darpa dense sense proposal
1.0.0
| 招標參考 | 國防高級研究項目機構 /微系統技術辦公室 /商業表演者計劃公告 / DARPA-PA-17-01 |
| 領導組織 | Skylight Digital LLC |
| 分包商 /團隊安排 | 所提出的工作的執行將涉及幾個第三方，如密集的意義成本模型中所述（請參閱電子郵件Excel附件）。選擇通知時將執行正式安排。 |
| 行政聯繫 | 克里斯·凱恩斯（Chris Cairns） |
| 技術接觸點 | 傑夫·穆里根（Geoff Mulligan） |
| 擬議的頭銜 | 濃密的感官 - 密集，廉價的短暫低功率廣泛區域網絡傳感器 |
| 技術領域 | 物聯網，低功率廣泛區域網絡傳感器，基於雲的開放數據和分析平台 |
| 績效的地點和期間 | 科羅拉多斯普林斯公司；合同執行之日起12個月 |
| Duns＃ | 080202677 |
借助較新的低功率廣域網絡（LPWAN）技術，現在可以建立一個電池供電或能源收集傳感器網絡，可以在整個城市或目標區域中輕鬆輕鬆地放置。由於這些可能是廉價的，而且使用很少的功率，因此部署大量傳感器是經濟的，我們稱之為“密集”的傳感器網絡。
這類新的傳感器的一個示例可以捕獲並將簡單的音頻波形捕獲到雲服務中，在那裡它們被分析，歧義和三角剖分，以識別特定“噪聲”的類型，位置和時間。然後可以將這些“噪音”分類，並在雲中分類，如果確定為槍聲，則信息將傳達給適當的機構和潛在的其他傳感器系統。其他傳感器類型可以傳輸各種其他遙測數據，例如溫度，振動，輻射，空氣質量，光甚至人為因素，例如心率，呼吸或體溫。該項目的目的是調查，實驗，開發和部署簡單，低成本，低功率傳感器網絡作為開源和開放協議的平台，以中繼音頻波形和三角位置信息為異地音頻分析雲進行分類和警報操作。
將最終處理轉移到雲的另一個優點是，它可以保護敏感算法和數據，以防止滲透嘗試。字段單元可以僅限於相對基本的功能，這對妥協無關。
該項目的總體目標是原型和證明眾多低功率傳感器系統具有特定測試案例的音頻接收和傳輸案例，以識別和特定聲音（例如槍聲）的位置。最終系統將是低成本；也就是說，與現有方法相比，資本支出，安裝和OPEX的兩個數量級便宜，並將使用開放標準的功能，包括6Lowpan，IP/TCP，COAP，MQTT，MQTT和HTTP進行傳感器通信。該系統將允許第三方通過已發布的雲應用程序編程接口（API）整合自己的專業知識，以提供改進的數據分析，分類和警報。
在構建功能係統的過程中，我們必須測試和驗證：
當今有許多不同的RF技術，但是大多數RF技術以有限的距離進行權衡，因此需要多跳網網絡架構。這些設計增加了網絡的複雜性；沒有真正地部署真正，易於擴展的睡眠網狀節點RF網絡。或者，大多數當前的星形拓撲網絡要么極有限（BT或BTLE）或飢餓的功率（WiFi，蜂窩）。諸如洛拉（Lora）等新的LPWAN技術表明，有望提供更大的距離，隔離，低/永久功率，內置加密和簡單的非工程裝置。
目前，有槍擊分析系統，但它們沒有利用低功率，遠程LPWAN功能，因此已經投入了使每個傳感器都具有強大的功能，但昂貴且笨重的。我們不知道有任何系統可以擴展多達數百甚至數千個傳感器，以準確覆蓋每一個傳感器成本低的大面積。這種網絡功能可以看不見地將單個槍擊探測器聯繫在一起，而不會增加設備負擔，從而增強了戰場智能。從理論上講，這種密集的傳感器網絡可以比少數傳感器更可靠地進行噪音。
我們的最終目標是證明LPWAN技術允許將一組密集的，廉價的傳感器放置在大面積上，並使用足夠的帶寬傳輸數字化的音頻信號，以執行有用的槍擊檢測。我們的最終目標是製作一個25美元的“傳感器節點”，該卡片甲板的大小可以從移動的卡車上扔掉（“投擲”），或者由無人機交付，並在環境中留在環境中，以提供有用的能力。感應的區域將約10平方公里，需要4至6個基站。該項目的目的不是開發最佳的槍擊分析系統，而是為其他人提供提供複雜分析的開放網絡。我們專注於LPWAN技術的物聯網功能。
