darpa dense sense proposal
1.0.0
| Referencia de solicitud | Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa / Oficina de Tecnología de Microsistemas / Anuncio del Programa de Comercio Comercial / DARPA-PA-17-01 |
| Organización principal | Skylight Digital LLC |
| Subcontratistas / arreglos de equipo | La ejecución del trabajo propuesto involucrará a varios terceros, como se enumeran en el modelo de costo de sentido denso (consulte el archivo adjunto de Excel de correo electrónico). Los arreglos formales se ejecutarán tras la notificación de selección. |
| Punto de contacto administrativo | Chris Cairns |
| Punto técnico de contacto | Geoff Mulligan |
| Título de esfuerzo propuesto | Sense denso: una red densa y barata de sensores de red de áreas anchas de baja potencia efímera |
| Área técnica | Internet de las cosas, sensores de red de área amplia de baja potencia, datos abiertos basados en la nube y plataforma de análisis |
| Lugar y período de rendimiento | Colorado Springs, CO; 12 meses a partir de la fecha de ejecución del contrato |
| Duns # | 080202677 |
Con la tecnología de redes de área amplia de baja potencia más nueva (LPWAN), ahora es posible construir una red de sensores de cosecha de energía o cosecha de energía que se puedan colocar de manera discreta y fácil en una ciudad o área objetivo. Debido a que estos pueden ser económicos y usar poca potencia, es económico implementar una gran cantidad de sensores, que llamamos una red de sensores "densa".
Un ejemplo de esta nueva clase de sensores puede capturar y transmitir formas de onda de audio simples a un servicio en la nube donde se analizan, se desambigan y triangulan para identificar tanto el tipo, la ubicación y el tiempo de un "ruido" particular. Estos "ruidos" se pueden clasificar, en la nube, y si se determina que es un disparo, la información se transmitiría a las agencias apropiadas y potencialmente a otros sistemas de sensores. Otros tipos de sensores podrían transmitir varios otros datos de telemetría, como temperatura, vibración, radiación, calidad del aire, luz o incluso factores humanos como la frecuencia cardíaca, la respiración o la temperatura corporal. El propósito de este proyecto es investigar, experimentar, desarrollar e implementar una red de sensores de bajo costo simple, de bajo costo, como código abierto y una plataforma basada en protocolos abiertos para transmitir formas de onda de audio e información de ubicación triangulada a una nube de análisis de audio fuera del sitio para la clasificación y las acciones de alerta.
Una ventaja adicional de mover el procesamiento final a la nube es que ofrece protección de algoritmos confidenciales y datos contra los intentos de penetración. Las unidades de campo pueden restringirse a una funcionalidad relativamente elemental que es indiferente al compromiso.
El objetivo general del proyecto es prototipos y demostrar la trabajabilidad de los sistemas coordinados y numerosos de sensores de baja potencia con un caso de prueba particular de recepción de audio y transmisión para la identificación y ubicación de sonidos particulares como disparos. El sistema final será de bajo costo; Es decir, dos órdenes de magnitud menos costosos en CAPEX, Instalación y OPEX en comparación con los enfoques existentes y utilizarán capacidades de estándares abiertos que incluyen 6LOWPAN, IP/TCP, COAP, MQTT y HTTP para comunicaciones de sensores. El sistema permitirá a terceros integrar su propia experiencia a través de una interfaz de programación de aplicaciones de nube publicada (API) para proporcionar un mejor análisis de datos, clasificación y alerta.
En el curso de la construcción de un sistema de funcionamiento, necesariamente probaremos y verificaremos:
Hay una serie de diferentes tecnologías de RF disponibles en la actualidad, pero la mayoría de las compensaciones de baja potencia para una distancia limitada y, por lo tanto, requieren arquitecturas de red de malla de múltiples saltos. Estos diseños aumentan la complejidad de la red; No se ha implementado ampliamente la red de nodo de malla para dormir realmente escalable y fácilmente escalable. Alternativamente, la mayoría de las redes de topología de estrellas actuales son de distancia extremadamente limitada (BT o BTLE) o hambriento de potencia (WiFi, celular). Las tecnologías más nuevas de LPWAN, como Lora, prometen entregar una mayor distancia, aislamiento de múltiples matriz, potencia baja/permanente, cifrado incorporado e instalación simple no ingeniería.
