作者：KEEGAN GARCIA，德州儀器 (TI) 毫米波傳感器業(yè)務(wù)營(yíng)銷經(jīng)理

設(shè)計(jì)新辦公樓和工廠的工程師和建筑師越來(lái)越多地尋求改進(jìn)的傳感器，以實(shí)現(xiàn)各種節(jié)能安全和安保功能。這些傳感器用于檢測(cè)辦公樓中人員的移動(dòng)和位置以及工廠中的機(jī)器人或其他機(jī)器。在早期設(shè)計(jì)中使用了多種傳感器類型并取得了一些成功，但設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在才剛剛發(fā)現(xiàn)毫米波 (mmWave) 傳感器。低成本毫米波單芯片雷達(dá)可以充當(dāng)傳感器，并提供其他傳感器無(wú)法提供的許多優(yōu)勢(shì)。隨著新建筑物和工廠的建造和/或改造，毫米波傳感器可以增加以前不可能的改進(jìn)和新功能。

主要應(yīng)用檢測(cè)和跟蹤人員的主要價(jià)值是節(jié)能。在有許多工人的建筑物中，人員的位置和密度隨時(shí)間變化很大。根據(jù)人的占用情況調(diào)整供暖、空調(diào)和照明是有意義的。如果有人在場(chǎng)，則可以提供最佳的加熱或冷卻和照明量，以保持生產(chǎn)力。如果沒(méi)有人在場(chǎng)，則可以大大減少制冷和制熱并關(guān)閉照明，從而節(jié)省大量能源。

安全系統(tǒng)也可以通過(guò)自動(dòng)監(jiān)控來(lái)增強(qiáng)。人員位置、計(jì)數(shù)和跟蹤是保護(hù)某些空間并確?？刂崎T(mén)和大門(mén)以符合所需的安全協(xié)議所需的基本數(shù)據(jù)。

安全是接近檢測(cè)的另一種用途，尤其是在移動(dòng)機(jī)器人和其他機(jī)械可能對(duì)人類構(gòu)成威脅的工廠中。帶有適當(dāng)警告的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)可以顯著減少事故。其他用途包括十字路口和停車場(chǎng)的交通監(jiān)控以及罐中液體或固體的液位感應(yīng)。

所有這些應(yīng)用程序的成功取決于人員檢測(cè)和跟蹤的可靠性和準(zhǔn)確性。毫米波傳感器可以提供這一點(diǎn)。

傳感器調(diào)查為辦公樓或工廠提供最佳供暖、空調(diào)和照明可以節(jié)省大量運(yùn)營(yíng)預(yù)算。例如，如果房間里沒(méi)有人，改變溫度和關(guān)燈可以顯著節(jié)省能源。能源之星指出，如果不考慮人員的存在，平均商業(yè)建筑會(huì)浪費(fèi)其消耗的能源的 30%。降低成本的關(guān)鍵是在正確的時(shí)間提供適量的環(huán)境條件。

樓宇和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)依賴于所有類型的傳感器來(lái)監(jiān)控廣泛的物理特性。一些示例包括溫度、濕度和環(huán)境光傳感器以及煙霧探測(cè)器。其他傳感器是用于門(mén)窗監(jiān)控的磁性探測(cè)器以及一氧化碳和其他有毒氣體或灰塵和花粉的探測(cè)器。所有這些傳感器都將信號(hào)作為反饋發(fā)送到運(yùn)行加熱和空調(diào) (HVAC) 和照明系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)。適當(dāng)?shù)臏囟群驼彰鳁l件可以提高員工的舒適度和生產(chǎn)力。

關(guān)鍵因素是監(jiān)控過(guò)程，它決定了建筑物中有多少人和人們?cè)谀睦?。需要特殊的傳感器?lái)檢測(cè)和計(jì)算人數(shù)。接近傳感器或檢測(cè)器用于此目的。

一種流行的接近檢測(cè)器是無(wú)源紅外 (PIR) 傳感器。它檢測(cè)體溫并向控制器發(fā)送信號(hào)以采取行動(dòng)。圖 1中的簡(jiǎn)單 PIR 檢測(cè)器 具有單一的廣泛覆蓋區(qū)域，除了粗略運(yùn)動(dòng)之外沒(méi)有辨別能力。更復(fù)雜的紅外探測(cè)器使用多個(gè)紅外激光器或 LED 來(lái)照亮一個(gè)區(qū)域，以創(chuàng)建可由紅外探測(cè)器捕獲的 3D 場(chǎng)景。然后在軟件中分析數(shù)字化場(chǎng)景以確定人數(shù)。

圖 1：像這樣的基本無(wú)源紅外探測(cè)器覆蓋大面積但無(wú)法區(qū)分細(xì)節(jié)。

類似的選項(xiàng)可用于超聲波傳感器或攝像機(jī)。超聲波探測(cè)器用 40-kHz 至 80-kHz 范圍內(nèi)的高頻聲音繪制區(qū)域，并恢復(fù)可以在軟件中分析的反射以進(jìn)行人員檢測(cè)。攝像機(jī)正變得越來(lái)越普遍，可以使用機(jī)器視覺(jué)軟件執(zhí)行類似的功能，但會(huì)遇到隱私問(wèn)題。

