darpa dense sense proposal
1.0.0
| 招标参考 | 国防高级研究项目机构 /微系统技术办公室 /商业表演者计划公告 / DARPA-PA-17-01 |
| 领导组织 | Skylight Digital LLC |
| 分包商 /团队安排 | 所提出的工作的执行将涉及几个第三方，如密集的意义成本模型中所述（请参阅电子邮件Excel附件）。选择通知时将执行正式安排。 |
| 行政联系 | 克里斯·凯恩斯（Chris Cairns） |
| 技术接触点 | 杰夫·穆里根（Geoff Mulligan） |
| 拟议的头衔 | 浓密的感官 - 密集，廉价的短暂低功率广泛区域网络传感器 |
| 技术领域 | 物联网，低功率广泛区域网络传感器，基于云的开放数据和分析平台 |
| 绩效的地点和期间 | 科罗拉多斯普林斯公司；合同执行之日起12个月 |
| Duns＃ | 080202677 |
借助较新的低功率广域网络（LPWAN）技术，现在可以建立一个电池供电或能源收集传感器网络，可以在整个城市或目标区域中轻松轻松地放置。由于这些可能是廉价的，而且使用很少的功率，因此部署大量传感器是经济的，我们称之为“密集”的传感器网络。
这类新的传感器的一个示例可以捕获并将简单的音频波形捕获到云服务中，在那里它们被分析，歧义和三角剖分，以识别特定“噪声”的类型，位置和时间。然后可以将这些“噪音”分类，并在云中分类，如果确定为枪声，则信息将传达给适当的机构和潜在的其他传感器系统。其他传感器类型可以传输各种其他遥测数据，例如温度，振动，辐射，空气质量，光甚至人为因素，例如心率，呼吸或体温。该项目的目的是调查，实验，开发和部署简单，低成本，低功率传感器网络作为开源和开放协议的平台，以中继音频波形和三角位置信息为异地音频分析云进行分类和警报操作。
将最终处理转移到云的另一个优点是，它可以保护敏感算法和数据，以防止渗透尝试。字段单元可以仅限于相对基本的功能，这对妥协无关。
该项目的总体目标是原型和证明众多低功率传感器系统具有特定测试案例的音频接收和传输案例，以识别和特定声音（例如枪声）的位置。最终系统将是低成本；也就是说，与现有方法相比，资本支出，安装和OPEX的两个数量级便宜，并将使用开放标准的功能，包括6Lowpan，IP/TCP，COAP，MQTT，MQTT和HTTP进行传感器通信。该系统将允许第三方通过已发布的云应用程序编程接口（API）整合自己的专业知识，以提供改进的数据分析，分类和警报。
在构建功能系统的过程中，我们必须测试和验证：
当今有许多不同的RF技术，但是大多数RF技术以有限的距离进行权衡，因此需要多跳网网络架构。这些设计增加了网络的复杂性；没有真正地部署真正，易于扩展的睡眠网状节点RF网络。或者，大多数当前的星形拓扑网络要么极有限（BT或BTLE）或饥饿的功率（WiFi，蜂窝）。诸如洛拉（Lora）等新的LPWAN技术表明，有望提供更大的距离，隔离，低/永久功率，内置加密和简单的非工程装置。
目前，有枪击分析系统，但它们没有利用低功率，远程LPWAN功能，因此已经投入了使每个传感器都具有强大的功能，但昂贵且笨重的。我们不知道有任何系统可以扩展多达数百甚至数千个传感器，以准确覆盖每一个传感器成本低的大面积。这种网络功能可以看不见地将单个枪击探测器联系在一起，而不会增加设备负担，从而增强了战场智能。从理论上讲，这种密集的传感器网络可以比少数传感器更可靠地进行噪音。
我们的最终目标是证明LPWAN技术允许将一组密集的，廉价的传感器放置在大面积上，并使用足够的带宽传输数字化的音频信号，以执行有用的枪击检测。我们的最终目标是制作一个25美元的“传感器节点”，该卡片甲板的大小可以从移动的卡车上扔掉（“投掷”），或者由无人机交付，并在环境中留在环境中，以提供有用的能力。感应的区域将约10平方公里，需要4至6个基站。该项目的目的不是开发最佳的枪击分析系统，而是为其他人提供提供复杂分析的开放网络。我们专注于LPWAN技术的物联网功能。
