Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

DARPA pracuje nad sensorami o niemalże zerowym poborze mocy

ghost666 05 Paź 2020 14:34 708 0
  • DARPA pracuje nad sensorami o niemalże zerowym poborze mocy
    Niektóre czujniki pola bitwy, które wcześniej moły działać przez miesiące, jeśli nie tygodnie, mogą teraz dostarczać cennych informacji nawet przez cztery lata, zanim ich baterie będą musiały zostać wymienione. To jeden z bardziej spektakularnych wyników programu DARPA Near Zero Power RF and Sensor Operations (N-ZERO), który zakończył się w maju tego roku.

    DARPA rozpoczęła inicjatywę N-ZERO w 2015 roku, mając na celu znalezienie sposobów obejścia ograniczeń żywotności baterii w systemach Internetu Rzeczy (IoT), tak aby czujniki mogły być rozmieszczane w terenie w celu wykrywania zdarzeń, takich jak wibracje, światło, dźwięk lub inne sygnały przydatne do monitorowania pola walki, bez konieczności częstej wymiany ich źródła energii.

    Żywotność baterii można teraz wydłużyć za pomocą czujników, które budzą się tylko w celu zarejestrowania zdarzenia wyzwalającego, takiego jak dźwięk, lub do okresowego (zamiast ciągłego) monitorowania pola bitwy itp, jak wskazuje DARPA. Oddziały wojskowe są teraz w stanie zbierać informacje bez konieczności samodzielnego zapuszczania się w potencjalną strefę walki. Mają również pewność, że znacznie rzadziej będą się przemieszczać w niebezpieczne obszary, aby wymienić czujniki, których baterie uległy wyczerpaniu.

    "Program N-ZERO stworzył możliwości uśpienia systemów, przy utrzymaniu systemu w ciągłej gotowości do ostrzegania, dla nienadzorowanych systemów, które są wyzwalane przez określone sygnatury w postaci fizycznej lub radiowej" powiedział Benjamin Griffin, kierownik programu w Microsystems Technology Office w DARPA. "Żywotność czujników rzędu lat umożliwi opłacalne i bezpieczne wdrażanie technologii wykrywania na obszarach pozbawionych stałej infrastruktury energetycznej". Trwają ulepszenia technologii czujników, a ich możliwości prawdopodobnie ulegną rozszerzeniu. Griffin przyznał na razie, że wybudzenie RF, akustyczne i podczerwone (IR) to najbardziej udane systemy, opracowane w ramach programu N-ZERO. Te czujniki o niemal zerowym poborze mocy transmitują sygnały radiowe w celu pomiaru poziomu dźwięku (ciśnienia akustycznego) i wykrywania promieniowania podczerwonego (z zakresu termicznego).

    "Najbardziej ucieszyło nas niskie zużycie energii przez najbardziej wydajne procesory, co skutkowało szacowanym wydłużeniem żywotności baterii z czterech tygodni do nawet czterech lat, w przypadku baterii pastylkowej" wyjaśnił Griffin. Pomimo tych sukcesów, żywotność baterii czujników testowanych w ramach inicjatywy N-ZERO jest nadal ograniczona przez przetwarzanie i komunikację potwierdzonych zdarzeń i, ostatecznie, przez samorozładowanie się samej baterii. Posunięciem w dobrym kierunku było opracowanie ultra-energooszczędnego procesora z rdzeniem ARM. Procesor tenn (M0N0) osiągnął moc w stnie uśpienia równą 10 nW i pobór mocy w czasie pracy od 20 do 60 µW/MHz, w zależności od zastosowania. Wyłączenie zasilania czujnika umożliwia przechowywanie informacji w pamięci ROM układu, do której można uzyskać dostęp bez pobierania energii, potrzebnej do odczytu danych z pamięci nieulotnej poza układem scalonym.

    Chipy ARM mogą również działać przez dziesięciolecia na jednym zestawie baterii, ponieważ ich zużycie energii jest tak niskie. Dla porównania, konwencjonalna bateria pastylkowa w trybie uśpienia może mieć wiele lat żywotności. "Jest to ważne, ponieważ żołnierze muszą wiedzieć o ruchach wroga i zmianach na polu bitwy" powiedział Griffin. "Ponieważ jednak czujniki stale zużywają energię i często spędzają czas na przetwarzaniu danych, które okazują się bezużyteczne, to zużycie energii zmniejsza żywotność ogniw zasilających te sensory".

