darpa dense sense proposal
1.0.0
| Ссылка на запрос | Агентство Advanced Research Projects / Microsystems Technology Office / Программа коммерческих исполнителей / DARPA-PA-17-01 |
| Ведущая организация | Skylight Digital LLC |
| Субподрядчики / командные меры | Выполнение предлагаемой работы будет включать несколько третьих лиц, как указано в модели плотного смысла (см. Вложение по электронной почте Excel). Формальные соглашения будут выполнены при уведомлении о выборе. |
| Административный контакт | Крис Кэрнс |
| Технический контакт | Джефф Маллиган |
| Название предложенного усилия | Плотный смысл - плотная, дешевая сеть эфемерных датчиков сети с широкой площади с низкой мощностью |
| Техническая область | Интернет вещей, сетевые датчики с широкой областью низкой мощности, облачные открытые данные и аналитические платформы |
| Место и период работы | Колорадо -Спрингс, Колорадо; 12 месяцев с даты исполнения контракта |
| Duns # | 080202677 |
Благодаря новой технологии сети с широким уровнем мощности (LPWAN) теперь можно построить сеть датчиков с батарейным питанием или сбора энергии, которые могут быть неисправно и легко разместить по городу или целевой зоне. Поскольку они могут быть недорогими и использовать небольшую мощность, экономично развернуть очень большое количество датчиков, которые мы называем «плотной» сенсорной сетью.
Один из примеров этого нового класса датчиков может захватывать и передавать простые звуковые формы в облачный сервис, где они анализируются, устранены и триангулированы для определения как типа, а также место и времени конкретного «шума». Эти «шумы» могут быть классифицированы в облаке, и если они определены как выстрел, информация будет передана соответствующим агентствам и потенциально другим сенсорным системам. Другие типы датчиков могут передавать различные другие телеметрические данные, такие как температура, вибрация, излучение, качество воздуха, свет или даже человеческие факторы, такие как частота сердечных сокращений, дыхание или температура тела. Цель этого проекта состоит в том, чтобы исследовать, экспериментировать, разрабатывать и развернуть простую, низкую сеть с низким содержанием мощности в качестве платформы с открытым исходным кодом и открытым протоколом для передачи звуковых сигналов и треуголентной информации о местонахождении в облачный анализ Audio Alounte для классификации и оповещения.
Дополнительным преимуществом перемещения окончательной обработки в облако является то, что она обеспечивает защиту конфиденциальных алгоритмов и данных от попыток проникновения. Полевые блоки могут быть ограничены относительно элементарной функциональностью, которая безразлична для компромисса.
Общая цель проекта состоит в том, чтобы прототип и доказать работоспособность скоординированных, многочисленных систем с низким содержанием мощности с конкретным тестовым случаем приема аудио и передачи для идентификации и расположения определенных звуков, таких как выстрелы. Окончательная система будет низкой стоимостью; То есть, на два порядка менее дорогие по капксеру, установке и OPEX по сравнению с существующими подходами и будут использовать возможности открытых стандартов, включая 6lowpan, IP/TCP, COAP, MQTT и HTTP для передачи датчиков. Система позволит третьим сторонам интегрировать свой собственный опыт через опубликованный интерфейс программного программирования облачных приложений (API), чтобы обеспечить улучшенный анализ данных, классификацию и предупреждение.
В процессе создания функционирующей системы мы обязательно проверем и проверим:
Сегодня доступно ряд различных радиочастотных технологий, но большинство обменивают низкую мощность на ограниченное расстояние и, следовательно, требуют архитектур сетей с несколькими хопами. Эти конструкции увеличивают сложность сети; НЕТ действительно и легко масштабируемая RF -сеть сетчатой сетки не была широко развернута. В качестве альтернативы, большинство современных звездных топологических сетей являются либо чрезвычайно ограниченным расстоянием (BT или BTLE), либо голодными (Wi -Fi, Cellular). Новые технологии LPWAN, такие как LORA, обещают обеспечить большую расстояния, многолучевую изоляцию, низкую/постоянную мощность, встроенное шифрование и простую не инженерную установку.