每個傳感器節點將具有單個音頻傳感器或少量傳感器來產生單個音頻信號。每個節點將具有可選的光伏電源的洛拉無線電和足夠的電池電源。每個節點將具有足夠的音頻數字化和信號處理能力來編碼音頻信號，並可能決定是否應傳輸音頻信號。初始設計可能是簡單的音量，但是頻率銀行過濾器後來可能被用來更準確地識別槍聲。
最初，每個音頻傳感器節點將通過GPS系統準確地進行地理位置。我們將測試LORA技術本身針對GPS系統提供的內置地理位置功能。四個以上的網關將用於演示整個系統，該系統將涵蓋10平方公里的有效“聽力”。傳感器節點將傳遞足夠的音頻（在可能的情況下保存功率和處理），以將檢測區域內的槍聲分解。
音頻波形將通過WiFi或以太網連接到網絡服務器，該網絡將波形轉向基於雲的系統進行分析。我們建議構建兩個用戶接口（最終用戶和工程），這些界面將支持我們自己的系統的測試以及第三方聲學處理系統，如果有任何公司使用Webhook接口。最終用戶界面將設計用於對野外槍聲做出反應的第一響應者，也就是說，它將數據簡化為最重要的功能：事件在哪裡，該事件的地理循環誤差概率是多少，槍聲的可能性是多少？
另一方面，工程接口將提供更豐富的接口，揭示每個節點接收的信號以及聲學事件的詳細信息。我們自己和其他熟練的研究人員將使用此用戶界面來測試系統。用戶界面將使用基於標準的API的架構分離，這將使第三方能夠構建擴展分析系統。
我們的主要重點是基於LPWAN技術的密集，低成本傳感器網絡的概念。我們打算在軟件之間保持清晰的分離，以分析音頻流的目的，以進行地理位置和傳輸系統的其餘部分。這將使DARPA或其他組織能夠根據我們的LPWAN硬件構建或使用競爭性或預先存在的槍聲分析系統。我們將提供足夠的音頻地理位置來有效測試系統；我們懷疑其他公司或隨後的贈款開發將提供更多基於槍支的雲分析軟件。
雲服務將利用Web API，為訪問原始數據，匯總和結果分析提供一個通用的接口。使用現有的API管理實踐，這種低成本，輕巧的API實現將允許通過網絡訪問數據和音頻，包括：
Project API將允許系統到系統集成和聚合，以及增強項目功能的Web，Mobile和其他設備應用程序的開發。這將向研究人員和其他機構開放系統，以在不同的應用和環境以及不同的分析技術中進行分析和測試。
我們認為，沒有探索相對較新的Lora LPWAN對此應用程序的使用。因此，將面臨與成功傳輸音頻數據有關的挑戰，以回答以下問題：
用戶界面的一個挑戰是為音頻流提供足夠的見解，以使研究人員能夠充分了解系統的性能和局限性。用戶界面必須足夠好，以使非熟練用戶能夠了解槍聲的地理位置。
完成後，該項目將證明一個簡單，低成本，分佈式傳感器網絡可以輕鬆部署，並可以用於識別和定位槍聲。城市和軍方都可以使用這種可替代的設計進行快速安裝的網絡以及長期傳感器網絡的安裝。基於開放標準，該系統將證明可擴展性並允許新功能，功能和功能的演變。在更多或無用的隨機位置上放置廉價，不起眼的傳感器並準確檢測槍聲的能力可以快速響應暴力動作。
提供極低的成本和簡單部署音頻傳感器字段的能力，可以輕鬆識別和位置槍聲，將改變急救人員和軍事人員的動態。
此外，基本的開放網絡基礎也可以適應其他傳感器功能，包括噪聲或交通水平，水流或水污染感應，振動感，有害化學或放射性感應。
該項目的目的是提高對LPWAN傳感器網絡功能，功能，性能和成本的理解，以應用於物聯網應用領域。設計，構建和商業化此特定的槍聲應用程序不是目標，而是為行業提供一個可行的平台，使其他人建立並更深入地理解與發動機處理與原始傳感器數據的功耗與原始傳感器數據傳輸的功率消耗相關的權衡，並為行業的開源和API接口提供網絡和平台的接口。
完整的傳感器網絡將包含大約10平方公里的圓形區域，包括4-6個門戶和至少30個密集部署的傳感器，以允許在農村環境中10s米的槍聲地理位置。在項目期間開發的雲服務提供了用於波形匹配和三角測量映射的數據分析。
由於該項目將具有挑戰性，我們計劃在階段發展此功能，每個功能都將表現出越來越多的功能。上面描述了這些階段每個階段中傳感器節點中使用的硬件系統。
