darpa dense sense proposal
1.0.0
| Referência de solicitação | Defense Advanced Research Projects Agency / Microsystems Technology Office / Commercial Performer Program Anúncio / DARPA-PA-17-01 |
| Organização principal | Skylight Digital LLC |
| Subcontratados / acordos de equipe | A execução do trabalho proposto envolverá vários terceiros, conforme listado no denso modelo de custo de senso (consulte o anexo do Excel email). Os acordos formais serão executados mediante notificação de seleção. |
| Ponto administrativo de contato | Chris Cairns |
| Ponto técnico de contato | Geoff Mulligan |
| Título de esforço proposto | Sentido denso - Rede densa e barata de sensores de rede de área de baixa potência efêmero de baixa potência |
| Área técnica | Internet das coisas, sensores de rede de ampla área de baixa potência, dados abertos baseados em nuvem e plataforma de análise |
| Lugar e período de desempenho | Colorado Springs, CO; 12 meses a partir da data da execução do contrato |
| DUNS # | 080202677 |
Com a nova tecnologia de rede de baixa área de baixa potência (LPWAN), agora é possível construir uma rede de sensores de colheita de energia ou de energia de bateria que possam ser colocados de forma discreta e facilmente em toda a cidade ou área -alvo. Como isso pode ser barato e usar pouca energia, é econômico implantar um número muito grande de sensores, que chamamos de rede de sensores "densa".
Um exemplo dessa nova classe de sensores pode capturar e transmitir formas de onda de áudio simples para um serviço em nuvem onde são analisados, desambigados e triangulados para identificar o tipo e a localização e a hora de um "ruído" específico. Esses "ruídos" podem ser categorizados, na nuvem e, se determinados como um tiro, as informações serão transmitidas às agências apropriadas e potencialmente outros sistemas de sensores. Outros tipos de sensores podem transmitir vários outros dados de telemetria, como temperatura, vibração, radiação, qualidade do ar, luz ou mesmo fatores humanos, como freqüência cardíaca, respiração ou temperatura corporal. O objetivo deste projeto é investigar, experimentar, desenvolver e implantar uma rede simples de sensor de potência simples e de baixo custo como uma plataforma de código aberto e baseado em protocolo aberto para retransmitir formas de onda de áudio e informações de localização triangular para uma nuvem de análise de áudio externa para classificação e alerta de ações.
Uma vantagem adicional de mover o processamento final para a nuvem é que ela oferece proteção de algoritmos e dados sensíveis contra tentativas de penetração. As unidades de campo podem ser restritas à funcionalidade relativamente elementar, que é indiferente ao compromisso.
O objetivo geral do projeto é protótipo e provar a trabalhabilidade de vários sistemas coordenados de sensores de baixa potência com um caso de teste específico de recepção e transmissão de áudio para identificação e localização de sons específicos, como tiros. O sistema final terá baixo custo; Ou seja, duas ordens de magnitude menos baratas no Capex, instalação e OPEX em comparação com as abordagens existentes e usarão recursos de padrões abertos, incluindo 6LowPan, IP/TCP, CoAP, MQTT e HTTP para comunicações de sensores. O sistema permitirá que terceiros integrem seus próprios conhecimentos por meio de uma interface de programação de aplicativos em nuvem publicada (API) para fornecer uma análise, classificação e alerta de dados aprimorados.
No decorrer da construção de um sistema em funcionamento, testaremos e verificaremos e verificaremos:
Atualmente, existem várias tecnologias de RF diferentes disponíveis, mas a maioria negocia com baixa potência por distância limitada e, portanto, requer arquiteturas de rede de malha de vários saltos. Esses projetos aumentam a complexidade da rede; Nenhuma rede de nó de malha de malha para dormir verdadeiramente e facilmente escalável foi amplamente implantada. Como alternativa, a maioria das redes de topologia em estrela atuais são de distância extremamente limitada (BT ou Btle) ou com fome de energia (Wi -Fi, celular). Tecnologias LPWAN mais recentes, como a Lora, mostram promessas de proporcionar maior distância, isolamento de múltiplos, baixa/permanente de energia, criptografia interna e instalação simples sem engenharia.
