darpa dense sense proposal
1.0.0
| مرجع التماس | الدفاع Advanced Projects Advanced Projects / MicroSystems Technology Office / Administ Programer / DARPA-PA-17-01 |
| منظمة الرائدة | Skylight Digital LLC |
| المقاولون من الباطن / ترتيبات الفريق | سيتضمن تنفيذ العمل المقترح عدة أطراف ثالثة ، كما هو مدرج في نموذج تكلفة الإحساس الكثيف (انظر مرفق Excel Excel). سيتم تنفيذ الترتيبات الرسمية عند إخطار الاختيار. |
| النقطة الإدارية للاتصال | كريس كيرنز |
| النقطة الفنية للاتصال | جيف موليجان |
| عنوان الجهد المقترح | الشعور الكثيف - شبكة كثيفة ورخيصة من أجهزة استشعار الشبكة ذات الطاقة المنخفضة |
| المنطقة الفنية | Internet of Things ، أجهزة استشعار شبكة منخفضة الطاقة منخفضة ، منصة بيانات ومفتوحة قائمة على السحابة |
| مكان وفترة الأداء | كولورادو سبرينغز ، CO ؛ 12 شهرًا من تاريخ تنفيذ العقد |
| Duns # | 080202677 |
بفضل تقنية شبكات الشبكات المنخفضة ذات الطاقة المنخفضة (LPWAN) ، أصبح من الممكن الآن إنشاء شبكة من أجهزة استشعار حصاد الطاقة التي تعمل بالطاقة أو يمكن وضعها بشكل غير معتاد في جميع أنحاء المدينة أو المنطقة المستهدفة. نظرًا لأنها يمكن أن تكون غير مكلفة وتستخدم قوة صغيرة ، فمن اقتصادي نشر عدد كبير جدًا من المستشعرات ، والتي نسميها شبكة استشعار "كثيفة".
يمكن لأحد الأمثلة على هذه الفئة الجديدة من المستشعرات التقاط ونقل أشكال الموجات الصوتية البسيطة إلى خدمة سحابية حيث يتم تحليلها ، وعرضها ، وتثليثها لتحديد كل من نوع ووقت "ضوضاء" معينة. يمكن بعد ذلك تصنيف هذه "الضوضاء" ، في السحابة ، وإذا تم تحديدها على أنها طلقة نارية ، فسيتم نقل المعلومات إلى الوكالات المناسبة وأنظمة الاستشعار الأخرى المحتملة. يمكن أن تنقل أنواع المستشعرات الأخرى العديد من بيانات القياس عن بعد الأخرى مثل درجة الحرارة أو الاهتزاز أو الإشعاع أو جودة الهواء أو الضوء أو حتى العوامل البشرية مثل معدل ضربات القلب أو التنفس أو درجة حرارة الجسم. الغرض من هذا المشروع هو استكشاف وتجربة وتطوير ونشر شبكة مستشعرات بسيطة ومنخفضة التكلفة ، كمنصة مفتوحة المصدر والمفتوحة على أساس البروتوكول لنقل أشكال الموجات الصوتية ومعلومات الموقع الثلاثي إلى سحابة تحليل الصوت خارج الموقع لتصنيف الإجراءات.
تتمثل ميزة إضافية في نقل المعالجة النهائية إلى السحابة وهي أنها توفر حماية الخوارزميات الحساسة والبيانات مقابل محاولات الاختراق. يمكن تقييد وحدات الحقل على وظائف أولية نسبيًا والتي لا تبال في التسوية.
الهدف العام للمشروع هو النموذج الأولي وإثبات قابلية عمل أنظمة أجهزة استشعار الطاقة المنسقة المنسقة مع حالة اختبار معينة لاستقبال الصوت ونقلها لتحديد وأصوات معينة مثل طلقات نارية. النظام النهائي سيكون منخفض التكلفة. أي أن هناك طلبين من حيث الحجم أقل تكلفة في Capex ، والتركيب ، و OPEX مقارنة مع الأساليب الحالية وسوف تستخدم إمكانيات المعايير المفتوحة بما في ذلك 6Lowpan و IP/TCP و COAP و MQTT و HTTP للاتصالات المستشعر. سيسمح النظام لأطراف ثالثة بدمج خبرتها الخاصة من خلال واجهة برمجة التطبيق السحابية المنشورة (API) بتوفير تحليل البيانات المحسّنة والتصنيف والتنبيه.