В настоящее время существуют системы анализа выстрелов, но они не используют преимущества низкой мощности, долгосрочных возможностей LPWAN и, следовательно, инвестировали в то, чтобы сделать каждый датчик чрезвычайно способным, но дорогим и громоздким. Мы не знаем о какой-либо системе, которая может масштабироваться до сотен или даже тысяч датчиков, чтобы точно покрыть большую площадь с низкой стоимостью на единицу. Эта сетевая способность может невидимо общаться вместе с отдельными детекторами выстрелов без увеличения нагрузки на оборудование, улучшая разведки на поле боя. Такая плотная сенсорная сеть может в теории, геолокационные шумы более надежно, чем небольшое количество датчиков.
Наша конечная цель состоит в том, чтобы продемонстрировать, что технология LPWAN позволяет установить плотный набор незаметных, недорогих датчиков, которые будут размещены на большой площади, и передавать оцифрованные аудиосигналы с достаточной пропускной способностью для выполнения полезного обнаружения выстрела. Наша конечная цель состоит в том, чтобы сделать «сенсорный узел» за 25 долларов размером с карточную колоду, которую можно бросить («бросание») с движущегося грузовика или доставлена беспилотниками и оставлены в окружающей среде на долгое время, чтобы обеспечить полезную возможность. Ощущенная область будет приблизительно 10 квадратных километров и потребует от 4 до 6 базовых станций. Это не намерение этого проекта разработать лучшую систему анализа выстрелов, а предоставить открытый веб -крючок для других для обеспечения сложного анализа. Мы сосредотачиваемся на возможностях IoT технологии LPWAN.
Каждый узел датчика будет иметь либо один аудио -датчик или небольшой набор датчиков для получения одного аудиосигнала. Каждый узел будет иметь радиора -радио и достаточную мощность батареи для тестирования, с дополнительным фотоэлектрическим источником питания. Каждый узел будет иметь достаточную мощность оцифровки звука и обработки сигналов, чтобы кодировать аудиосигнал и, возможно, решить, заслуживает ли аудиосигнал передачу. Первоначальная конструкция может быть простым объемом, но впоследствии можно использовать фильтр с частотной банкой для более точной идентификации выстрелов.
Первоначально каждый узел аудио -датчика будет точно геолоцирован с помощью системы GPS. Мы проверим встроенные возможности геолокации, предлагаемые самой технологией LORA против системы GPS. Четыре с лишним шлюзы будут использоваться для демонстрации полной системы на диапазоне, которая будет охватывать 10 квадратных километров эффективного «прослушивания». Узлы датчиков будут передавать достаточное количество звука (где это возможно и обработка и обработка) на выстрелы геолокации в области обнаружения.
Аудио-сигналы будут переданы на шлюзы, подключенные через Wi-Fi или Ethernet, к сетевому серверу, который взволнован формы волны в облачную систему для анализа. Мы предлагаем создать два пользовательских интерфейса (конечный пользователь и инженерия), которые будут поддерживать тестирование нашей собственной системы, а также сторонних систем акустической обработки, если и когда какие-либо фирмы используют интерфейс Webhook. Интерфейс конечного пользователя будет предназначен для первого восстановления, чтобы отреагировать на выстрел в поле. Это так, это упростит данные только на наиболее важную функцию: где это событие, какова вероятность географической круговой ошибки события и насколько это было выстрел?
Инженерный интерфейс, с другой стороны, обеспечит гораздо более богатый интерфейс, выявляя сигнал, полученный каждым узлом, и детали акустического события. Этот пользовательский интерфейс будет использоваться нами и другими квалифицированными исследователями для тестирования системы. Пользовательские интерфейсы будут использовать стандартное архитектурное разделение на основе API, которое позволит сторонней системе расширенной системы анализа.
Наш основной акцент делается на концепцию плотных, недорогих сенсорных сетей, основанных на технологии LPWAN. Мы намерены сохранить четкое разделение между программным обеспечением для анализа аудиотоков для целей геолокации и остальной части системы передачи. Это позволит DARPA или другим организациям строить или использовать конкурентные или ранее существовавшие системы выстрела на основе нашего оборудования LPWAN. Мы предоставим достаточную аудио -геолокацию, чтобы эффективно проверить систему; Мы подозреваем, что другие фирмы или разработка последующего гранта обеспечат более широкое анализ облачного программного обеспечения.