每个传感器节点将具有单个音频传感器或少量传感器来产生单个音频信号。每个节点将具有可选的光伏电源的洛拉无线电和足够的电池电源。每个节点将具有足够的音频数字化和信号处理能力来编码音频信号，并可能决定是否应传输音频信号。初始设计可能是简单的音量，但是频率银行过滤器后来可能被用来更准确地识别枪声。
最初，每个音频传感器节点将通过GPS系统准确地进行地理位置。我们将测试LORA技术本身针对GPS系统提供的内置地理位置功能。四个以上的网关将用于演示整个系统，该系统将涵盖10平方公里的有效“听力”。传感器节点将传递足够的音频（在可能的情况下保存功率和处理），以将检测区域内的枪声分解。
音频波形将通过WiFi或以太网连接到网络服务器，该网络将波形转向基于云的系统进行分析。我们建议构建两个用户接口（最终用户和工程），这些界面将支持我们自己的系统的测试以及第三方声学处理系统，如果有任何公司使用Webhook接口。最终用户界面将设计用于对野外枪声做出反应的第一响应者，也就是说，它将数据简化为最重要的功能：事件在哪里，该事件的地理循环误差概率是多少，枪声的可能性是多少？
另一方面，工程接口将提供更丰富的接口，揭示每个节点接收的信号以及声学事件的详细信息。我们自己和其他熟练的研究人员将使用此用户界面来测试系统。用户界面将使用基于标准的API的架构分离，这将使第三方能够构建扩展分析系统。
我们的主要重点是基于LPWAN技术的密集，低成本传感器网络的概念。我们打算在软件之间保持清晰的分离，以分析音频流的目的，以进行地理位置和传输系统的其余部分。这将使DARPA或其他组织能够根据我们的LPWAN硬件构建或使用竞争性或预先存在的枪声分析系统。我们将提供足够的音频地理位置来有效测试系统；我们怀疑其他公司或随后的赠款开发将提供更多基于枪支的云分析软件。
云服务将利用Web API，为访问原始数据，汇总和结果分析提供一个通用的接口。使用现有的API管理实践，这种低成本，轻巧的API实现将允许通过网络访问数据和音频，包括：
Project API将允许系统到系统集成和聚合，以及增强项目功能的Web，Mobile和其他设备应用程序的开发。这将向研究人员和其他机构开放系统，以在不同的应用和环境以及不同的分析技术中进行分析和测试。
我们认为，没有探索相对较新的Lora LPWAN对此应用程序的使用。因此，将面临与成功传输音频数据有关的挑战，以回答以下问题：
用户界面的一个挑战是为音频流提供足够的见解，以使研究人员能够充分了解系统的性能和局限性。用户界面必须足够好，以使非熟练用户能够了解枪声的地理位置。
完成后，该项目将证明一个简单，低成本，分布式传感器网络可以轻松部署，并可以用于识别和定位枪声。城市和军方都可以使用这种可替代的设计进行快速安装的网络以及长期传感器网络的安装。基于开放标准，该系统将证明可扩展性并允许新功能，功能和功能的演变。在更多或无用的随机位置上放置廉价，不起眼的传感器并准确检测枪声的能力可以快速响应暴力动作。
提供极低的成本和简单部署音频传感器字段的能力，可以轻松识别和位置枪声，将改变急救人员和军事人员的动态。
此外，基本的开放网络基础也可以适应其他传感器功能，包括噪声或交通水平，水流或水污染感应，振动感，有害化学或放射性感应。
该项目的目的是提高对LPWAN传感器网络功能，功能，性能和成本的理解，以应用于物联网应用领域。设计，构建和商业化此特定的枪声应用程序不是目标，而是为行业提供一个可行的平台，使其他人建立并更深入地理解与发动机处理与原始传感器数据的功耗与原始传感器数据传输的功率消耗相关的权衡，并为行业的开源和API接口提供网络和平台的接口。
完整的传感器网络将包含大约10平方公里的圆形区域，包括4-6个门户和至少30个密集部署的传感器，以允许在农村环境中10s米的枪声地理位置。在项目期间开发的云服务提供了用于波形匹配和三角测量映射的数据分析。
由于该项目将具有挑战性，我们计划在阶段发展此功能，每个功能都将表现出越来越多的功能。上面描述了这些阶段每个阶段中传感器节点中使用的硬件系统。
