Lec 1 — 课程介绍与核心思想

MIT 6.1820/MAS.453 · Mobile and Sensor Computing (IoT Systems)

1. 课程定位

本课程全称为 Mobile and Sensor Computing，俗称 IoT Systems，聚焦三大主题：

• 基础原理（Fundamentals）：无线感知、定位、连接、能源等核心技术
• 应用（Applications）：精准农业、海洋物联网、自动驾驶、医疗健康
• 未来方向：Spatial AI 与 Physical AI

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2. 什么是物联网？

定义 — 物联网（Internet of Things, IoT）
微型传感、计算与通信技术的融合，使系统能够：

• 从环境中采集（Sense）数据
• 在设备本地预处理（Edge Computing）
• 将数据上传至云端（Cloud）
• 从数据中提取洞见并对环境施加控制（Actuate）

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3. IoT 系统的四个设计维度

IoT 系统围绕以下四个维度展开设计：

                ┌──────────────────────────────┐
                │    Sensing Tasks & Modalities │  ← WHAT to sense, HOW
                │    Computation               │  ← HOW to process
                │    Connectivity              │  ← HOW to transmit
                │    Power/Energy              │  ← HOW to power
                └──────────────────────────────┘

3.1 感知任务与模态（Sensing Tasks & Modalities）

感知模态	例子
无线电（Radio）	GPS、WiFi、毫米波雷达
声学/超声（Acoustic/Ultrasonic）	Cricket 定位系统
惯性（Inertial）	加速度计、陀螺仪
视觉（Visual）	摄像头、LiDAR

感知任务涵盖：位置（Location）、健康（Health）、活动（Activity）、环境（Environment）、车辆（Vehicles）。

3.2 计算（Computation）

• 编程模型：嵌入式、移动端、边缘/云端
• 数据管理：存储、查询
• 信号处理与机器学习：数字化、推理
• 安全与隐私：数字与模拟安全

3.3 连接（Connectivity）

以三维设计空间描述：

$$\text{设计空间}=f(\text{通信距离},\text{数据速率},\text{电池寿命})$$

技术	距离	数据率	电池寿命
Wi-Fi	楼内	GB/天	需供电
LTE/5G	数英里	GB/天	需供电
BLE	房间级	MB/天	月~年
LoRaWAN	数英里	字节/天	年级

3.4 能源（Power/Energy）

定义 — 能量收集（Energy Harvesting）
从环境中获取能量（太阳能、振动、人体活动、RF 辐射等），实现无需更换电池的长期部署。

供电方式：① 电网供电 ② 可充电/一次性电池 ③ 能量收集（太阳能、无线能量传输等）

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4. 课程涵盖的系统实例

系统	功能
Cricket（2001/2003）	室内精确定位
WiTrack（2014）	无设备穿墙定位
RF-Capture（2015）	穿墙人体轮廓捕获
Vital-Radio（2015）	无线呼吸心跳监测
BackDoor	不可听语音命令攻击
Hawkeye（CVPR'22）	AI 雷达透雾成像
精准农业系统	端到端 IoT 农业应用
水下 IoT	海洋物联网

例题 — 自动驾驶（Self-Driving Cars）在雾天的挑战

摄像头在雾天失效；毫米波雷达（Millimeter-Wave Radar）不受天气影响，但传统雷达分辨率低。Hawkeye 系统利用 AI 将雷达点云转化为高分辨率图像，实现恶劣天气下的感知。

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5. 为什么海洋值得关注？

• 海洋储存地球 >90% 的热量
• 海洋吸收地球 >93% 的 CO₂
• >95% 的海洋从未被直接观测过

→ 海洋 IoT（水下网络、水下反向散射）是本课程的重要新兴方向。

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6. 关键问题（课程贯穿思考）

1. IoT 设备通常具备哪些能力？（感知、计算、通信）
2. 如何在能耗、距离、数据率之间权衡？
3. 如何利用无线信号感知物理世界？
4. 如何在没有基础设施的环境中部署 IoT？

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本讲总结

IoT = 传感 + 计算 + 连接 + 能源，四个维度的协同设计决定系统的可行性与效果。感知是物理世界与数字世界之间的桥梁。