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干货 | 轻松实现细微运动检测和人数统计智能化,毫米波传感器了解一下

2019-01-11
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智能楼宇、工厂和城市的建筑师和城市规划师需要越来越智能的传感器来解决资源保护难题,通过提高安全性来解决日益增加的安全问题,并提供更加流畅的人机交互。

具体地说,通过人员位置检测和移动跟踪,各种系统将能够在更加智能的未来世界实现自主运行。如图 1 所示,这些系统可包括室内/室外安保和监控、自动门、工厂机械安全扫描仪以及用于控制照明、暖通空调 (HVAC) 和电梯的自动化设备。


毫米波是一种传感解决方案,其必将会对这些系统中的人员检测、定位和跟踪方式带来革命性变化。TI 的毫米波传感器是独一无二的,因为它们可以在各种环境下检测物体的距离、速度和角度,同时提供高级算法的片上处理功能。

这些特性用于楼宇、工厂和城市自动化中的占用和移动传感器上,能够减少错误检测、提供高精度的位置和行进方向数据并保持隐私性,所有这些特性都集中在单个芯片上,可实现本地处理。

目前技术状况

目前的占用及人员跟踪传感器所使用的技术包括:被动红外 (PIR)、光学摄像头、主动红外(如激光雷达和三维飞行时间 (ToF))和 10GHz 至 24GHz 微波等。表 1 比较了这些技术并列出了它们的优缺点。但是,随着人们对安防、安全和效率的期望越来越高,下一代传感器必须克服常见的传感难题,提供既准确又可靠的传感。让我们来思考一下用于检测人员和测量占用的传感器所面临的难题。


图 1. TI 的毫米波传感器可在各种楼宇和工厂应用(例如室内/室外安保、自动门、工厂自动化和照明及电梯的自动控制)中实现智能检测。


表 1. 楼宇自动化中的现有技术及优缺点。


图 2 .误检示例:典型商务办公空间内所使用的 PIR 传感器易出现错误的否定检测 (a);对运动方向的错误检测导致自动门在非必要情况下打开,浪费了资源 (b);当传感器仅对运动检测时,动物可导致错误检测 (c)。


误检

目前,传感器所面临的最大难题之一是误检,见图 2。具体表现为发生某个传感事件时的响应或未能响应(通过警报和系统触发等形式)。误检具有两种截然不同的形式,即错误肯定和错误否定,而且是由于某种技术的特定传感故障或灵敏度造成的。

错误否定是指传感系统未能对重要的事件作出响应。错误肯定则是传感系统对不重要的事件作出了响应。根据传感器所在的更大的系统,错误肯定可能会导致类似开灯之类的无害结果,也有可能会导致需要安保人员介入调查的较为严重的后果。

错误否定 – 运动灵敏度

您是否曾在办公室内坐在桌前工作到深夜,却发现由于自己运动幅度较小,照明传感器无法检测到您的存在,从而导致照明灯关闭?PIR 传感器经常会因较差的运动灵敏度而出现此类错误否定情况。除了比较细小的动作(如在计算机上打字、调整在沙发上的坐姿或者只是呼吸)外,人们在室内时通常都保持静止。要实现准确的占用感应,就必须对这些类型的非常细小的动作保持灵敏。

错误肯定 – 环境

错误肯定的一个常见原因是环境,照明、降水、温度、湿度或气流等环境条件会引起传感器的错误触发。例如,当在室外放置一个摄像头或 PIR 传感器时,阳光直射或降水可能会导致传感器“失明”,使其检测到不存在的运动事件。

错误肯定 – 运动方向

另外一种错误肯定则是由于无法准确检测人员的运动方向造成的。想象一下自动门。有多少次您只是从便利店或仓库的自动门边走过,而自动门却打开了?这时,自动门的电机会运转,而且空调空气会与室外对流,因此会浪费能源。传感器能够推断人员想要运动的方向,而不是只是基于接近进行响应,这对于提高未来传感系统的效率至关重要。

错误肯定 – 准确位置

基于位置的检测也可能会出现错误肯定。假设有一个用于在安全边界内进行监控和运动检测的光学摄像头系统。有一个错误肯定的例子是:摄像头会在安全边界之外(而不仅仅是边界之内)存在运动时警告安保人员。此时能够准确地确定运动物体的位置,对于了解运动物体是在关注区域之内还是之外至关重要。

