DARPA通过极低功耗设计将传感器电池寿命由几周延长至4年

此前在几个月(甚至几周)内就会耗尽电力的战场传感器,现在可持续有价值的情报,更换纽扣电池之前可工作可达四年之久。这是2020年5月结束的美国国防高级研究计划局(DARPA)“近零功率射频和传感器操作”(N-ZERO)项目中较引人注目的成果之一。

DARPA通过极低功耗设计将传感器寿命由几周延长至4年

N-ZERO项目目标

DARPA于2015年开始实施该项目,目标是找到解除物联网电池寿命限制的方法,以便传感器可部署在战场来检测振动、光、声音或其他战场信号等事件,而不必频繁更换。

DARPA表示,可以通过只在触发事件(如声音)发生时才被唤醒并记录触发事件,或者定期(而非持续)监测战场或其他关注点的方式,来延长传感器的电池寿命。部队现在可以不必亲自进入潜在战区就可以收集情报,进入危险地区更换没电的传感器次数也大大减少。

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N-ZERO项目成果

传感器技术的改进正在进行,传感器能力也在会扩大。DARPA微系统技术办公室项目经理Benjamin Griffin表示,射频、声学和红外(IR)唤醒能力是N-ZERO项目开发的最成功的传感系统。这些近乎零功率的传感器发射无线电信号进行通信(射频)、测量声音水平(声学)和探测红外(热)辐射。Griffin说:“最让我们高兴的是表现最好选手的功耗,使基于纽扣电池的传感器寿命从四周延长到四年”。

Griffin说:“N-ZERO项目为无人值守的系统建立了睡眠但持续报警的感知能力,这些传感器由特定的物理或射频信号触发,寿命以年为单位,将使传感技术在缺乏固定能源基础设施的地区实现成本效益和安全部署。”

尽管取得了这些成功,在N-ZERO项目中测试的传感器电池寿命仍然受对事件的具体处理和通信的影响,和/或电池本身自放电的限制。

典型成果

一个积极的成果是开发出超低功耗的Arm处理器。Arm M0N0处理器实现了睡眠功率10nW,工作时的有源功率水平20-60μW/MHz(具体取决于应用)。传感器电源关闭允许用户将信息存储在可访问的只读存储器(ROM)中,而避免从片外非易失性存储器中恢复数据带来的功率损耗。

因为功耗极低,Arm芯片也有能力在一组电池上运行几十年。相比之下,传统的纽扣电池在睡眠模式下可能有多年的寿命,但它的工作时间不能超过这个窗口。

Griffin说:“这很重要,因为部队需要了解敌人的动向和战场的变化,然而,由于传感器不断地消耗电力,它们经常花时间处理最终证实是无用的数据。这种电力消耗就会消耗传感器的电池寿命。”

DARPA表示,大幅提高电池寿命的低功耗运转能力(如Arm)可以削减传感器因电池失效而必须频繁更换所产生的成本。安全性也得到了提升,因为军方服务人员不再需要亲自前往危险地区更换已经失效且需更换的战场内传感器。

Griffin说:“一个实施的例子是作为关键事件观察器实现的神经网络,它处理来自谷歌语音命令数据集的音频文件,其功率水平可以在LR44纽扣电池上连续运行200天。与DARPA合作,Arm已经向美国政府和政府承包商提供了1000个许可证,以便在电力受限的环境中能够立即进行处理。”

存储器挑战

据Griffin介绍,到目前为止,N-ZERO内部的大部分成功都是通过亚阈值电路设计实现。“成功的亚阈值方法将签名数据存储在ROM或易失性静态随机存取存储器(SRAM)中,因为这些技术在读取时功耗要求低。但ROM的使用限制了应用,因为内存在制造过程中被设置,无法重新编程。由于SRAM是易失性的,如果集成电路的偏置电压出现下降,就会丢失所存储内容。”

在Griffin的“愿望清单”上,最重要的是一种低读取功耗、非易失性的存储器,将使无人监管系统具有可重新编程的能力,同时使其对电源损耗具有强大的适应性。低功耗传感器技术的下一个重点可能是在存储器领域。设备上的存储容量需要增加,而且需要不断改进。

应用前景

DARPA的N-ZERO项目成果正在向更广泛的应用领域拓展。Griffin说:“预计N-ZERO最大的应用将在物联网内,传感器节点的功耗是该技术普及扩展的技术挑战之一。在农业和结构健康监测领域,ARPA-E继续在OPEN+生物能源和农业群组传感器下提供资金,以开发用于植物监测的传感器。N-ZERO技术的其他转化集中在机械系统的无人健康监测上。”

延伸–固态传感器

固态传感器也开始出现在国防市场上。这些传感器并不是最初的N-ZERO计划的一部分,但它们正在国防部(DoD)的应用中进行测试。Cymbet公司(生产极小固态电池)技术和客户解决方案副总裁Jeff Sather说:“我们与国防部以及国防部分包商在低功耗传感器领域进行了合作。他们希望最大限度地减少传感器组件,同时也能用太阳能等其他电池充电来源。我们所做的是将非常小的固态电池与传感器一起集成在单个芯片上。有了固态电池,就不会有电池泄漏,也不会有火花或火灾的风险,但这些集成的固态电池、低功耗传感器的成本并不便宜。每个传感器约为1美元,而你可以用25美分左右的价格买到使用传统液态锂电池的低功耗钮扣电池传感器。”

集成了固态电池技术的近零功耗传感器的价格点很可能会下降,这可能会使固态传感器成为下一个流行的低功耗传感器选择,但目前,DARPA的N-ZERO项目主要使用的是纽扣电池。

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