    DARPA stwierdziła, że ​​opcje przetwarzania, które radykalnie wydłużają żywotność baterii (takie jak mikrokontrolery z rdzeniem ARM), mogą pozwolić obniżyć koszty, które są ponoszone, gdy czujniki muszą być często wymieniane, ponieważ ich baterie ulegają awarii. Bezpieczeństwo jest również zwiększone, ponieważ personel wojskowy nie musi już fizycznie podróżować do niebezpiecznych obszarów, aby wymienić czujniki polowe, których baterie uległy wyczerpaniu i wymagają wymiany. "Przykładową implementacją była sieć neuronowa zaimplementowana jako narzędzie do śledzenia słów kluczowych, które przetwarzało pliki audio z zestawu danych Google Speech Commands przy poziomie mocy, przy którym system może działać nieprzerwanie przez 200 dni na baterii pastylkowej LR44" opowiada Griffin. "Współpracując z DARPA, firma ARM udostępniła rządowi USA i kontrahentom rządowym 1000 licencji, aby umożliwić natychmiastowy dostęp do przetwarzania w środowiskach o ograniczonej mocy" dodał.

    Czujniki półprzewodnikowe

    Jednocześnie na rynku obronnym zaczynają pojawiać się czujniki półprzewodnikowe. Czujniki te nie były częścią oryginalnego programu N-ZERO, ale są testowane w zastosowaniach Departamentu Obrony (DoD). "Współpracowaliśmy z DoD i podwykonawcami DoD w dziedzinie czujników o małym poborze mocy" powiedział Jeff Sather, wiceprezes ds. Technologii i rozwiązań dla klientów w firmie Cymbet, producencie bardzo małych baterii. "Chcą zminimalizować liczbę komponentów czujników, a także mieć możliwość korzystania z alternatywnych źródeł ładowania baterii, takich jak energia słoneczna" powiedział. "To, co robimy, to integrowanie bardzo małych akumulatorów półprzewodnikowych wraz z czujnikami w jednym chipie. Dzięki bateriom półprzewodnikowym nie ma ryzyka wycieku czy powstania iskier lub pożarów, ale koszt tych zintegrowanych, półprzewodnikowych baterii w czujnikach o niskim poborze mocy nie jest niski. To około 1 dolara na czujnik, jeśli można kupić czujnik z ogniwem pastylkowym o małej mocy, który wykorzystuje tradycyjną baterię litową za około 25 centów".

    Ceny czujników o niemal zerowym poborze mocy zintegrowanych z technologią akumulatorów półprzewodnikowych prawdopodobnie spadną, co może sprawić, że czujniki półprzewodnikowe staną się kolejną popularną opcją czujnika małej mocy, ale na razie program DARPA N-ZERO jest przede realizowany wszystkim przy użyciu baterii pastylkowych.

    Wyzwania związane z pamięcią

    Wyniki programu N-ZERO DARPA są rozszerzane na szerszą spektrum zastosowań. "Przewiduje się, że największy przypadek użycia N-ZERO będzie dotyczył IoT, gdzie zużycie energii przez węzły czujników jest jednym z technicznych wyzwań dla wszechobecnej ekspansji technologii" wyjaśnia Griffin. "W obszarze monitorowania stanu rolnictwa i stanu strukturalnego ARPA-E kontynuuje finansowanie w ramach kohorty OPEN+ Sensors for Bioenergy and Agriculture na rozwój czujników do monitorowania roślin" dodał. "Inne wykorzystania technologii N-ZERO skupiają się na swobodnym monitorowaniu stanu systemów mechanicznych".

    Jak dotąd, według Griffina, większość sukcesów w N-ZERO była możliwa dzięki projektowi obwodu progowego. "Podejście progowe polega na przechowywania danych sygnatur w pamięci ROM lub w ulotnej statycznej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM), ponieważ technologie te mają niskie wymagania dotyczące energii odczytu. (...) Korzystanie z pamięci ROM ogranicza problemy implementacji, ponieważ pamięć ta jest konfigurowana podczas produkcji i nie można jej przeprogramować. Ponieważ pamięć SRAM jest ulotna, traci pamięć w przypadku odłączenia napięcia polaryzacji do układu scalonego"

    Wysoko na "liście życzeń" Griffina znajduje się nieulotna pamięć o niskim poborze energii podczas odczytu, która zapewniłaby systemom możliwość ponownego programowania, jednocześnie czyniąc je odpornymi na utratę zasilania. To życzenie zgadza się z opinią Sathera, że następnym celem technologii czujników małej mocy będzie prawdopodobnie rozwiązanie kwestii pamięci. "Wiemy, że pojemność pamięci na tych urządzeniach będzie wymagać zwiększenia i że istnieje potrzeba ciągłego doskonalenia" podsumował.

    Źródło: https://www.eetimes.com/darpa-research-advances-for-near-zero-power-sensors/

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 10006 postów o ocenie 8265, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAOIGE-XAO