في سياق بناء نظام وظيفي ، سنختبر بالضرورة والتحقق:
هناك عدد من تقنيات الترددات اللاسلكية المختلفة المتاحة اليوم ، ولكن معظمها يتنافس على الطاقة المنخفضة للمسافة المحدودة ، وبالتالي تتطلب بنيات شبكات شبكية متعددة القوارب. هذه التصميمات تزيد من تعقيد الشبكة ؛ لم يتم نشر شبكة RF Node Node RF حقًا وسهلة التوسع. بدلاً من ذلك ، تكون معظم شبكات طوبولوجيا النجوم الحالية إما مسافة محدودة للغاية (BT أو BTLE) أو الجياع السلطة (WiFi ، الخلوية). تُظهر تقنيات LPWAN الأحدث مثل LORA وعد بتقديم مسافة أكبر ، وعزل متعدد ، وقوة منخفضة/دائمة ، والتشفير المدمج ، والتركيب البسيط غير الهندسي.
في الوقت الحاضر ، هناك أنظمة تحليل طلقات نارية ، لكنها لا تستفيد من القدرة المنخفضة ، وطويلة المدى LPWAN ، وبالتالي استثمرت في جعل كل مستشعر قادرًا للغاية ، ولكن باهظ الثمن وضخم. نحن لسنا على دراية بأي نظام يمكن أن يتوسع ما يصل إلى مئات أو حتى آلاف المستشعرات لتغطية مساحة كبيرة بدقة بتكلفة منخفضة لكل مستشعر. هذه القدرة على الشبكات يمكن أن تواصل بشكل غير مرئي مع كاشفات أعيرة نارية فردية دون زيادة عبء المعدات ، مما يعزز ذكاء ساحة المعركة. يمكن لشبكة المستشعر الكثيفة هذه من الناحية النظرية تخصيص الضوضاء الجغرافية بشكل أكثر موثوقية من عدد قليل من المستشعرات.
هدفنا النهائي هو إثبات أن تقنية LPWAN تسمح بمجموعة كثيفة من أجهزة الاستشعار غير الواضحة وغير المكلفة لوضعها على مساحة كبيرة ونقل إشارات صوتية رقمية مع عرض النطاق الترددي الكافي لأداء الكشف عن الأعياد المفيد. هدفنا النهائي هو جعل "عقدة المستشعر" بقيمة 25 دولارًا "حجم سطح البطاقة الذي يمكن إلقاؤه (" رمي ") من شاحنة متحركة أو تسليمها بواسطة الطائرات بدون طيار وتركها في البيئة لفترة طويلة لتوفير قدرة مفيدة. ستكون المساحة المستشعرات حوالي 10 كيلومترات مربعة ، وتتطلب 4 إلى 6 محطات قاعدة. ليس نية هذا المشروع تطوير أفضل نظام تحليل طلقات نارية ، ولكن توفير ويب مفتوح للآخرين لتقديم تحليل متطور. نحن نركز على قدرات إنترنت الأشياء في تقنية LPWAN.
سيكون لكل عقدة مستشعر إما مستشعر صوت واحد أو مجموعة صغيرة من المستشعرات لإنتاج إشارة صوتية واحدة. ستحتوي كل عقدة على راديو Lora ، وطاقة بطارية كافية للاختبار ، مع مصدر طاقة اختياري للخلايا الكهروضوئية. ستحتوي كل عقدة على رقمنة صوتية كافية وقوة معالجة الإشارات لترميز إشارة الصوت وربما تقرر ما إذا كانت إشارة الصوت تستحق إرسالها. قد يكون التصميم الأولي هو حجم بسيط ، ولكن قد يتم استخدام مرشح ضفة التردد في وقت لاحق لتحديد طلقات نارية أكثر دقة.
في البداية ، سيتم تخصيص كل عقدة مستشعر الصوت بدقة مع نظام GPS. سنقوم باختبار إمكانات تحديد الموقع الجغرافي المدمج التي تقدمها تقنية Lora نفسها ضد نظام GPS. سيتم استخدام بوابات أربع زائد لإظهار النظام الكامل على نطاق يغطي 10 كيلومترات مربعة من "الاستماع" الفعال. ستقوم العقد المستشعر بنقل الصوت الكافي (الحفاظ على الطاقة والمعالجة حيثما أمكن) لتلقي الطلقات الجغرافية داخل منطقة الكشف.