Облачные службы будут использовать веб -API, предоставляя общий интерфейс для доступа к необработанным данным, агрегату и полученному анализу. Эта низкая стоимость, легкая реализация API позволит обеспечить доступ к данным, а аудио доступным через Интернет - безопасным, но удобным способом, используя существующие методы управления API, включающие:
Project API-интерфейсы позволят интеграцию и агрегацию системы к системе, а также разработку веб-приложений, мобильных и других устройств, которые дополняют функциональность проекта. Это откроет систему для исследователей и других агентств для анализа и тестирования в различных приложениях и контекстах, а также с различной технологией анализа.
Мы считаем, что использование относительно новой Lora Lpwan для этого приложения неисследовано. Таким образом, возникают проблемы, связанные с успешной передачей аудиоданных, отвечающих на следующие вопросы:
Задача пользовательского интерфейса состоит в том, чтобы дать достаточное представление о аудио -потоках, чтобы следователи могли полностью понять производительность и ограничения системы. Пользовательский интерфейс должен быть достаточно хорошим для неквалифицированного пользователя, чтобы понять геолокацию выстрелов.
После завершения этот проект продемонстрирует, что простая, недорогая распределенная сенсорная сеть может быть легко развернута и может использоваться для определения и определения выстрелов. Как города, так и военные могут использовать эту область, развертываемую полевой, как для быстрой, временно установленной сети, так и для долгосрочной установки сенсорной сети. Основываясь на открытых стандартах, система продемонстрирует расширяемость и позволяет развивать новые функции, функции и возможности. Способность разместить надежную сеть недорогих, незаметных датчиков в более или менее случайных местах и точно обнаруживает выстрелы, позволяет быстро реагировать на насильственные действия.
Возможность обеспечить чрезвычайно низкую стоимость и простой в развертывании поле аудио -датчика, которое позволяет легко идентификации и выстрелам на местоположении изменит динамику как для первых респондентов, так и для военнослужащих в театре операции.
Кроме того, базовый открытый сетевый фундамент также может быть адаптирован к другим функциям датчиков, чтобы включить шум или уровни движения, восприятие потока воды или зондирование загрязнения воды, зондирование вибрации, вредное химическое или радиоактивное зондирование.
Намерение этого проекта способствует пониманию понимания функциональности, возможностей, производительности и затрат LPWAN. Это не цель этого проекта по проектированию, созданию и коммерциализации этого конкретного применения выстрела, а вместо этого предоставить отрасли работоспособную платформу для других, чтобы построить и разрабатывать более глубокое понимание компромиссов, связанных с потреблением мощности обработки на полуотлете в зависимости от использования передачи данных и платформы датчиков.
Завершенная сенсорная сеть будет включать в себя круговую площадь приблизительно 10 квадратных километров и включать 4-6 шлюзов и минимум 30 густона развернутых датчиков, чтобы обеспечить геолокацию выстрелов в масштабе 10-х метров в сельской среде. Облачные сервисы, разработанные в ходе проекта, обеспечивают аналитику данных для сопоставления форм сигнала и отображения триангуляции.
Поскольку этот проект будет сложным, мы планируем разработать эту функциональность поэтапно, каждый из которых продемонстрирует увеличение возможностей. Аппаратные системы, используемые в узле датчика на каждом из этих этапов, изображены выше.
Этап № 1: Моделируйте аудио подсистему, но протестируйте радиоприемники. Мы поместим 10 «станций прослушивания», запрограммированные для отправки моделируемых аудиосигналов. Они будут вручную геолоцированы с помощью ручной системы GPS. Используя 4+ базовых станций, мы сможем проверить функциональность геолокации LORA, не на основе HPS, и сравнить ее с геолокацией GPS. MCU of the Sulde Station будут запрограммированы, чтобы сообщать о «взрыве» каждые 5 секунд. Это позволит нам проверить сквозную систему:
Вероятным аппаратным вариантом осуществления этой стадии является ST Nucleo-Lrwan1 или перо adafruit arduino Zero.