Atualmente, existem sistemas de análise de tiro, mas eles não tiram proveito de baixa potência, capacidade de longo alcance LPWAN e, portanto, investiram em tornar cada sensor extremamente capaz, mas caro e volumoso. Não estamos cientes de nenhum sistema que possa escalar até centenas ou até milhares de sensores para cobrir com precisão uma grande área com um baixo custo por sensor. Essa capacidade de rede pode conectar invisivelmente os detectores individuais de bala sem aumentar a carga de equipamentos, aumentando a inteligência do campo de batalha. Uma rede de sensores tão densa pode, em teoria, geolocar ruídos de maneira mais confiável do que um pequeno número de sensores.
Nosso objetivo final é demonstrar que a tecnologia LPWAN permite que um conjunto denso de sensores discretos e baratos seja colocado em uma grande área e transmitisse sinais de áudio digitalizados com largura de banda suficiente para realizar detecção útil de tiro. Nosso objetivo final é fazer um "nó sensor" de US $ 25 do tamanho de um baralho de cartas que pode ser jogado (um "arremesso") de um caminhão em movimento ou entregue por drones e deixado no ambiente por um longo tempo para fornecer capacidade útil. A área detectada será de aproximadamente 10 quilômetros quadrados e requer 4 a 6 estações base. Não é a intenção deste projeto desenvolver o melhor sistema de análise de armas, mas fornecer um webhook aberto para que outras pessoas forneçam análises sofisticadas. Estamos focando nos recursos da IoT da tecnologia LPWAN.
Cada nó do sensor terá um único sensor de áudio ou um pequeno conjunto de sensores para produzir um único sinal de áudio. Cada nó terá um rádio Lora e energia de bateria suficiente para teste, com uma fonte de energia fotovoltaica opcional. Cada nó terá digitalização de áudio e energia de processamento de sinal suficiente para codificar o sinal de áudio e talvez decidir se o sinal de áudio merece ser transmitido. Um design inicial pode ser um volume simples, mas um filtro de banco de frequência pode ser usado posteriormente para identificar tiros com mais precisão.
Inicialmente, cada nó do sensor de áudio será geolocado com precisão com um sistema GPS. Testaremos os recursos de geolocalização internos oferecidos pela própria tecnologia LORA contra o sistema GPS. Mais de quatro gateways serão usados para demonstrar o sistema completo em um intervalo que cobrirá 10 quilômetros quadrados de "escuta" eficaz. Os nós do sensor transmitirão áudio suficientes (conservação de energia e processamento sempre que possível) para geolocar tiros na área de detecção.
As formas de onda de áudio serão transmitidas aos gateways conectados via WiFi ou Ethernet a um servidor de rede que encaminhe as formas de onda para um sistema baseado em nuvem para análise. Propomos criar duas interfaces de usuário (usuário final e engenharia), que apoiarão o teste de nosso próprio sistema, bem como os sistemas de processamento acústico de terceiros, se e quando alguma empresa usar a interface webhook. A interface do usuário final será projetada para um primeiro-resposta para reagir a um tiro no campo. Isto é, simplificará os dados apenas para o recurso mais importante: onde é o evento, qual é a probabilidade de erro circular geográfico do evento e qual a probabilidade de um tiro?
A interface de engenharia, por outro lado, fornecerá uma interface muito mais rica, expondo o sinal recebido por cada nó e detalhes do evento acústico. Essa interface do usuário será usada por nós mesmos e outros pesquisadores qualificados para testar o sistema. As interfaces do usuário usarão a separação arquitetônica baseada em API padrão, que permitirá que um terceiro construa um sistema de análise estendido.
Nossa ênfase principal está no conceito de redes densas e de sensores de baixo custo com base na tecnologia LPWAN. Pretendemos manter uma separação clara entre o software para analisar os fluxos de áudio para fins de geolocalização e o restante do sistema de transmissão. Isso permitirá que a DARPA ou outras organizações construam ou usem sistemas de análise de tiro competitivos ou pré-existentes com base em nosso hardware LPWAN. Forneceremos geolocalização de áudio suficiente para testar efetivamente o sistema; Suspeitamos que outras empresas ou desenvolvimento subsequente forneçam mais software baseado em nuvem de análise de armas.