سيتم نقل أشكال الموجات الصوتية إلى البوابات المتصلة عبر WiFi أو Ethernet إلى خادم الشبكة الذي يتقدم في الأشكال الموجية إلى نظام قائم على السحابة للتحليل. نقترح إنشاء واجهتين للمستخدم (المستخدم النهائي والهندسة) ، والتي ستدعم اختبار نظامنا الخاص وكذلك أنظمة المعالجة الصوتية من الطرف الثالث ، إذا كانت أي شركات تستخدم واجهة WebHook ومتى تستخدمها. سيتم تصميم واجهة المستخدم النهائي للمستجيب الأول للرد على طلقات نارية في هذا المجال. وهذا هو ، سوف يبسط البيانات على الميزة الأكثر أهمية: أين الحدث ، ما هو احتمال الخطأ الجغرافي للحدث ، وما مدى احتمال وجوده في طلقة نارية؟
من ناحية أخرى ، ستوفر الواجهة الهندسية واجهة أكثر ثراءً ، وتعرض الإشارة التي تلقاها كل عقدة ، وتفاصيل الحدث الصوتي. سيتم استخدام واجهة المستخدم هذه من قبل أنفسنا وغيرهم من الباحثين المهرة لاختبار النظام. ستستخدم واجهات المستخدم الفصل المعماري القائم على واجهة برمجة التطبيقات (API) ، والذي سيمكن طرفًا ثالثًا من إنشاء نظام تحليل موسع.
ينصب تركيزنا الأساسي على مفهوم شبكات استشعار الكثافة المنخفضة التكلفة القائمة على تقنية LPWAN. نعتزم الحفاظ على فصل واضح بين البرنامج لتحليل تدفقات الصوت لغرض تحديد الموقع الجغرافي وبقية نظام النقل. سيتيح هذا لـ DARPA أو المؤسسات الأخرى بناء أو استخدام أنظمة تحليل أعيرة نارية تنافسية أو موجودة مسبقًا استنادًا إلى أجهزة LPWAN الخاصة بنا. سنوفر تحديد الموقع الجغرافي الصوتي الكافي لاختبار النظام بشكل فعال ؛ نشك في أن الشركات الأخرى أو تطوير المنح اللاحقة ستوفر المزيد من البرمجيات المستندة إلى السحابة.
ستستخدم الخدمات السحابية واجهات برمجة تطبيقات الويب ، مما يوفر واجهة مشتركة للوصول إلى البيانات الأولية والتحليل الكلي والتحليل الناتج. سيتيح تطبيق API منخفض التكلفة ، و API الخفيفة الوزن ، والوصول إلى البيانات ، والوصول إلى الصوت عبر الويب بطريقة آمنة ومريحة ، باستخدام ممارسات إدارة واجهة برمجة التطبيقات الحالية:
ستسمح واجهات برمجة تطبيقات المشروع بتكامل وتجميع النظام إلى النظام ، بالإضافة إلى تطوير تطبيقات الويب والهاتف المحمول وغيرها من تطبيقات الأجهزة التي تزيد من وظائف المشروع. سيؤدي ذلك إلى فتح النظام أمام الباحثين والوكالات الأخرى للتحليل والاختبار في التطبيقات والسياقات المختلفة ومع تكنولوجيا تحليل مختلفة.
نعتقد أن استخدام Lora Lpwan الجديد نسبيًا لهذا التطبيق غير مستكشفة. على هذا النحو ، ستكون هناك تحديات تتعلق بالنقل الناجح لبيانات الصوت التي تجيب على الأسئلة التالية:
يتمثل أحد التحديات التي تواجه واجهة المستخدم في توفير رؤية كافية لتيارات الصوت للسماح للمحققين بفهم أداء النظام وقيوده تمامًا. يجب أن تكون واجهة المستخدم جيدة بما يكفي للمستخدم غير المهرة لفهم تحديد الموقع الجغرافي للطلقات النارية.
عند الانتهاء ، سيوضح هذا المشروع أنه يمكن نشر شبكة مستشعر بسيطة ومنخفضة التكلفة والموزع بسهولة ويمكن استخدامها لتحديد اللقطات النارية وتحديد موقعها. يمكن أن تستخدم كل من المدينتين والجيش هذا التصميم النمطي للميدان لكل من الشبكة السريعة المثبتة مؤقتًا وكذلك تثبيت شبكة المستشعر على المدى الطويل. استنادًا إلى المعايير المفتوحة ، سيوضح النظام قابلية التوسيع ويسمح بتطور الميزات والوظائف والقدرات الجديدة. القدرة على وضع شبكة قوية من أجهزة الاستشعار غير المكلفة وغير الواضحة في مواقع عشوائية أكثر أو أقل وتكتشف بدقة تتيح لقطات نارية الاستجابة السريعة للعمل العنيف.