阶段1：模拟音频子系统，但测试无线电功能。我们将放置10个编程的“听力站”以发送模拟音频信号。这些将通过手持GPS系统手动分解。通过使用4个以上的基站，我们将能够测试LORA的非GPS“到达时间”地理位置功能，并将其与GPS地理位置进行比较。听力站的MCU将被编程为每5秒报告一次“爆炸”。这将使我们能够端到端测试系统：
此阶段的可能硬件实施例是ST核Lrwan1或Adafruit Arduino零动力羽毛。
阶段2：我们将使用我们已经拥有经验的250美元计算机音频数字数字来添加真实数字化的音频子系统。这些将消耗比我们的最终目标体系更多的功率，但会让我们允许我们：
阶段3：将重点关注：
如果此项目成功，则扩展程序（本赠款的范围之外）将尝试将网络从简单的原型扩展到100+节点和10+网关，以确保通信性能，干扰和多径保护。另一个重要的测试将是在城市中期型环境中进行测试，该环境超出了他的提议范围。
该项目的设计目标是具有固定基站和固定传感器的低成本，低功率非常密集的传感器网络。在另一项传感器网络调查（不是该项目的一部分）中，将使用相同的基本技术，而不是音频，传感器和网络将从移动传感器中传达遥测（人类或设备健康）。该项目将研究移动传感器的地理位置和定位。
拟议的项目成本为500,808美元（不包括拟议的成本分配）。请参阅电子邮件Excel附件“密集的感官成本模型”，以进行完整的细分和成本的基础。
如果根据可用的各种收购机构允许，我们希望使用统一的每月进度付款的公司固定价格合同。
作为一家新的创业公司，它将带来一些财务风险，以吸收拟议费用的50％；但是，我们可以管理地吸收30％的成本（或150,242美元），总共向政府提议的费用总计350,566美元。
Geoff Mulligan是IoT和Internet协议研究员，也是6LOWPAN协议的创建者。他创立了IPSO联盟，帮助设计IPv6，是ISO Smart and Sustainable Cities项目的美国代表，并且是Lora Alliance董事长。杰夫（Geoff）担任空军官员十多年，并于2013年担任总统创新研究员。
Robert L. Read博士是软件架构师，发明家和作者。他于2013年担任总统创新研究员，并共同创立了18F。他是公共发明的创始人，该发明正在探索一种对机器人技术的激进方法。自2001年以来，他一直在初创企业和中型软件公司担任董事级职位。他于2017年加入Skylight Digital LLC。
马丁·里奥·史密斯（Martin Leo Smith）拥有加州大学（Caltech）的地球物理学位，在普林斯顿大学（Princeton University）的同一领域拥有博士学位。他曾在科罗拉多州博尔德的科罗拉多大学工作；俄克拉荷马州塔尔萨的Amoco研究中心；并于2008年从佛蒙特州的新英格兰研究退休。他是他的咨询公司Blindgoat Geophysics的所有人。他是美国公民，在美国陆军担任工程官多年。
预计我们将在传感器平台和网关中使用商业货架（COTS）硬件。开放标准协议将用于确保开放且可扩展的网络。我们开发的所有软件都将发布到公共领域（即创意共享零许可证）。如果有人选择在此赠款期间选择使用它，那么我们生产的Webhook API将在本赠款期间得到充分记录和支持。
马赫（Maher），罗伯特（Robert C.）。对公共安全和法医的信号处理应用程序，2007。Seaf'07。 IEEE研讨会上。 IEEE，2007年。
Chacon-Rodriguez，Alfonso等。 “枪击检测算法的评估。”电路和系统IEEE交易I：常规论文58.2（2011）：363-373。
Beutel，Kurt Gavin。 “基于LORA通信标准，使用低功率广泛区域网络（LPWAN）的Power Utility远程设备通信。” （2016）。
洛万101
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