错误肯定 – 非人类物体的检测

对于大多数智能自动化系统而言,主要关注的是人的检测和定位,而不是其他对象。不幸的是,移动的物体(如摇曳的树木,急速移动的动物或过往车辆)可能会欺骗运动检测系统,使其相信某个位置有人。为了克服这个问题,传感器应该能够基于物体的大小和运动特性来过滤或分类物体。

隐私

随着自动化系统越来越趋向于高水平的连接性和智能化,在公共空间和私人空间中安装传感器有可能会导致公众对泄露。个人身份的担忧。配备能够在保持匿名性的情况下,提供有意义数据的传感器将会是一个重要的优势。

解决方案的复杂性

解决方案的复杂性可能会成为实施楼宇自动化中传感技术的极大障碍。确保解决方案在软硬件设计层面的简易性可大大减少用户的必需投资,从而用户可将相应技术推向市场并解决传感系统必须处理的所有临界情况。

在传感器端提供处理和决策能力也可以简化楼宇自动化系统的软硬件设计。通过在传感器端进行决策,用户可以尽可能减少数据传输、数据存储和对决策型中心系统或人员的需求,从而简化系统设计并节省成本。

环境遮挡

传感器所面临的一个重大挑战是,环境中的物体常常会遮挡到目标物体的视线。墙壁、树叶和不透明的玻璃等物体会遮挡基于光学技术的传感器的“视线”,最终限制这些传感器的安装、布局和使用。使用射频和其他穿透技术的传感器有一个优势,即它们可以穿透某些材料,开辟了使用这些传感器的新途径。

毫米波技术简介

TI 的毫米波技术和 IWR 系列传感器件具有许多关键特性,这些特性可转化为楼宇自动化应用中的实际优势,包括减少错误检测。毫米波是唯一可以提供距离、速度和角度这三个数据集的传感技术。正是通过这一数据组合,毫米波传感器才能准确地确定人员的位置及行进方向。图3 展示了如何使用这些数据集在有人进入特定区域时激活系统。速度数据可使毫米波传感器忽略环境中静止的物体。因为人一定会动,即使只是无聊或呼吸时的少量动作,毫米波技术也能检测出来。


图 4 .显示了如何使用速度数据来推断一个人的行进方向和速度。TI 的毫米波传感器是独一无二的,因为我们在传感器中嵌入了处理内核,可实时处理距离、速度和角度数据。传感器还实现了高级算法,可支持跟踪人员运动历史、基于位置或行进方向触发系统或基于物体大小和运动对物体进行分类等功能。

在传感器上实现嵌入式处理意味着,TI 的毫米波传感器可以在单个芯片上执行所有操作,而无需使用外部处理器。

通过 TI 毫米波传感器的独特数据集和片上处理功能,楼宇自动化系统能够减少错误检测。

毫米波传感器可以检测非常细小的动作(如人们打字、谈话或呼吸时的动作),在忽略静止物体的同时,防止出现错误占用否定。静态物体根据大小和形状也有可能造成错误检测;图 5 展示了毫米波技术如何使用一种叫做静态干扰消除的算法来忽略这些静态物体。


图 3. 毫米波距离和角度信息可提供精准的位置信息。当有人进入红色的“禁入”区时,红色框会高亮显示。这些信息可用于触发楼宇自动化系统。


图 4.通过速度信息和板载跟踪,TI 的毫米波传感器可以确定行进方向。请注意蓝色和红色点的跟踪尾部,这指示一个人在走廊中的行进方向。此功能可以推断一个人将要去哪里以及他们是否在朝特定的目标区域移动。


图 5 .会议室内有许多静态物体,这些物体可能会导致传统的传感器出现误检。TI 毫米波传感器上的静态干扰消除算法可以忽略桌椅及墙上的倒影(如红色箭头处所示)等静态物体

毫米波传感器会发送和接收射频信号,而且本身对可能成为错误检测常见原因的环境影响有非常强的适应能力。它们可以在各种环境照明、温度、湿度和气流情况下进行准确传感,甚至可以在存在降水的情况下继续进行传感。因此,它们非常适合需要在各种环境条件下进行恒定传感的室内或室外应用。此外,这种适应能力意味着,毫米波传感器无需任何复杂软件即可应对阴影或天气等环境临界情况。