Os serviços em nuvem utilizarão as APIs da Web, fornecendo uma interface comum para acessar dados brutos, agregar e resultar em análise. Essa implementação da API leve e de baixo custo permitirá que os dados e o áudio sejam acessados pela Web de maneira segura, mas conveniente, usando as práticas de gerenciamento de API existentes incluem:
O Project APIs permitirá a integração e a agregação do sistema a sistema, bem como o desenvolvimento de aplicativos Web, Mobile e outros dispositivos que aumentam a funcionalidade do projeto. Isso abrirá o sistema para pesquisadores e outras agências para análise e teste em diferentes aplicações e contextos e com diferentes tecnologias de análise.
Acreditamos que o uso do relativamente novo Lora LPWAN para este aplicativo é inexplorado. Como tal, haverá desafios relacionados à transmissão bem -sucedida de dados de áudio que respondem às seguintes perguntas:
Um desafio para a interface do usuário é fornecer informações suficientes para os fluxos de áudio para permitir que os investigadores entendam completamente o desempenho e as limitações do sistema. A interface do usuário deve ser boa o suficiente para um usuário não qualificado entender a geolocalização de tiros.
Quando concluído, este projeto demonstrará que uma rede de sensores distribuída simples e de baixo custo pode ser facilmente implantada e pode ser usada para identificar e localizar tiros. Tanto as cidades quanto as forças armadas poderiam usar esse design de campo de campo para a rede rápida e instalada temporariamente, bem como a instalação da rede de sensores de longo prazo. Com base nos padrões abertos, o sistema demonstrará extensibilidade e permitirá a evolução de novos recursos, funções e recursos. A capacidade de colocar uma rede robusta de sensores baratos e discretos em locais aleatórios mais ou menos e detectar com precisão os tiros permite uma resposta rápida a ações violentas.
A capacidade de fornecer um campo de sensor de áudio extremamente baixo e simples de implantar que permita a identificação e os tiros fáceis de identificação mudará a dinâmica para os socorristas e para o pessoal militar em um teatro de operação.
Além disso, a base de rede aberta base também pode ser adaptada a outras funções do sensor para incluir níveis de ruído ou tráfego, fluxo de água ou detecção de contaminação por água, detecção de vibrações, detecção de produtos químicos nocivos ou radioatividade.
É intenção deste projeto avançar o entendimento da funcionalidade, capacidades, desempenho e custos do LPWAN Sensor Networking, conforme aplicado a um amplo espectro de áreas de aplicação da IoT. Não é o objetivo deste projeto projetar, construir e comercializar esse aplicativo específico de tiro, mas, em vez disso, fornecer ao setor uma plataforma viável para que outras pessoas desenvolvam e desenvolvam uma compreensão mais profunda das trocas relacionadas ao consumo de energia do processamento no sensor versus consumo de energia da transmissão de dados de sensores e forneça à indústria de código aberto e interfaces de API para o consumo de sensores subsídios.
A rede de sensores completa abrange uma área circular de aproximadamente 10 quilômetros quadrados e incluirá os 4-6 gateways e um mínimo de 30 sensores densamente implantados para permitir a geolocalização de tiros na escala de 10s de metros em um ambiente rural. Os serviços em nuvem desenvolvidos durante o projeto fornecem a análise de dados para correspondência de formas de onda e mapeamento de triangulação.
Como esse projeto será desafiador, planejamos desenvolver essa funcionalidade em estágios, cada um dos quais demonstrará recursos crescentes. Os sistemas de hardware usados no nó do sensor em cada um desses estágios são retratados acima.
Etapa 1: simule o subsistema de áudio, mas teste os recursos de rádio. Colocaremos 10 "estações de audição" programadas para enviar sinais de áudio simulados. Estes serão geolocados manualmente com um sistema GPS portátil. Usando mais de 4 estações básicas, poderemos testar a funcionalidade geolocória de "tempo de chegada" que não é baseada em GPS e compará-la com a geolocalização do GPS. O MCUS da estação de escuta será programado para relatar um "estrondo" a cada 5 segundos. Isso nos permitirá testar o sistema de ponta a ponta:
Uma provável personificação de hardware deste estágio é o ST Nucleo-Lrwan1 ou a Pena de Zero Adafruit Arduino.
