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藍(lán)牙耳機(jī)的自動(dòng)連接,文件的隔空傳送,地鐵的測(cè)溫器……這些都屬于空間感知能力的范疇,相關(guān)技術(shù)的研發(fā)使我們的生活愈發(fā)的便捷。關(guān)于空間感知能力研發(fā)與應(yīng)用的背后,都有哪些技術(shù)助力實(shí)現(xiàn),今天我們一起來(lái)看一下。
空間感知能力,目前已經(jīng)成為電子產(chǎn)品需要修煉的新技能。有了它,不僅能夠知道被測(cè)對(duì)象存在與否,有時(shí)還能知道Ta是誰(shuí),以及Ta的距離、位置,甚至是運(yùn)動(dòng)的軌跡。人們對(duì)由此可能衍生出的新應(yīng)用充滿了期待。
不過(guò),如今有一個(gè)更為現(xiàn)實(shí)的需求就擺在眼前,這就是在新冠疫情仍然肆虐的今天,如何利用空間感知技術(shù)幫助人們確認(rèn)并保持彼此之間的社交距離。這個(gè)需求很容易理解,就是當(dāng)兩個(gè)人的距離小于規(guī)定的閾值時(shí)(比如2米),檢測(cè)設(shè)備就會(huì)自動(dòng)提出警告,讓用戶遠(yuǎn)離彼此。
如果更細(xì)致地描述這樣一個(gè)設(shè)計(jì)需求,相關(guān)的要點(diǎn)應(yīng)該包括下面幾項(xiàng):
具有足夠的測(cè)量精度、視場(chǎng)和范圍,且要盡可能減少誤報(bào)情況的發(fā)生。
功耗要足夠小,以滿足設(shè)備長(zhǎng)期使用的需要。
小型化,能夠符合可穿戴的要求,或者是可以集成在一個(gè)標(biāo)簽里,方便攜帶,盡量減少用戶的異物感。
容易獲得,成本足夠低,這其中既包括設(shè)備(如標(biāo)簽)本身的成本,也要考慮配套基礎(chǔ)設(shè)施的成本,以及后續(xù)的運(yùn)維成本。
除了簡(jiǎn)單的測(cè)距,可能還需要有能力獲取其他一些相關(guān)的信息,或者對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行持續(xù)的追蹤,以收集足夠的數(shù)據(jù)對(duì)其行為做出準(zhǔn)確的分析。
既然需求已經(jīng)擺在那兒了,各種技術(shù)圍繞著“社交距離檢測(cè)”這個(gè)命題,也是八仙過(guò)海,各顯神通,給出了不同的解決方案。想要實(shí)現(xiàn)上述的設(shè)計(jì)構(gòu)想,目前有哪些技術(shù)路徑可走?我們今天就來(lái)做一個(gè)盤點(diǎn)。
BLE低功耗藍(lán)牙
想測(cè)量社交距離,大家首先想到的一個(gè)技術(shù)方案可能就是BLE低功耗藍(lán)牙。這其中最主要的一個(gè)原因就是,BLE技術(shù)的普及度非常高,根據(jù)BIG的預(yù)測(cè),到2021年預(yù)計(jì)將有130億臺(tái)支持藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用。這就使得BLE方案實(shí)施起來(lái)極為方便。加上BLE固有的低功耗和安全特性,做鄰近檢測(cè)非常適合。
BLE是通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(Received Signal Strength Indicator,簡(jiǎn)稱RSSI)的方法來(lái)測(cè)算距離的,也就是根據(jù)兩個(gè)設(shè)備(或用戶)通信信號(hào)強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算距離,當(dāng)兩者距離低于某個(gè)設(shè)定值后,就會(huì)觸發(fā)后續(xù)的動(dòng)作(如報(bào)警)。這樣的BLE應(yīng)用有不少,移植到社交距離檢測(cè)這個(gè)新場(chǎng)景中并不難。