En la actualidad, hay sistemas de análisis de disparos, pero no aprovechan la capacidad LPWAN de baja potencia de largo alcance y, por lo tanto, han invertido en hacer que cada sensor sea extremadamente capaz, pero costoso y voluminoso. No somos conscientes de ningún sistema que pueda escalar hasta cientos o incluso miles de sensores para cubrir con precisión un área grande con un bajo costo por sensor. Esta capacidad de redes podría establecer contactos invisiblemente detectores de disparos individuales sin aumentar la carga del equipo, mejorando la inteligencia del campo de batalla. Una red de sensores tan densa puede, en teoría, geolocar a los ruidos de manera más confiable que un pequeño número de sensores.
Nuestro objetivo final es demostrar que la tecnología LPWAN permite colocar un conjunto denso de sensores discretos y económicos en un área grande y transmitir señales de audio digitalizadas con suficiente ancho de banda para realizar una detección de disparos útiles. Nuestro objetivo final es hacer un "nodo sensor" de $ 25 del tamaño de un mazo de cartas que se puede lanzar (un "lanzamiento") de un camión en movimiento o entregado por drones y dejar en el entorno durante mucho tiempo para proporcionar una capacidad útil. El área detectada será de aproximadamente 10 kilómetros cuadrados y requerirá de 4 a 6 estaciones base. No es la intención de este proyecto desarrollar el mejor sistema de análisis de disparos, sino proporcionar un webhook abierto para que otros proporcionen un análisis sofisticado. Nos estamos centrando en las capacidades IoT de la tecnología LPWAN.
Cada nodo del sensor tendrá un solo sensor de audio o un pequeño conjunto de sensores para producir una sola señal de audio. Cada nodo tendrá una radio Lora y suficiente energía de batería para las pruebas, con una fuente de alimentación fotovoltaica opcional. Cada nodo tendrá suficiente digitalización de audio y potencia de procesamiento de señal para codificar la señal de audio y tal vez decidir si la señal de audio merece ser transmitida. Un diseño inicial puede ser un volumen simple, pero un filtro de banco de frecuencia podría usarse más tarde para identificar disparos con mayor precisión.
Inicialmente, cada nodo del sensor de audio se geolocará con precisión con un sistema GPS. Probaremos las capacidades de geolocalización incorporadas que ofrece la tecnología Lora contra el sistema GPS. Se utilizarán más de cuatro puertas de enlace para demostrar el sistema completo en un rango que cubrirá 10 kilómetros cuadrados de "escucha" efectiva. Los nodos del sensor transmitirán suficiente audio (conservar la potencia y el procesamiento siempre que sea posible) para geolocar disparos dentro del área de detección.
Las formas de onda de audio se transmitirán a las puertas de enlace conectadas a través de WiFi o Ethernet a un servidor de red que se vuelve a girar hacia adelante las formas de onda a un sistema basado en la nube para su análisis. Proponemos construir dos interfaces de usuario (usuario final e ingeniería), lo que admitirá las pruebas de nuestro propio sistema, así como sistemas de procesamiento acústico de terceros, si alguna empresa usa la interfaz Webhook. La interfaz del usuario final se diseñará para que un primer proveedor reaccione a un disparo en el campo. Es decir, simplificará los datos a la característica más importante: ¿dónde está el evento, cuál es la probabilidad de error circular geográfico del evento y qué tan probable fue un disparo de armas?
La interfaz de ingeniería, por otro lado, proporcionará una interfaz mucho más rica, exponiendo la señal recibida por cada nodo y los detalles del evento acústico. Esta interfaz de usuario será utilizada por nosotros mismos y otros investigadores calificados para probar el sistema. Las interfaces de usuario utilizarán una separación arquitectónica estándar basada en API, que permitirá a un tercero construir un sistema de análisis extendido.
Nuestro principal énfasis está en el concepto de redes de sensores densas de bajo costo basadas en la tecnología LPWAN. Tenemos la intención de mantener una separación clara entre el software para analizar las transmisiones de audio a los fines de la geolocalización y el resto del sistema de transmisión. Esto permitirá a DARPA u otras organizaciones construir o utilizar sistemas de análisis de disparos competitivos o preexistentes basados en nuestro hardware LPWAN. Proporcionaremos suficiente geolocalización de audio para probar efectivamente el sistema; Sospechamos que otras empresas o desarrollo posterior de la concesión proporcionarán más software basado en la nube de análisis de disparos.
