Il programma dell’agenzia di ricerca avanzata del Pentagono ha realizzato nuove capacità di rilevamento persistenti basate su sensori che rimangono “dormienti” fino a quando non vengono “risvegliati” da uno stimolo esterno, con un consumo energetico vicino allo zero e una durata delle batterie che raggiunge i quattro anni.
Il programma Near Zero Power RF and Sensor Operations (N-ZERO) della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) del Pentagono, che si è concluso a maggio 2020, ha ottenuto un risultato di notevole importanza: alcuni sensori impiegati sul campo di battaglia che erano soliti esaurirsi nel giro di mesi, se non di settimane, ora possono continuare a fornire informazioni preziose fino a un massimo di quattro anni prima che le loro batterie a bottone debbano essere sostituite.
La DARPA ha dato il via al progetto nel 2015, con l’obiettivo di trovare un modo per superare i limiti di durata della batteria cosicché i sensori potessero essere disseminati sul campo per rilevare eventi quali vibrazioni, luci, suoni o altri segnali provenienti da un’area d’interesse senza dover essere sostituiti di frequente.
La durata della batteria ora può essere estesa usando i sensori che si “svegliano” solo per registrare un evento scatenante (ad esempio un suono) o per monitorare periodicamente, anziché in modo continuo, un campo di battaglia o altri punti di interesse. In questo modo, le truppe sul campo possono raccogliere informazioni senza doversi avventurare in una potenziale zona di combattimento e, inoltre, si sposteranno molto meno spesso in zone rischiose per sostituire i sensori con batteria scarica.
“Il programma N-ZERO ha stabilito capacità di rilevamento asleep-yet-continuously-alert (dormienti ma sempre all’erta) per sistemi non collegati e non presidiati che vengono attivati da specifici stimoli fisici o radiofrequenze [RF]”, ha spiegato il responsabile del programma, Benjamin Griffin, del Microsystems Technology Office della DARPA. “La durata pluriennale dei sensori consentirà l’implementazione economica e sicura delle tecnologie di rilevamento in aree prive di infrastrutture energetiche fisse”.
La soluzione: un processore ARM a bassissimo consumo chiamato M0N0
Attraverso il programma N-ZERO, la DARPA intendeva rendere i sensori molto più efficienti in termini di consumo energetico quando non sono impegnati a rilevare qualche evento di interesse. L’obiettivo era di utilizzare meno di 10 nanowatt (nW) durante questa fase dormiente del sensore, allo scopo finale di estendere la durata dei sensori non presidiati da un periodo di settimane a uno di anni, riducendone anche i costi di manutenzione.
La soluzione è stata trovata grazie allo sviluppo di un processore MCU (MicroController Unit) sviluppato da ARM a bassissimo consumo chiamato M0N0. Quest’ultimo ha raggiunto un consumo in fase dormiente di 10 nW e un consumo in fase attiva da 20 a 60 µW / MHz (un microwatt, µW, equivale a 1000 nW), a seconda dell’applicazione. I dati raccolti dai sensori vengono registrati nella memoria ROM (Read Only Memory) del chip M0N0, la quale, non essendo volatile, garantisce l’archiviazione anche quando l’alimentazione è assente. Inoltre l’utente può recuperare le informazioni da questa memoria senza il dispendio energetico che richiederebbe l’accesso a un supporto di memoria non volatile esterno al chip. Questi chip di ARM possono funzionare per decenni con un set di batterie grazie al loro consumo energetico molto basso. “Questo è importante, perché le truppe devono conoscere i movimenti del nemico e i cambiamenti del campo di battaglia”, ha affermato Griffin. “Tuttavia, poiché i sensori consumano costantemente energia, spesso impiegano tempo per elaborare quelli che si rivelano, in seguito, dei dati inutili. Quel consumo di energia, quindi, esaurisce la durata della batteria dei sensori”.
Secondo la DARPA, queste soluzioni di processazione dati a basso consumo (come il nuovo MCU di ARM) che aumentano la vita della batteria possono ridurre drasticamente i costi relativi alla necessità di rimpiazzare frequentemente i sensori a causa del rapido esaurimento delle loro batterie
Migliorate le prestazioni dei sensori
Lo sviluppo della tecnologia dei sensori avanza, con la prospettiva futura di espandere le loro capacità. “Quel che ci ha soddisfatto di più”, ha spiegato Griffin, “è stato il consumo energetico dei migliori performer, che si è tradotto in un’estensione della durata della batteria stimata da quattro settimane a un massimo di quattro anni, sulla base di una batteria a bottone.” Le capacità di riattivazione in seguito a stimoli in radiofrequenza (RF), acustici e a infrarossi sono stati gli sviluppi di maggior successo del programma N-ZERO. I sensori near-zero-power trasmettono segnali radio per comunicare (RF), misurano i livelli sonori e rilevano le radiazioni termiche (IR). Nonostante i successi nello sviluppo, la durata della batteria dei sensori impiegati per i test risultava essere limitata dall’elaborazione dati e dalla comunicazione di eventi confermati e dallo scaricarsi della batteria stessa anche in modalità stand-by. I nuovi processori M0N0 rappresentano un importante passo verso la soluzione di questo problema.
In arrivo i sensori allo stato solido
Nel mercato della difesa stanno iniziando a comparire anche sensori allo stato solido che non facevano parte del programma originale N-ZERO, ma sono in fase di testing da parte del Dipartimento della Difesa (US DoD).
“Abbiamo lavorato con il DoD e con i suoi subappaltatori nell’area dei sensori a basso consumo”, ha affermato Jeff Sather, vicepresidente della technology and customer solutions di Cymbet (produttore di batterie allo stato solido molto piccole). “Vogliono ridurre al minimo i componenti del sensore ed essere anche in grado di utilizzare fonti alternative di ricarica della batteria come l’energia solare. Quello che facciamo è integrare batterie allo stato solido molto piccole insieme ai sensori su un singolo chip. Con questo tipo di batterie non hai perdite né rischi di scintille o incendi, ma il costo di questi sensori a basso consumo alimentati da queste batterie allo stato solido non è economico. Si tratta di circa 1 dollaro per sensore, quando puoi ottenere un sensore a bottone a bassa potenza che utilizza una tradizionale batteria al litio liquido per circa 25 centesimi.”
Secondo Sather, il prossimo obiettivo della tecnologia dei sensori a basso consumo sarà probabilmente legato all’area della memoria: “Sappiamo che la capacità di archiviazione su questi dispositivi dovrà essere aumentata e che sarà necessario un miglioramento continuo”. A ciò si aggiunge il “desiderio” di Griffin di una memoria riprogrammabile non volatile e che richieda un basso consumo energetico, che darebbe anche ai sistemi non collegati a fonti energetiche esterne la possibilità di essere riprogrammati senza una eccessiva perdita dell’energia immagazinata nella loro batteria.