所有的人數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器在某些方面都很有用，但通常不能準(zhǔn)確地確定在場(chǎng)人數(shù)和其他更精細(xì)的細(xì)節(jié)。人物動(dòng)作也很難捕捉。某些應(yīng)用需要更精確的接近傳感器。

雷達(dá)傳感器您可能認(rèn)為雷達(dá)是用于飛機(jī)和船舶導(dǎo)航和安全的技術(shù)，或者是用于車輛自適應(yīng)巡航控制和自動(dòng)制動(dòng)的新型高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的一個(gè)組件。然而，由于集成了智能處理和更小尺寸的封裝，雷達(dá)現(xiàn)在被證明是一種出色的傳感器類型，可以計(jì)算人數(shù)并確定他們的位置和運(yùn)動(dòng)。雷達(dá)傳感器可以很容易地確定占用會(huì)議室的人數(shù)，如圖 2所示的示例。低成本 CMOS 單芯片雷達(dá)現(xiàn)已上市并應(yīng)用于此應(yīng)用。

圖 2：一個(gè)典型的商務(wù)空間，如會(huì)議室，可以被一個(gè)雷達(dá)傳感器覆蓋，并且可以準(zhǔn)確計(jì)算餐桌上的人數(shù)。

一種類型的雷達(dá)設(shè)備是工作在 76-GHz 至 81-GHz 范圍內(nèi)的調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 類型?？紤]單芯片雷達(dá)系統(tǒng)的最佳方式是將其視為另一種類型的傳感器。事實(shí)證明，毫米波雷達(dá)在物體的接近檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)感應(yīng)和測(cè)量到被檢測(cè)物體的距離方面異常出色。

回想一下，雷達(dá)用于測(cè)量距離、方向（角度）和速度。警察測(cè)速雷達(dá)和棒球測(cè)速槍就是很好的例子。片上發(fā)射器 (TX) 發(fā)射信號(hào)，然后從遠(yuǎn)程物體反射并返回到片上接收器 (RX)。發(fā)射的 FMCW 信號(hào)是一個(gè)短時(shí)間線性增加的頻率變化，稱為啁啾（見(jiàn)圖3）。啁啾以期望的速率重復(fù)。

圖 3：FMCW 啁啾信號(hào)的頻率在短時(shí)間內(nèi)線性增加。

圖 4 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的雷達(dá)收發(fā)器。返回信號(hào)的頻率在接收器 (RX) 處與發(fā)射頻率混合，以產(chǎn)生數(shù)字化的中頻 (IF)。將這些數(shù)據(jù)與片上處理器一起使用可測(cè)量傳輸時(shí)間并在已知無(wú)線電波速度的情況下計(jì)算距離。位置和角度（方位角）也可以通過(guò)使用高度定向的天線來(lái)檢測(cè)。FM 雷達(dá)還可以讓您測(cè)量運(yùn)動(dòng)和速度。結(jié)果是一個(gè)非常靈活和可編程的傳感器，可以制造非常準(zhǔn)確的人員感應(yīng)設(shè)備。

圖 4：?jiǎn)涡酒走_(dá)收發(fā)器的簡(jiǎn)化表示。

與其他接近傳感器相比，雷達(dá)的一些主要優(yōu)勢(shì)是：

他們?cè)诤诎抵锌吹剑鴶z像機(jī)卻沒(méi)有。它們不受空氣中的煙霧或灰塵或明亮的陽(yáng)光的影響。

它們的高頻率在分辨緊密間隔的物體時(shí)提供了更高的精度。他們可以確定運(yùn)動(dòng)的位置和方向。多個(gè)天線通過(guò)波束成形形成相控陣，以幫助提高人數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。

它們測(cè)量運(yùn)動(dòng)和速度的精細(xì)程度。PIR 傳感器與毫米波傳感器的測(cè)試證明，雷達(dá)傳感器可以捕捉到人體呼吸等精細(xì)動(dòng)作。

他們可以通過(guò)墻壁檢測(cè)人類和運(yùn)動(dòng)。測(cè)試表明，雷達(dá)傳感器可以輕松穿透石膏板或塑料墻并提供準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)。然而，兩層干墻或膠合板確實(shí)會(huì)大大削弱雷達(dá)信號(hào)，使檢測(cè)變得困難。

雖然毫米波雷達(dá)傳感器在人數(shù)統(tǒng)計(jì)方面表現(xiàn)出色，但請(qǐng)記住，檢測(cè)和識(shí)別物體的大部分功勞歸功于處理軟件。要獲得最佳結(jié)果，需要復(fù)雜的算法和 DSP 微控制器。

審核編輯 黃昊宇