Los servicios en la nube utilizarán API web, proporcionando una interfaz común para acceder a datos sin procesar, agregados y análisis resultante. Esta implementación de API liviana de bajo costo permitirá que los datos y el audio se accedan a través de la web de una manera segura pero conveniente, utilizando las prácticas de gestión de API existentes incluyen:
Las API del proyecto permitirán la integración y la agregación del sistema al sistema, así como el desarrollo de aplicaciones web, móviles y de dispositivos que aumentan la funcionalidad del proyecto. Esto abrirá el sistema a los investigadores y otras agencias para el análisis y las pruebas en diferentes aplicaciones y contextos y con una tecnología de análisis diferente.
Creemos que el uso del relativamente nuevo Lora LPWAN para esta aplicación no está explorado. Como tal, habrá desafíos relacionados con la transmisión exitosa de datos de audio que responden las siguientes preguntas:
Un desafío para la interfaz de usuario es proporcionar información suficiente a las transmisiones de audio para permitir a los investigadores comprender completamente el rendimiento y las limitaciones del sistema. La interfaz de usuario debe ser lo suficientemente buena como para que un usuario no calificado comprenda la geolocalización de disparos.
Cuando se complete, este proyecto demostrará que una red de sensores distribuida simple, de bajo costo, se puede implementar fácilmente y puede usarse para identificar y localizar disparos. Tanto las ciudades como los militares podrían usar este diseño deploable de campo tanto para la red rápida, instalada temporalmente como para la instalación de la red de sensores a largo plazo. Según los estándares abiertos, el sistema demostrará extensibilidad y permitirá la evolución de nuevas características, funciones y capacidades. La capacidad de colocar una red robusta de sensores económicos y discretos en ubicaciones aleatorias más o menos y menos y detectar con precisión los disparos permite una respuesta rápida a una acción violenta.
La capacidad de proporcionar un costo extremadamente bajo y fácil de implementar un campo de sensor de audio que permita una fácil identificación y disparos de ubicación cambiará la dinámica tanto para los socorristas como para el personal militar en un teatro de operación.
Además, la base de redes de redes de base también podría adaptarse a otras funciones del sensor para incluir niveles de ruido o tráfico, detección de flujo de agua o contaminación del agua, detección de vibraciones, químico dañino o detección de radiactividad.
Es la intención de este proyecto avanzar en la comprensión de la funcionalidad de redes de sensores LPWAN, capacidades, rendimiento y costos aplicados a un amplio espectro de áreas de aplicación IoT. No es el objetivo de este proyecto diseñar, construir y comercializar esta aplicación específica de disparos, sino proporcionar a la industria una plataforma viable para que otros se construyan y desarrollaran una comprensión más profunda de las compensaciones relacionadas con el consumo de energía de procesamiento de sensor en vs. consumo de energía de la transmisión de datos de sensores sin procesar y proporcionar a la industria abierta de la industria y la API interfaces a las redes subyacentes y la plataforma de los sensores y la plataforma.
La red de sensores completada abarcará un área circular de aproximadamente 10 kilómetros cuadrados e incluirá las puertas de enlace 4-6 y un mínimo de 30 sensores densamente desplegados para permitir la geolocalización de disparos en la escala de 10s de metros en un entorno rural. Los servicios en la nube desarrollados durante el proyecto proporcionan el análisis de datos para la coincidencia de forma de onda y el mapeo de triangulación.
Como este proyecto será un desafío, planeamos desarrollar esta funcionalidad en las etapas, cada una de las cuales demostrará capacidades crecientes. Los sistemas de hardware utilizados en el nodo del sensor en cada una de estas etapas se representan anteriormente.
Etapa #1: Simule el subsistema de audio, pero pruebe las capacidades de radio. Colocaremos 10 "estaciones de escucha" programadas para enviar señales de audio simuladas. Estos serán geolocados manualmente con un sistema GPS portátil. Al usar 4+ estaciones base, podremos probar la funcionalidad de geolocalización "tiempo de llegada" no basada en GPS de LORA y compararla con la geolocalización GPS. Las MCU de la estación de escucha se programarán para informar un "golpe" cada 5 segundos. Esto nos permitirá probar el sistema de extremo a extremo:
Una realización de hardware probable de esta etapa es el ST Nucleo-Lrwan1 o la pluma Adafruit Arduino con potencia cero.
