作者：KEEGAN GARCIA，德州儀器 (TI) 毫米波傳感器業(yè)務(wù)營銷經(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辦公樓中人員的移動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法提供的許多優(yōu)勢。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)用檢測和跟蹤人員的主要價值是節(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，則可以提供最佳的加熱或冷卻和照明量，以保持生產(chǎn)力。如果沒有人在場，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)也可以通過自動監(jiān)控來增強(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和大門以符合所需的安全協(xié)議所需的基本數(shù)據(jù)。

安全是接近檢測的另一種用途，尤其是在移動機(jī)器人和其他機(jī)械可能對人類構(gòu)成威脅的工廠中。帶有適當(dāng)警告的運(yùn)動感應(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)營預(yù)算。例如，如果房間里沒有人，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)鍵是在正確的時間提供適量的環(huán)境條件。

樓宇和工廠自動化系統(tǒng)依賴于所有類型的傳感器來監(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器。其他傳感器是用于門窗監(jiān)控的磁性探測器以及一氧化碳和其他有毒氣體或灰塵和花粉的探測器。所有這些傳感器都將信號作為反饋發(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)控過程，它決定了建筑物中有多少人和人們在哪里。需要特殊的傳感器來檢測和計(jì)算人數(shù)。接近傳感器或檢測器用于此目的。

一種流行的接近檢測器是無源紅外 (PIR) 傳感器。它檢測體溫并向控制器發(fā)送信號以采取行動。圖 1中的簡單 PIR 檢測器 具有單一的廣泛覆蓋區(qū)域，除了粗略運(yùn)動之外沒有辨別能力。更復(fù)雜的紅外探測器使用多個紅外激光器或 LED 來照亮一個區(qū)域，以創(chuàng)建可由紅外探測器捕獲的 3D 場景。然后在軟件中分析數(shù)字化場景以確定人數(shù)。

圖 1：像這樣的基本無源紅外探測器覆蓋大面積但無法區(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。攝像機(jī)正變得越來越普遍，可以使用機(jī)器視覺軟件執(zhí)行類似的功能，但會遇到隱私問題。

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)確地確定在場人數(shù)和其他更精細(xì)的細(xì)節(jié)。人物動作也很難捕捉。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)巡航控制和自動制動的新型高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的一個組件。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。雷達(dá)傳感器可以很容易地確定占用會議室的人數(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 2：一個典型的商務(wù)空間，如會議室，可以被一個雷達(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、運(yùn)動感應(yīng)和測量到被檢測物體的距離方面異常出色。

回想一下，雷達(dá)用于測量距離、方向（角度）和速度。警察測速雷達(dá)和棒球測速槍就是很好的例子。片上發(fā)射器 (TX) 發(fā)射信號，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 信號是一個短時間線性增加的頻率變化，稱為啁啾（見圖3）。啁啾以期望的速率重復(fù)。

圖 3：FMCW 啁啾信號的頻率在短時間內(nèi)線性增加。

圖 4 顯示了一個簡化的雷達(dá)收發(fā)器。返回信號的頻率在接收器 (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量傳輸時間并在已知無線電波速度的情況下計(jì)算距離。位置和角度（方位角）也可以通過使用高度定向的天線來檢測。FM 雷達(dá)還可以讓您測量運(yùn)動和速度。結(jié)果是一個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：單芯片雷達(dá)收發(fā)器的簡化表示。

與其他接近傳感器相比，雷達(dá)的一些主要優(yōu)勢是：

他們在黑暗中看到，而攝像機(jī)卻沒有。它們不受空氣中的煙霧或灰塵或明亮的陽光的影響。

它們的高頻率在分辨緊密間隔的物體時提供了更高的精度。他們可以確定運(yùn)動的位置和方向。多個天線通過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。

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

他們可以通過墻壁檢測人類和運(yùn)動。測試表明，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)會大大削弱雷達(dá)信號，使檢測變得困難。

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，但請記住，檢測和識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