在非常注重隐私的应用(例如浴室、更衣室或健身房)中,人们可能会对使用摄像头和其他光学解决方案的做法比较敏感。而毫米波传感器使用的是射频信号,这意味着这些传感器不会提供任何与个人身份有关的信息。传感器信号还可以穿透干墙、胶合板和塑料等不同类型的材料,方便用户选择独特的安装位置,包括隐藏在墙壁和其他物体的后面,从而避免系统损坏或让工业设计保持清洁。

支持运动检测和人数统计的毫米波技术使用毫米波雷达传感器的人数统计与跟踪参考设计介绍了 TI 的毫米波传感器在室内和室外人数统计应用中的使用情况。此参考设计采用了 IWR1642
器件,该器件包括用于运行板载算法的射频/模拟和数字处理内核可支持远达 14m 的人员检测和跟踪功能的单芯片人数统计系统。


该参考设计同时包括硬件和软件组成部分,表 2 总结了该设计的特性。硬件组成部分采用了 IWR1642 评估模块 (EVM),以获得水平 120°,垂直 30°的天线视角。从软件角度来看,该参考设计包括分别支持 6m和 14m 运行的两个基本配置以及可消除静态物体的影响和可跟踪多人移动历史的专用算法。IWR1642能够运行板载算法,这一点非常重要,通过该功能,毫米波传感器能够为楼宇自动化应用带来实质性的好处。该参考设计实现了两种关键算法:

• 静态干扰消除算法用于忽略场景中静止不动的物体。此算法会分析来自毫米波传感器的速度(多普勒)信息,以滤除属于静态背景的一部分的物体,例如墙壁和家具。由于人是移动的物体,借助此算法,更高级的应用和算法可以轻松忽略非人类静态物体,从而减少误检。

• 群组跟踪算法用于同时对多个对象进行区分和跟踪。此算法会在一段时间内监控点云的移动历史,从而测量场景中移动物体的大小、精确定位这些物体的位置并跟踪物体在一段时间内的移动和位置历史。借助该算法,更高级别的应用可以确定在环境中移动的人员的确切位置和行进方向。


表 2. 人数统计参考设计的性能规格。


图 6. IWR1642 上的软件中所实现的处理链的方框图(在人数统计参考设计中提供)。

这些算法是在 IWR1642 上的软件中运行的示例处理链中实现的。图 6 展示了该处理链,在板载 C674x DSP 以及 Arm® Cortex-R4F 微控制器上运行的数字信号处理 (DSP) 代码实现了该处理链。该处理链的实现和上述算法包括可调整参数,因此可对软件进行调整以适应不同的应用。用户可以调整多个设置,以便在不同的环境中更接近期望的性能水平。TI 在不同的环境下测试了该参考设计,包括会议室、走廊、开放式办公区和电梯,以证明该设计可在不同的调试参数下保持相应的性能。这些调试参数可以在线性调频脉冲数据库中提供的示例中找到,该数据库在 TI Resource Explorer的毫米波工业工具箱内。

TI Resource Explorer 还记录了参考设计在更加不寻常的环境限制下的表现的实验。我们验证了参考设计在烟雾环境下的性能,这证明毫米波传感器可以在即使是可能存在烟和火的紧急情景下进行人员检测和定位。我们还验证了将传感器隐藏在不同材料(如玻璃树脂、胶合板和数层干墙)后面时的性能,这证明当因避免损坏、环境保护或隐私方面的考虑而需要将传感器隐藏在物体后面时,毫米波技术能够满足相应的系统安装要求。

结论

TI 的毫米波传感器通过采用基于射频的耐用型高精度传感器实现了前所未有的距离、速度和角度数据集以及提供强大的片上处理功能,可支持楼宇自动化应用的创新。毫米波传感器可在强日光、黑暗、穿墙和雨中等富有挑战性的环境中实现传感,因此可提供附加价值。这些特性使得毫米波技术成为了公认的传感选择,而且有助于解决当今面临的误检、隐私和解决方案复杂性这三个难题,从而实现具有智能和本地决策功能的下一代楼宇自动化传感器。该人数统计参考设计包括公开的硬件设计文件和以源代码形式提供的完整软件。TI 在多个不同的环境下测试了该参考设计,证明该设计的可扩展性和可调整性能适应不同的性能条件和需求。



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