Etapa #2: agregaremos un subsistema de audio digitalizado real utilizando un digitalizadores de audio computarizados de $ 250 con los que ya tenemos experiencia. Estos consumirán más poder que nuestro sistema de objetivos finales, pero nos permitirán:
Etapa #3: se centrará en:
Si este proyecto es exitoso, una extensión (fuera del alcance de esta subvención) intentaría escalar la red de un prototipo simple a más de 100 nodos y más de 10 puertas de enlace para garantizar el rendimiento de la comunicación, la interferencia y la protección multiplicar. Otra prueba importante será probar en un entorno urbano de tipo medio, que está fuera del alcance de su propuesta.
Los objetivos de diseño de este proyecto son una red de sensores muy densa de bajo costo y baja potencia con estaciones base estacionarias y sensores estacionarios. En otra investigación de la red de sensores (no parte de este proyecto), se utilizaría la misma tecnología básica, pero en lugar de audio, los sensores y la red transmitirían la condición de la telemetría (salud humana o del dispositivo) de los sensores móviles. El proyecto investigaría la geolocalización y la localización de sensores móviles.
El costo total del proyecto propuesto es de $ 500,808 (excluyendo el costo compartido propuesto). Consulte el archivo adjunto de Excel de correo electrónico, "Dense Sense Cost Model", para un desglose completo y una base para los costos.
Si se permite bajo las diversas autoridades de adquisición disponibles, preferiríamos un contrato de precio fijo de la empresa con pagos de progreso mensuales uniformes.
Como nueva empresa de inicio, presentaría cierto riesgo financiero para absorber el 50% de los costos propuestos; Sin embargo, podemos absorber administrando el 30% de los costos (o $ 150,242), para un total de costos propuestos para el gobierno de $ 350,566 .
Geoff Mulligan es un investigador de protocolo de IoT e Internet y el creador del Protocolo 6LOWPAN. Fundó la alianza IPSO, ayudó a diseñar IPv6, sirvió como representante de los Estados Unidos para el proyecto ISO Smart and Sostenible Cities y es presidente de la Alianza Lora. Geoff pasó más de 10 años como oficial de la Fuerza Aérea y se desempeñó como becario de innovación presidencial en 2013. Se unió a Skylight Digital LLC como socio en 2017.
Robert L. Read, PhD , es arquitecto de software, inventor y autor. Se desempeñó como becario de innovación presidencial en 2013 y cofundó 18F. Es el fundador de Public Invention, que está explorando un enfoque radical para la robótica. Ha ocupado puestos a nivel de director en nuevas empresas y firmas de software de tamaño mediano desde 2001. Se unió a Skylight Digital LLC como socio en 2017.
Martin Leo Smith tiene títulos en geofísica de Caltech y un doctorado en el mismo campo de la Universidad de Princeton. Ha trabajado en la Universidad de Colorado en Boulder, Colorado; el Centro de Investigación de Amoco en Tulsa, Oklahoma; y se retiró como científico jefe de la investigación de Nueva Inglaterra en Vermont en 2008. Es el propietario de Blindgoat Geophysics, su compañía de consultoría. Es ciudadano estadounidense y sirvió durante varios años como oficial de ingeniero en el ejército de los Estados Unidos.
Se espera que utilicemos hardware comercial (COTS) para la plataforma de sensores y las puertas de enlace. Se utilizarán protocolos estándar abiertos para garantizar una red abierta y extensible. Todo el software que desarrollamos se publicará en el dominio público (es decir, la licencia Creative Commons Zero). La API Webhook que producimos será completamente documentada y apoyada durante la duración de esta subvención si alguien elige usarla durante esta subvención.
Maher, Robert C. "Caracterización acústica de disparos". Aplicaciones de procesamiento de señales para seguridad pública y forense, 2007. Safe'07. Taller de IEEE en . IEEE, 2007.
Chacon-Rodríguez, Alfonso, et al. "Evaluación de algoritmos de detección de disparos". Transacciones IEEE en circuitos y sistemas I: documentos regulares 58.2 (2011): 363-373.
Beutel, Kurt Gavin. "Comunicaciones de dispositivos remotos de utilidad de potencia utilizando una red de área ancha de baja potencia (LPWAN) basada en el estándar de comunicaciones de Lora". (2016).
Lorawan 101
Semtex SX1272 Hoja de datos
P-nucleo-lrwan1
Tablero de plumas de adrafruit
TI MSP430F5529 MCU Ultra baja potencia
Módulos de RF de largo rango de Mutlitech