不過(guò)從原理上講,傳統(tǒng)的RSSI的測(cè)量精度有限,通常在3-10米,這對(duì)于某些要求較高精度的檢測(cè)任務(wù)來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)起來(lái)可能會(huì)有些吃力;而且BLE工作使用的2.4GHz頻段非常擁擠,信號(hào)間干擾也是一個(gè)潛在的問(wèn)題,這都是BLE方案的短板。值得注意的是,在藍(lán)牙5.1規(guī)范中,增加了尋向功能,這會(huì)令BLE獲得更為精準(zhǔn)的定位能力,未來(lái)與同領(lǐng)域的其他技術(shù)相比,仍然有的一拼。
UWB超寬帶
正是考慮到BLE這類傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)難以滿足更高測(cè)量精度的要求,近年來(lái)UWB作為一種新興的空間感知技術(shù)快速發(fā)展了起來(lái)。
UWB基于IEEE在802.15.4a/z標(biāo)準(zhǔn),使用2ns脈沖信號(hào),通過(guò)飛行時(shí)間 (ToF) 和到達(dá)角 (AoA) 來(lái)計(jì)算距離和定位,測(cè)量精度可以達(dá)到10cm以內(nèi)。此外,與那些運(yùn)行在2.4GHz頻譜中的窄帶無(wú)線方案不同,UWB是工作在6-8GHz頻譜中具有500MHz帶寬的方案,因此具有天生的抗干擾能力,即使在具有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中,也能提供非常穩(wěn)定的連接。而且在802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)中,UWB在信號(hào)的PHY包中添加了加密和隨機(jī)數(shù)等保護(hù)機(jī)制,在安全性上也具有更突出的優(yōu)勢(shì)。這些特性疊加在一起,UWB幾乎成了一個(gè)“完美”的精準(zhǔn)安全測(cè)距解決方案。
值得一提的是,目前在很多UWB空間感知解決方案中,考慮到作用范圍、功耗等要求,它往往是和BLE搭配使用的——比如在社交距離檢測(cè)中,BLE通常是處于打開的狀態(tài),對(duì)鄰近區(qū)域進(jìn)行掃描和探測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象后再激活UWB進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)距和定位。
在市場(chǎng)上,開發(fā)者已經(jīng)可以很方便地獲得這種包含UWB+BLE的商用解決方案。考慮到目前手機(jī)內(nèi)置UWB功能已經(jīng)成為了潮流,因此未來(lái)用戶和市場(chǎng)對(duì)基于UWB的方案的接受度會(huì)不斷提升,該方案獲得和使用的門檻也會(huì)進(jìn)一步降低。
超聲波
實(shí)際上在測(cè)距這件事上,上述這些無(wú)線解決方案只能算是后來(lái)者,超聲波技術(shù)才是這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)之無(wú)愧的“老司機(jī)”。但是具體到社交距離檢測(cè)這個(gè)應(yīng)用中,傳統(tǒng)的超聲波傳感器雖然精度高(可以達(dá)到厘米級(jí)),但是其體積大,且視場(chǎng)只有180°,功耗上的表現(xiàn)也不算出眾。如果想在新的空間感知領(lǐng)域獲得一席之地,就必須有所創(chuàng)新。
針對(duì)這樣的需求,TDK集團(tuán)旗下的Chirp Microsystems公司開發(fā)出了一款超聲波飛行時(shí)間(ToF)傳感器CH101,它將壓電超聲波換能器(PMUT)、DSP和低功耗CMOS ASIC整合到一個(gè)大小僅為3.5mm × 3.5mm的芯片上,通過(guò)PMUT發(fā)射超聲波脈沖并接收從物體反射的回波來(lái)計(jì)算距離,精度可以達(dá)到1cm。
與傳統(tǒng)的超聲波傳感器相比,CH101外形極為緊湊,可集成到可穿戴標(biāo)簽、員工工牌等產(chǎn)品中。而且其運(yùn)行功耗只有0.7mW——普通UWB芯片接收模式下的功耗約為400mW——這樣的低功耗特性,使得一個(gè)小型近距離感應(yīng)標(biāo)簽充電一次就能連續(xù)工作數(shù)天。如果需要支持360°的視場(chǎng),用兩個(gè)傳感器就能實(shí)現(xiàn)。