階段1：模擬音頻子系統，但測試無線電功能。我們將放置10個編程的“聽力站”以發送模擬音頻信號。這些將通過手持GPS系統手動分解。通過使用4個以上的基站，我們將能夠測試LORA的非GPS“到達時間”地理位置功能，並將其與GPS地理位置進行比較。聽力站的MCU將被編程為每5秒報告一次“爆炸”。這將使我們能夠端到端測試系統：
此階段的可能硬件實施例是ST核Lrwan1或Adafruit Arduino零動力羽毛。
階段2：我們將使用我們已經擁有經驗的250美元計算機音頻數字數字來添加真實數字化的音頻子系統。這些將消耗比我們的最終目標體系更多的功率，但會讓我們允許我們：
階段3：將重點關注：
如果此項目成功，則擴展程序（本贈款的範圍之外）將嘗試將網絡從簡單的原型擴展到100+節點和10+網關，以確保通信性能，干擾和多徑保護。另一個重要的測試將是在城市中期型環境中進行測試，該環境超出了他的提議範圍。
該項目的設計目標是具有固定基站和固定傳感器的低成本，低功率非常密集的傳感器網絡。在另一項傳感器網絡調查（不是該項目的一部分）中，將使用相同的基本技術，而不是音頻，傳感器和網絡將從移動傳感器中傳達遙測（人類或設備健康）。該項目將研究移動傳感器的地理位置和定位。
擬議的項目成本為500,808美元（不包括擬議的成本分配）。請參閱電子郵件Excel附件“密集的感官成本模型”，以進行完整的細分和成本的基礎。
如果根據可用的各種收購機構允許，我們希望使用統一的每月進度付款的公司固定價格合同。
作為一家新的創業公司，它將帶來一些財務風險，以吸收擬議費用的50％；但是，我們可以管理地吸收30％的成本（或150,242美元），總共向政府提議的費用總計350,566美元。
Geoff Mulligan是IoT和Internet協議研究員，也是6LOWPAN協議的創建者。他創立了IPSO聯盟，幫助設計IPv6，是ISO Smart and Sustainable Cities項目的美國代表，並且是Lora Alliance董事長。傑夫（Geoff）擔任空軍官員十多年，並於2013年擔任總統創新研究員。
Robert L. Read博士是軟件架構師，發明家和作者。他於2013年擔任總統創新研究員，並共同創立了18F。他是公共發明的創始人，該發明正在探索一種對機器人技術的激進方法。自2001年以來，他一直在初創企業和中型軟件公司擔任董事級職位。他於2017年加入Skylight Digital LLC。
馬丁·里奧·史密斯（Martin Leo Smith）擁有加州大學（Caltech）的地球物理學位，在普林斯頓大學（Princeton University）的同一領域擁有博士學位。他曾在科羅拉多州博爾德的科羅拉多大學工作；俄克拉荷馬州塔爾薩的Amoco研究中心；並於2008年從佛蒙特州的新英格蘭研究退休。他是他的諮詢公司Blindgoat Geophysics的所有人。他是美國公民，在美國陸軍擔任工程官多年。
預計我們將在傳感器平台和網關中使用商業貨架（COTS）硬件。開放標準協議將用於確保開放且可擴展的網絡。我們開發的所有軟件都將發佈到公共領域（即創意共享零許可證）。如果有人選擇在此贈款期間選擇使用它，那麼我們生產的Webhook API將在本贈款期間得到充分記錄和支持。
馬赫（Maher），羅伯特（Robert C.）。對公共安全和法醫的信號處理應用程序，2007。 Seaf'07。 IEEE研討會上。 IEEE，2007年。
Chacon-Rodriguez，Alfonso等。 “槍擊檢測算法的評估。”電路和系統IEEE交易I：常規論文58.2（2011）：363-373。
Beutel，Kurt Gavin。 “基於LORA通信標準，使用低功率廣泛區域網絡（LPWAN）的Power Utility遠程設備通信。” （2016）。
洛萬101
SEMTEX SX1272數據表
p-Nucleo-lrwan1
Adrafruit羽毛板
TI MSP430F5529超低功率MCU
Mutlitech遠程RF模塊
