和自监控技术。其他问题并不纯粹是技术问题，包括隐私和安全问题，这些问题必须在涉及公共政策和法律的广泛战线上加以解决。更大的挑战是开发新的商业模式，使我们的设备和服务能够横向互操作性，使消费者拥有我们都应该拥有的选择和灵活性。
参考文献
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