إن القدرة على توفير تكلفة منخفضة للغاية وبسيطة لنشر حقل مستشعر الصوت الذي يسمح بسهولة تحديد الهوية واللقطات النارية في الموقع ستغير ديناميكيات كل من المستجيبين الأوائل وللأفراد العسكريين في مسرح العملية.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا تكييف أساس الشبكات المفتوحة الأساسية مع وظائف المستشعر الأخرى لتشمل مستويات الضوضاء أو حركة المرور ، أو تدفق الماء أو استشعار تلوث الماء ، واستشعار الاهتزاز ، أو استشعار المواد الكيميائية أو الإشعاعية الضارة.
إن نية هذا المشروع هو النهوض بفهم وظائف شبكات مستشعرات LPWAN ، والقدرات ، والأداء ، والتكاليف كما هو مطبق على مجموعة واسعة من مجالات تطبيقات إنترنت الأشياء. ليس الهدف من هذا المشروع هو تصميم وبناء وتسويق تطبيق ناري محدد ، ولكن بدلاً من ذلك لتزويد الصناعة بمنصة قابلة للتطبيق للآخرين للبناء عليها وتطوير فهم أعمق للمقايضات المتعلقة باستهلاك السلطة في المعالجة على المستشعر مقابل استهلاك الطاقة لنقل بيانات المستشعر الخام وتوفيرها إلى الصناعة المفتوحة المصدر الوريدي لشبكة المستشعرات المنسوجة.
ستشمل شبكة المستشعر المكتملة مساحة دائرية تبلغ مساحتها حوالي 10 كيلومترات مربعة وتشمل بوابات 4-6 و 30 مستشعرًا تم نشرها بشكل كحد أقصى للسماح بالتوضع الجغرافي للطلاء على مقياس 10s من الأمتار في بيئة ريفية. توفر الخدمات السحابية التي تم تطويرها أثناء المشروع تحليلات البيانات لمطابقة الطول الموجي ورسم خرائط التثليث.
نظرًا لأن هذا المشروع سيكون تحديًا ، فإننا نخطط لتطوير هذه الوظيفة على مراحل ، كل منها سيظهر قدرات متزايدة. تم توضيح أنظمة الأجهزة المستخدمة في عقدة المستشعر في كل من هذه المراحل أعلاه.
المرحلة رقم 1: محاكاة النظام الفرعي الصوتي ، ولكن اختبر إمكانيات الراديو. سنضع 10 "محطات الاستماع" المبرمجة لإرسال إشارات الصوت المحاكاة. سيتم تدوين هذه اليدوي مع نظام GPS المحمولة. باستخدام 4+ محطات أساسية ، سنكون قادرين على اختبار وظيفة تحديد الموقع الجغرافي "وقت الوصول" غير القائم على GPS في Lora ومقارنتها مع تحديد الموقع الجغرافي GPS. سيتم برمجة MCUS من محطة الاستماع للإبلاغ عن "ضجة" كل 5 ثوان. سيتيح لنا ذلك اختبار النظام من طرف إلى طرف:
أحد تجسيد الأجهزة المحتملة لهذه المرحلة هو ST Nucleo-Lrwan1 أو ريشة Adafruit Arduino Zero.
المرحلة رقم 2: سنضيف نظامًا فرعيًا صوتيًا حقيقيًا حقيقيًا باستخدام أرقام صوتية محوسبة بقيمة 250 دولارًا والتي لدينا بالفعل خبرة. سوف تستهلك هذه القوة أكثر من نظام الأهداف النهائي ، ولكن سيسمح لنا:
المرحلة رقم 3: ستركز على:
إذا نجح هذا المشروع ، فإن امتدادًا (خارج نطاق هذه المنحة) سيحاول توسيع نطاق الشبكة من النموذج الأولي البسيط إلى أكثر من 100 عقد و 10 بوابات لضمان أداء الاتصال والتداخل وحماية متعددة. سيكون الاختبار المهم الآخر هو الاختبار في بيئة من النوع الحضري المتوسط ، والتي تقع خارج نطاق اقتراحه.