可以說(shuō),CH101微型超聲波傳感器在尺寸、準(zhǔn)確性、功耗等方面,與其他技術(shù)方案相比,都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。而且與無(wú)線方案相比,它還具有更低的誤報(bào)率,這是因?yàn)闊o(wú)線技術(shù)可能會(huì)穿透墻壁或玻璃隔斷,在人員彼此靠近但有物理隔離的情況下產(chǎn)生誤報(bào),而超聲波傳感器則不存在這個(gè)問(wèn)題。
由此可見(jiàn),憑借對(duì)于傳統(tǒng)超聲波技術(shù)的改造,低功耗超聲傳感器也是社交距離檢測(cè)的一個(gè)重要技術(shù)選項(xiàng)。
地磁方案
上文也提到過(guò),除了精準(zhǔn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)設(shè)備(用戶)之間的距離,在確保安全社交時(shí),還有一個(gè)需求就是要對(duì)用戶建立持續(xù)、全局性的監(jiān)測(cè)和洞察,這樣才能在出現(xiàn)感染者時(shí),對(duì)其可能的密切接觸者進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估和篩選。實(shí)現(xiàn)這一功能,就需要將單純的測(cè)距,擴(kuò)展為室內(nèi)定位。
如果是用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位和用戶追蹤,為了提高精度就必須增加信標(biāo)的數(shù)量,如果要擴(kuò)大覆蓋區(qū)域,還需要安裝更多的的無(wú)線收發(fā)器和中繼器,成本無(wú)疑會(huì)成為一個(gè)大問(wèn)題。
為此,TDK開發(fā)了一套基于地磁信息的VENUE位置信息解決方案。其方法是,先為指定區(qū)域內(nèi)(如辦公樓)創(chuàng)建地磁圖,然后利用用戶手機(jī)內(nèi)置的地磁傳感器提供的信息,再與智能手機(jī)中的加速度計(jì)和陀螺儀等慣性傳感器的信息相融合,進(jìn)而對(duì)用戶進(jìn)行精準(zhǔn)定位,定位的精度大約為2米——這對(duì)于追蹤感染人員的接觸者來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。
由于無(wú)需安裝新的設(shè)備和終端,而是充分利用用戶手機(jī)中已有的傳感器,因此基于地磁的解決方案部署和實(shí)施的便利性是個(gè)大優(yōu)勢(shì)。這樣一來(lái),用戶只需攜帶安裝有特殊應(yīng)用程序的智能手機(jī),并將他們所在樓層的位置和移動(dòng)軌跡與匿名身份識(shí)別信息結(jié)合在一起,即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。同時(shí),地磁方案也可以和BLE、Wi-Fi無(wú)線通信方案進(jìn)行融合,以獲取更全面的數(shù)據(jù),提升洞察力。
而且基于這些數(shù)據(jù),不僅可以識(shí)別直接接觸者,還能夠根據(jù)用戶的行動(dòng)軌跡、位置和停留的時(shí)長(zhǎng)形成可視化的熱圖,直觀地對(duì)他們的感染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷。
文末互動(dòng)
社交距離的檢測(cè),其實(shí)只是諸多空間感知應(yīng)用中的一個(gè)場(chǎng)景,而對(duì)它的探索,恰恰可以使得人們對(duì)于空間感知技術(shù)和應(yīng)用的理解更為深入,也為新技術(shù)向其他領(lǐng)域的滲透和移植積累更大的勢(shì)能。
原文標(biāo)題:注意!你的社交距離……
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