Etapa 2: adicionaremos um subsistema de áudio digitalizado real usando um digitalizador de áudio computadorizado de US $ 250 com o qual já temos experiência. Isso consumirá mais poder do que nosso sistema de metas finais, mas nos permitirá:
Etapa 3: focará em:
Se este projeto for bem -sucedido, uma extensão (fora do escopo desta concessão) tentaria dimensionar a rede de protótipo simples para mais de 100 nós e mais de 10 gateways para garantir o desempenho da comunicação, a interferência e a proteção de múltiplas. Outro teste importante será testar em um ambiente urbano do tipo médio, que está fora do escopo de sua proposta.
As metas de design deste projeto são uma rede de sensores muito densos de baixo custo e de baixa potência, com estações base estacionárias e sensores estacionários. Em outra investigação de rede de sensores (não parte deste projeto), a mesma tecnologia básica seria usada, mas, em vez de áudio, os sensores e a rede retransmitiriam a telemetria da condição (saúde humana ou de dispositivo) dos sensores de mudança. O projeto investigaria a geolocalização e a localização de sensores em movimento.
O custo total do projeto proposto é de US $ 500.808 (excluindo o compartilhamento de custos proposto). Consulte o anexo do Email Excel, "Modelo de custo de senso denso", para obter uma discriminação completa e base para os custos.
Se permitido sob as várias autoridades de aquisição disponíveis, preferimos um contrato de preço fixo com pagamentos mensais uniformes.
Como uma nova empresa de startups, apresentaria algum risco financeiro absorver 50% dos custos propostos; No entanto, podemos absorver gerenciamento 30% dos custos (ou US $ 150.242), por um total de custos propostos para o governo de US $ 350.566 .
Geoff Mulligan é pesquisador de IoT e Protocolo de Internet e criador do protocolo 6LowPan. Ele fundou a IPSO Alliance, ajudou a projetar o IPv6, atuou como representante dos EUA no projeto Cidades Smart e Sustentável ISO e é presidente da Lora Alliance. Geoff passou mais de 10 anos como oficial da Força Aérea e atuou como bolsista de inovação presidencial em 2013. Ele ingressou na Skylight Digital LLC como parceiro em 2017.
Robert L. Read, PhD , é arquiteto de software, inventor e autor. Ele atuou como bolsista de inovação presidencial em 2013 e co-fundou 18F. Ele é o fundador da invenção pública, que está explorando uma abordagem radical da robótica. Ele ocupou cargos de nível de diretor em empresas iniciantes e empresas de software de tamanho médio desde 2001. Ele ingressou na Skylight Digital LLC como parceiro em 2017.
Martin Leo Smith possui diplomas em geofísica pela Caltech e um doutorado no mesmo campo pela Universidade de Princeton. Ele trabalhou na Universidade do Colorado em Boulder, Colorado; o Centro de Pesquisa da Amoco em Tulsa, Oklahoma; e aposentado como cientista -chefe da New England Research em Vermont em 2008. Ele é o proprietário da Blindgoat Geophysics, sua empresa de consultoria. Ele é cidadão americano e serviu por vários anos como oficial de engenharia do Exército dos Estados Unidos.
Espera-se que usemos o hardware comercial da plataforma de prateleira (COTS) para a plataforma e os gateways do sensor. Protocolos padrão abertos serão usados para garantir redes abertas e extensíveis. Todo o software que desenvolvemos será lançado no domínio público (ou seja, licença Creative Commons Zero). A API da Webhook que produzimos será totalmente documentada e suportada durante a duração desta concessão, se alguém optar por usá -la durante esta concessão.
Maher, Robert C. "Caracterização acústica de tiros". Aplicativos de processamento de sinal para segurança pública e forense, 2007. Safe'07. Workshop IEEE . IEEE, 2007.
Chacon-Rodriguez, Alfonso, et al. "Avaliação de algoritmos de detecção de bala". IEEE Transações em circuitos e sistemas I: Papers regulares 58.2 (2011): 363-373.
Beutel, Kurt Gavin. "As comunicações de dispositivo remoto do utilitário de energia usando uma rede de área de baixa potência (LPWAN) com base no padrão de comunicações Lora". (2016).
LORAWAN 101
Folha de dados SEMTEX SX1272
P-nucleo-lrwan1
Quadro de penas de adrafruit
Ti MSP430F5529 MCU Ultra de baixa potência
Módulos de RF de longo alcance de Mutlitech