أهداف تصميم هذا المشروع هي شبكة مستشعر منخفضة التكلفة منخفضة التكلفة ، مع محطات قاعدة ثابتة وأجهزة استشعار ثابتة. في تحقيق شبكة مستشعر أخرى (وليس جزءًا من هذا المشروع) ، سيتم استخدام نفس التكنولوجيا الأساسية ، ولكن بدلاً من الصوت ، فإن المستشعرات والشبكة ستنقل حالة القياس عن بُعد (صحة الإنسان أو الجهاز) من أجهزة الاستشعار المتحركة. سيقوم المشروع بالتحقيق في تحديد الموقع الجغرافي وتوطين أجهزة الاستشعار المتحركة.
إجمالي تكلفة المشروع المقترحة هي 500،808 دولار (باستثناء مشاركة التكاليف المقترحة). يرجى الاطلاع على مرفق Excel Excel ، "نموذج تكلفة الإحساس الكثيف" ، للحصول على انهيار كامل للتكاليف.
إذا تم السماح به بموجب مختلف سلطات الاستحواذ المتوفرة ، فسنفضل عقدًا أسعارًا ثابتًا مع مدفوعات التقدم الشهرية الموحدة.
كشركة ناشئة جديدة ، فإنها تقدم بعض المخاطر المالية لاستيعاب 50 ٪ من التكاليف المقترحة ؛ ومع ذلك ، يمكننا أن نستوعب 30 ٪ من التكاليف (أو 150،242 دولار) ، للحصول على تكلفة مقترحة للحكومة البالغة 350،566 دولار .
Geoff Mulligan هو باحث بروتوكول إنترنت الأشياء وبروتوكول الإنترنت ومبدع بروتوكول 6Lowpan. أسس تحالف IPSO ، وساعد في تصميم IPv6 ، وعمل كممثل الولايات المتحدة لمشروع ISO Smart Cities ، وهو رئيس مجلس إدارة Lora Alliance. أمضى جيف أكثر من 10 سنوات كضابط سلاح الجو ، وشغل منصب زميل للابتكار الرئاسي في عام 2013. انضم إلى Skylight Digital LLC كشريك في عام 2017.
روبرت ل. ريد ، دكتوراه ، هو مهندس برمجيات ومخترع ومؤلف. شغل منصب زميل للابتكار الرئاسي في عام 2013 وشارك في تأسيس 18F. وهو مؤسس الاختراع العام ، الذي يستكشف نهجًا جذريًا للروبوتات. وقد شغل مناصب على مستوى المدير في الشركات الناشئة وشركات البرمجيات المتوسطة الحجم منذ عام 2001. انضم إلى Skylight Digital LLC كشريك في عام 2017.
مارتن ليو سميث حاصلة على درجات علمية من الجيوفيزياء من Caltech ودرجات الدكتوراه في نفس المجال من جامعة برينستون. وقد عمل في جامعة كولورادو في بولدر ، كولورادو ؛ مركز أبحاث Amoco في تولسا ، أوكلاهوما ؛ وتقاعد ككبير العلماء من أبحاث نيو إنجلاند في فيرمونت في عام 2008. وهو مالك الجيوفيزياء العمياء ، شركته الاستشارية. وهو مواطن أمريكي وخدم لعدة سنوات كضابط مهندس في جيش الولايات المتحدة.
من المتوقع أن نستخدم الأجهزة التجارية (COTS) التجارية لمنصة الاستشعار والبوابات. سيتم استخدام البروتوكولات القياسية المفتوحة لضمان شبكات مفتوحة وقابلة للتمديد. سيتم إصدار جميع البرامج التي نطورها في المجال العام (أي ترخيص Creative Commons Zero). سيتم توثيق ودعم واجهة برمجة تطبيقات WebHook التي ننتجها بالكامل طوال مدة هذه المنحة إذا اختار أي شخص استخدامها أثناء هذه المنحة.
ماهر ، روبرت سي "التوصيف الصوتي للطلقات النارية." تطبيقات معالجة الإشارات للأمن العام والطب الشرعي ، 2007. ورشة عمل IEEE . IEEE ، 2007.
Chacon-Rodriguez ، Alfonso ، وآخرون. "تقييم خوارزميات الكشف عن طلقات نارية." معاملات IEEE على الدوائر والأنظمة الأولى: الأوراق العادية 58.2 (2011): 363-373.
حلقة ، كورت جافين. "اتصالات الجهاز عن بُعد Power Utility باستخدام شبكة منطقة منخفضة الطاقة منخفضة (LPWAN) بناءً على معيار اتصالات LORA." (2016).
لوروان 101
SEMTEX SX1272 ورقة البيانات
P-Nucleo-Lrwan1
Adrafruit Feather Board
TI MSP430F5529 Ultra Low-Power MCU
وحدات RF طويلة المدى MutLitech
