Завершение программы N-ZERO

Завершение программы N-ZERO

Выпуск 21 (6720) от 29 октября 2020 г.
РУБРИКА: ВОЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В мае 2020 г. завершилась программа Управления перспективных исследовательских проектов (DARPA) МО США в области датчиков с нулевым энергопотреблением (N-ZERO). Одним из наиболее впечатляющих результатов программы стало увеличение сроков службы источников питания датчиков – ​если ранее речь шла о нескольких месяцах (если не неделях), то теперь датчики могут предоставлять ценную информацию до четырех лет.

Реализация инициативы N-ZERO началась в 2015 г. Основной целью был поиск способов обойти ограничения срока службы источников питания для приборов Интернета вещей, с тем чтобы датчики, развернутые в полевых условиях (см. рисунок), могли фиксировать окружающую обстановку (вибрация, свет, звук или другие сигналы с поля боя) без необходимости их частой замены.

Датчики, созданные в рамках программы, могут активироваться только для записи определенного запрограммированного события (активация по звуку, вибрации, вспышкам и т. д.) или периодического (а не постоянного) мониторинга обстановки на поле боя. Такой режим позволяет существенно продлить срок службы источников питания. Соответственно, подразделения вооруженных сил теперь могут собирать разведывательные данные без риска оказаться в зоне потенциальных военных действий. Также военно-служащим гораздо реже придется посещать опасные районы для замены разряженных источников питания.

Другими словами, в рамках программы N-ZERO созданы автоматические системы, обладающие возможностью непрерывно находиться в режиме ожидания (sleep-yet-continuously-alert) без привязки к стационарной сети питания и не требующие регулярного обслуживания. Активация подобных датчиков и систем осуществляется конкретными физическими или радиочастотными воздействиями. Срок службы увеличен до нескольких лет, что обеспечивает возможность экономически эффективного и безопасного развертывания сенсорных технологий в районах, не обеспеченных инфраструктурой стационарного электропитания.

Сейчас в датчиках используются акустические, радиочастотные и инфракрасные технологии, но разработчики планируют расширить перечень применяемых воздействий. Внедрение энергосберегающих технологий и режимов работы позволило увеличить срок службы плоских круглых аккумуляторов с четырех недель до четырех лет (в лучшем случае).

Несмотря на эти успехи, срок службы аккумуляторов датчиков, протестированных в рамках программы N-ZERO, по-прежнему ограничен такими факторами, как энергозатраты на обработку и передачу данных о подтвержденных событиях и в конечном счете саморазряд источника питания.

Одним из серьезных успехов стала разработка процессора с ультрамалой потреб-ляемой мощностью на ядрах фирмы ARM. Потребляемая мощность процессора M0N0 в режиме ожидания составляет 10 нВт, а в активном режиме, в зависимости от применения, от 20 до 60 мкВт/МГц. При отключении питания датчиков пользователи могут хранить данные в ПЗУ – ​доступ к ним осуществляется без энергозатрат на восстановление данных из внекристальной энергозависимой памяти.

Благодаря очень низкому энергопотреблению подобные процессоры на ядрах ARM могут работать от одного набора аккумуляторных батарей, созданного в рамках программы N-ZERO, десятилетиями. Для сравнения: обычные плоские круглые батареи могут иметь срок службы в спящем режиме не более четырех лет – ​из-за истечения срока годности.

Отказ от режима постоянного мониторинга обстановки на поле боя разнообразными датчиками позволяет, с одной стороны, сократить потери времени и энергии на обработку бесполезных данных. С другой стороны, активация датчиков по заданным сигнатурам (с последующим отключением) позволяет обеспечить осведомленность о передвижениях противника и изменениях на поле боя.

Пример реализации описываемого подхода – ​нейронная сеть, использовавшаяся в качестве корректировщика ключевых слов. Она обрабатывала аудиофайлы из набора данных Google Speech Commands на уровне потребляемой мощности, обеспечивавшем непрерывное использование плоского круглого аккумулятора LR44 в течение 200 дней. За время сотрудничества с DARPA в рамках программы N-ZERO фирма ARM представила правительству США и правительственным подрядчикам около тысячи лицензий, обеспечивающих немедленный доступ к возможностям обработки данных в условиях ограниченного энергопотребления.

В настоящее время на рынке приборов военного назначения начинают появляться твердотельные датчики. Они не были частью программы N-ZERO, но сейчас проходят тестирование на возможное использование в интересах МО США. Один из партнеров МО и его субподрядчиков в области датчиков с малой потребляемой мощностью и очень малых твердотельных аккумуляторных батарей – ​корпорация Cymbet (Нью-Брайтон, шт. Миннесота). Ее специалисты отмечают, что представители МО и его субподрядчиков желают не только минимизировать компоненты датчиков, но и получить возможность подзарядки аккумуляторов с использованием альтернативных источников – ​например, солнечной энергии. Основное направление работ корпорации Cymbet в настоящее время – ​интеграция миниатюрных твердотельных аккумуляторных батарей и датчиков на одном кристалле. В указанном случае отсутствует ток утечки и риск искрения или возгорания, при этом стоимость маломощного датчика с интегрированным твердотельным источником питания составляет 1 долл., тогда как аналогичный датчик с плоским круглым жидкостным литиевым аккумулятором стоит около 25 центов.

Цены на датчики с практически нулевой потребляемой мощностью, интегрированные с твердотельными батареями, скорее всего, будут снижаться – ​и эти датчики станут следующим популярным вариантом прибора с малой потребляемой мощностью. Пока же в программе N-ZERO, осуществлявшейся DARPA, в основном задействовались плоские круглые аккумуляторы.

Результаты работ по программе N-ZERO могут использоваться в широком диапазоне применений. Например, предполагается, что наибольший спрос на датчики N-ZERO и связанные с ними технологии будет предъявлять быстро развивающийся сектор Интернета вещей – ​для него энергопотребление узлов датчиков представляет одну из основных проблем, решение которой позволит ускорить развертывание технологий Интернета вещей.

Обширной областью применения технологий, созданных в рамках проекта N-ZERO, может стать сельское хозяйство. Здесь Агентство передовых исследований в области энергетики (ARPA-E) в рамках программы OPEN+ Sensors for Bioenergy and Agriculture Cohort продолжает финансирование разработки датчиков для мониторинга состояния растений. Наконец, еще одним крупным сектором использования N-ZERO технологий станет, по оценкам, дистанционный мониторинг состояния механических систем.

По мнению специалистов, большинство успехов в рамках программы N-ZERO было обеспечено проектированием схемотехники с подпороговым напряжением. Успешные субпороговые подходы позволяют хранить сигнатурные данные в ПЗУ или энергозависимых ОЗУ, так как эти схемы требуют малых энергозатрат на считывание. Однако недостатком ПЗУ является однократность записи данных (невозможность перепрограммирования), а СОЗУ теряет данные при падении напряжения или отключении питания. Соответственно, разработчики изыскивают возможности использовать технологии энергонезависимой памяти с малой потребляемой мощностью, которые обеспечат возможность перепрограммирования автономных и удаленных систем при одновременной устойчивости к отключению питания.

Таким образом, следующим центром приложения усилий разработчиков технологии датчиков с малой потребляемой мощностью, скорее всего, станет память (вопросы увеличения ее емкости, постоянного совершенствования и т. п.).


Shacklett Mary E. DARPA: Research Advances for Near-Zero-Power Sensors. EE Times magazine, September 24, 2020: https://www.eetimes.com/darpa-research-advances-for-near-zero-power-sensors/#


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 10(6734) от 20 мая 2021 г. г.