【儀表網 儀表研發】EE TIMES日前刊載Transworld Data公司總裁瑪麗·夏克利特(Mary E. Shacklett)的文章稱，以前一些戰場傳感器在部署幾個月(如果不是幾周的話)之后就沒電了，而現在更換紐扣電池之前，它們可以持續四年提供有價值的情報。這是美國國防部高級研究計劃局(DARPA)在2020年5月完成的近零功率射頻和傳感器操作(N-ZERO)項目中取得的引人注目的成果之一。
圖自DARPA
DARPA在2015年開始了這項計劃，目的是尋找解決物聯網電池壽命限制的方法，這樣傳感器就可以部署在戰場上，探測震動、光、聲音或其他戰場信號，而不需要頻繁更換。
DARPA表示，現在可以使用電池壽命得到延長的傳感器，這些傳感器只在被喚醒時才記錄觸發事件，比如聲音，或者定期(而不是連續)監測戰場或其他問題。
現在部隊無需冒險進入潛在的戰區就能收集情報。他們進入危險區域更換“電池失效”的傳感器的頻率將大大降低。
DARPA微系統技術辦公室的項目經理本杰明·格里芬說:“N-ZERO計劃為由特定物理或無線電頻率(RF)簽名觸發的不插電無人值守系統建立了睡眠_持續警報感知能力。數年的傳感器壽命將使傳感技術在缺乏固定能源基礎設施的地區實現成本效益和安全部署。”
傳感器技術的改進正在進行中，傳感器能力可能會擴大。格里芬認為，射頻、聲學和紅外(IR)喚醒能力是N-ZERO項目開發的成功的感應系統。這些近零功率的傳感器發送無線電信號進行通信(RF)，測量聲級(聲學)，并檢測紅外(熱)輻射。
格里芬解釋說:“讓我們高興的是表現好的電池的耗電量，基于紐扣電池，電池壽命預計將從4周延長到4年。”
盡管取得了這些成功，在N-ZERO計劃中測試的傳感器的電池壽命仍然受到已確認事件的處理和通信以及電池本身的自放電的限制。
一個積極的方向是超低功耗Arm處理器的開發。Arm M0N0處理器實現了10-nW待機功率和20-60 μW/MHz有源功率水平，具體取決于應用。傳感器電源關斷允許用戶在只讀存儲器(ROM)中存儲信息，可訪問而不遭受從芯片外的非易失性存儲器恢復數據的功率損耗。
Arm芯片也有能力在一組電池上運行幾十年，因為它們的耗電量非常低。相比之下，傳統的紐扣電池在睡眠模式下可能有好幾年的使用壽命，但在這個時間長度之外它就不能正常工作了。
格里芬說:“這很重要，因為軍隊需要了解戰場上敵人的動向和變化。然而，過去由于傳感器持續耗電，它們經常花時間處理無用的數據。這樣的電能消耗會縮短傳感器的電池壽命。”
DARPA表示，可以大幅延長電池壽命的低功耗處理能力，可以降低因電池電能耗盡而必須頻繁更換傳感器的成本。安全也得到了加強，因為軍事人員不再需要親自前往危險地區更換已經失效且需要更換的現場傳感器。
格里芬說:“一個實現的例子是，一個神經網絡作為關鍵字定位器，處理來自谷歌語音命令集的音頻文件，其功率水平可以在LR44紐扣電池供電下連續運行200天。通過與DARPA的合作，Arm已經向美國政府和政府承包商提供了1000份許可證，以允許在電力受限的環境下立即進行處理。”
固態傳感器
與此同時，固態傳感器開始出現在國防市場上。這些傳感器不是初的N-ZERO計劃的一部分，但它們正在國防部應用場景中進行測試。
Cymbet技術和客戶解決方案副總裁杰夫·薩瑟(Jeff Sather)說:“我們已經與國防部和國防部分包商在低功耗傳感器領域進行了合作。”Cymbet是一家小型的固態電池生產商。杰夫說:“他們想要小化傳感器組件，同時也能夠使用太陽能等替代電池充電資源。我們所做的是將微型固態電池和傳感器集成在一塊芯片上。使用固態電池，你不會有電池泄漏和火花或火災的風險，但這些集成的、固態電池、低功率傳感器的成本并不便宜。每個傳感器大約1美元，而使用傳統液體鋰電池的低功耗硬幣電池傳感器大約25美分。”
與固態電池技術集成的近零功率傳感器的價格可能會下降，這可能使固態傳感器成為下一個流行的低功率傳感器選擇，但目前DARPA的N-ZERO項目主要使用紐扣電池。
對存儲器的挑戰
美國國防部高級研究計劃局的N-ZERO計劃的結果正在擴大到更廣泛的應用領域。
格里芬說:“預計N-ZERO大的應用案例將在物聯網中，其中傳感器節點的功耗是該技術普及擴張的技術挑戰之一。”
“在農業和結構健康監測領域，ARPA-E繼續在生物能源和農業開放+傳感器群組下資助開發用于植物監測的傳感器，”他補充說，“N-ZERO技術的其他過渡集中在機械系統的不受約束的健康監測上。”
迄今為止，根據格里芬的說法，在N - ZERO范圍內的大多數成功都是通過亞閾值電路設計實現的。
成功的亞閾值方法將簽名數據存儲在ROM或易失性靜態隨機存取存儲器(SRAM)中，因為這些技術對讀取能量的要求較低。ROM的使用限制了應用程序，因為內存是在制造過程中設置的，不能被重新編程。由于SRAM易揮發，如果對IC的偏置電壓下降，它就會丟失數據。
在格里芬的“愿望清單”中，重要的是一種低讀取能量、非易失性的內存，這種內存將使不插電系統能夠重新編程，同時使它們能夠強健地應對電力損耗。
這個愿望與Sather的觀點相結合，即低功耗傳感器技術的下一個焦點很可能是在內存領域。他說:“我們知道，這些設備的存儲容量需要增加，需要持續改進。”
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