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零功耗传感器如何在战场上挽救生命?

时间:2016-11-09 作者:R. Colin Johnson 阅读:
目前有许多美军在战场上失去宝贵生命,有部分原因就是因为军方无法依据想要的方式部署各种传感器......

美国国防部高等研究计画署(DARPA)正在开发启动战场用传感器的新技术,一路保护在外出任务的美军──DARPA的专案经理Troy Olsson日前在美国举行的IEEE年度传感器技术大会(IEEE Sensor 2016)上介绍了这种接近零功耗之RF与传感器技术“N-Zero”的细节。MhXEETC-电子工程专辑

DARPA预计在2018年可部署的战场用传感器网络需要近乎零的待机功耗,而且MEMS技术是不可或缺;该团队还发现了以往不曾想像过的MEMS技术优势──不只能提供近乎零的待机功耗,还能利用被侦测的讯号本身的电力来启动发送器,实现真正的零待机功耗。MhXEETC-电子工程专辑

在某些情况下,发送器也能不用电池供电,而是由来自太阳能、震动能量采集器等再生能源,储存于超级电容器的能量供电。“我们试图降低我们的传感器功耗,因此能将之部署于很长一段时间不需更换电池的战略装备;”Olsson表示:“现在我们还希望讯号本身能在唤醒更强大的讯号处理器与发送器之前,能实际启动处理程序。”MhXEETC-电子工程专辑

目前有许多美军在战场上失去宝贵生命,有部分原因就是因为军方无法依据想要的方式部署各种传感器;举例来说,如果能在美军海外作战区域的所有道路上部署传感器,就能侦测到是否有敌军在某地埋了爆裂物,但往往因为战场缺乏电力供应而无法实现。MhXEETC-电子工程专辑

美军也可以利用自有电力,每隔几码的距离部署传感器以侦测行军路线的爆裂物,但目前这种传感器得用电池供电,而且如果在战场部署大规模的传感器网络,有可能反而让更多士兵的生命安全受到威胁,因为在需要替换传感器电池时,可能让他们暴露于受伏击的危险;Olsson表示:“在战斗状态下,我们不能只为了替换电池而让士兵受到危害。”MhXEETC-电子工程专辑

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图中大规模部署的传感器网络只会在为了发送有车辆出现的讯息时被唤醒──其零待机功耗的MEMS麦克风能侦测到车辆接近时的噪音(来源:DARPA)MhXEETC-电子工程专辑

“N-Zero”开发专案将实现混合MEMS与微电子的超小型传感器;依据其複杂度以及最接近的高功率RF中继器(repeater)距离,有些较简易的传感器还能利用无人机撒在战场上,利用能量採集技术支援连续的即时状况侦察。MhXEETC-电子工程专辑

其他较複杂复杂的传感器阵列则是可以採用钮扣型电池或3号、4号电池,将完整的视觉、音讯甚至雷达讯号等内容发送回基地,而且至少10年不需要更换电池。MhXEETC-电子工程专辑

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零待机功耗的无人看守传感器、通讯节点与物联网(IoT)装置应用,能支援周边监控、关键设施保护以及监视战场即时情况(来源:DARPA)MhXEETC-电子工程专辑

DARPA的“N-Zero”开发团队研究人员发现,MEMS传感器能利用其内部的微型移动机械零件,从讯号产生功率来运作;从其MEMS子系统的层级结构(hierarchy),能激励次1伏特的电子进行讯号处理,甚至能在开启N-Zero RF发送器之前判断是否为假警报。而发送器只需要传送一个低功率的「鸟鸣(chirp)」讯号以识别其发现,不需要发送耗电量大的原始资料。MhXEETC-电子工程专辑

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零待机功耗MEMS唤醒传感器以5层光罩在绝缘上覆硅(SOI)晶圆片上製制作(来源:DARPA)MhXEETC-电子工程专辑

利用“N-Zero”专案开发的传感器技术,美国国防部除了期望能拯救士兵的生命,也期望能大量降低无辜民众在战地遭遇地雷等爆裂物而受伤甚至丧命的机率。MhXEETC-电子工程专辑


编译:Judith Cheng

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载MhXEETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
R. Colin Johnson
EETimes前瞻技术编辑。R. Colin Johnson自1986年以来一直担任EE Times的技术编辑,负责下一代电子技术。 他是《Cognizers – Neural Networks and Machines that Think》一书的作者,是SlashDot.Org的综合编辑,并且是他还因对先进技术和国际问题的报道,获得了“Kyoto Prize Journalism Fellow”的荣誉。
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