Этап № 2: Мы добавим настоящую оцифрованную аудио подсистему, используя компьютеризированные аудиоцифровки в размере 250 долларов, с которыми у нас уже есть опыт. Они будут потреблять больше власти, чем наша конечная система целей, но позволит нам:
Этап № 3: сосредоточится на:
Если этот проект будет успешным, расширение (за пределами объема этого гранта) попытается масштабировать сеть от простого прототипа до 100+ узлов и 10+ шлюзов, чтобы обеспечить эффективность связи, помехи и многолучевую защиту. Еще одним важным тестом будет тестирование в городской среде среднего типа, которая выходит за рамки его предложения.
Цели проектирования этого проекта - это низкая стоимость, очень плотная сеть датчиков со стационарными базовыми станциями и стационарными датчиками. В другом исследовании сети сенсорной сети (не частью этого проекта) будет использоваться та же базовая технология, но вместо аудио датчики и сеть будут решать телеметрию (здоровье человека или устройства) от перемещения датчиков. Проект будет исследовать геолокацию и локализацию движущихся датчиков.
Общая предложенная стоимость проекта составляет 500 808 долл. США (за исключением предлагаемого распределения затрат). Пожалуйста, смотрите вложение Excel Excel, «Модель плотного смысла», для полного разрыва и основы для затрат.
Если бы в соответствии с различными органами по приобретению разрешено в рамках различных органов по приобретению, мы бы предпочли контракт с фирменным фирменным центром с едиными ежемесячными платежами по прогрессу.
Как новая стартап -компания, она предпримет некоторый финансовый риск для поглощения 50% от предлагаемых затрат; Тем не менее, мы можем управлять 30% от затрат (или 150 242 долл. США), что является общей суммой предлагаемых затрат для правительства в размере 350 566 долл. США .
Джефф Маллиган - исследователь IoT и интернет -протокола и создатель протокола 6lowpan. Он основал альянс IPSO, помог спроектировать IPv6, служил представителем США в проекте ISO Smart and Sustainable Cities и является председателем альянса Lora. Джефф провел более 10 лет в качестве офицера ВВС и занимал должность президента по инновациям в 2013 году. Он присоединился к Skylight Digital LLC в качестве партнера в 2017 году.
Роберт Л. Рид, доктор философии , является архитектором программного обеспечения, изобретателем и автором. Он работал президентом по инновациям в 2013 году и соучредил 18F. Он является основателем Public Invention, которое исследует радикальный подход к робототехнике. С 2001 года он занимал должности на уровне директоров в стартапах и программных фирмах среднего размера. Он присоединился к Skylight Digital LLC в качестве партнера в 2017 году.
Мартин Лео Смит имеет степени в области геофизики от Caltech и докторскую степень в той же области в Принстонском университете. Он работал в Университете Колорадо в Боулдере, штат Колорадо; Исследовательский центр Amoco в Талсе, штат Оклахома; и ушел в отставку в качестве главного ученых из исследований Новой Англии в Вермонте в 2008 году. Он является владельцем Heophysics, его консалтинговой компании Blindgoat. Он является американским гражданином и несколько лет служил инженером в армии Соединенных Штатов.
Ожидается, что мы будем использовать аппаратное обеспечение коммерческого сборов (COTS) для датчической платформы и шлюзов. Протоколы открытых стандартов будут использоваться для обеспечения открытой и расширяемой сети. Все программное обеспечение, которое мы разрабатываем, будет выпущено в общественное достояние (то есть, Creative Commons Zero License). API Webhook, который мы производим, будет полностью задокументирована и поддерживается на время этого гранта, если кто -то решит использовать его во время этого гранта.
Махер, Роберт С. «Акустическая характеристика выстрелов». Приложения для обработки сигналов для общественной безопасности и криминалистики, 2007. Safe'07. IEEE Workshop . IEEE, 2007.
Chacon-Rodriguez, Alfonso, et al. «Оценка алгоритмов обнаружения выстрела». IEEE Транзакции на схемах и системах I: Обычные документы 58.2 (2011): 363-373.
Беутель, Курт Гэвин. «Утилита дистанционного управления с использованием сети с широкой площади с широкой площади (LPWAN) на основе стандарта связи LORA». (2016).
Лораван 101
Semtex SX1272 DataShing
P-NUCLEO-LRWAN1
Adrafruit Feather Board
TI MSP430F5529 Ultra Low-Power MCU
Mutlitech Long Range RF -модули
