描述

我需要一個戶外入侵傳感器用于我的車道，其范圍比 PIR 更長，并且沒有誤報。所需的范圍是 40 英尺，而大多數(shù) PIR 傳感器只能做大約 30 英尺，并有產(chǎn)生誤報的傾向。我有一個家庭安全系統(tǒng)，但沒有可靠的傳感器可以覆蓋我的整個車道。電源將是一個插入交流電源插座的 5 伏直流 USB 變壓器，但我也想試驗(yàn)電池電源，因?yàn)樵谖业能嚨廊肟诟浇鼪]有附近的外部交流電源插座。

我從 Arduino Uno 開始，并嘗試了各種傳感器，包括 PIR、熱像儀、超聲波 PING 和 X 波段雷達(dá)。他們都沒有我需要的范圍。我嘗試了幾種不同的 PIR 傳感器，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)誤報。接下來我嘗試了 Garmin LIDARLite v3HP 傳感器。這對于光束中斷非常有效，并且不受外部天氣或光線變化的影響。與車庫門光電光束不同，LIDAR 傳感器不需要反射器，而且范圍更大。起初，我使用了脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 接口，該接口運(yùn)行良好，但由于距離讀數(shù)不穩(wěn)定而產(chǎn)生了一些誤報。

接下來，我需要將它連接到我的家庭 wifi 網(wǎng)絡(luò)，因此我在 Uno 原型屏蔽上添加了 WINC1500 wifi 屏蔽和 DS1307 實(shí)時時鐘 (RTC) 分線模塊。當(dāng)檢測到入侵時，需要 RTC 提供準(zhǔn)確的時間戳。Uno 沒有足夠的內(nèi)存用于 WIFI 草圖，并且?guī)в袃蓚€屏蔽的外形尺寸太大，消耗的電流太大，無法在任何時間長度的 LiPo 電池上運(yùn)行。

此時我意識到這是 IoT（物聯(lián)網(wǎng)）板的完美用例，因此我切換到 Arduino MKR WIFI 1010。與 Uno 的 32KB 閃存相比，MKR 1010 具有 256KB 的閃存和 32KB 的 SRAM內(nèi)存和 2KB 的 SRAM。MKR 1010 體積更小、電流更低，并具有板載實(shí)時時鐘、WIFI 和藍(lán)牙。

MKR 1010 輕松連接到我的 wifi 網(wǎng)絡(luò)，并且為我的草圖和它需要的所有庫提供了足夠的內(nèi)存。RTC 工作得非常好。下一個要解決的問題是如何向我的 iPhone XS 發(fā)送推送通知。Internet 搜索確定了三個候選 Web 服務(wù)：Blynk、Amazon Web Services (AWS) 和 Pushsafer。向 iOS 或 Android 設(shè)備發(fā)送推送通知需要您安裝偵聽器應(yīng)用程序。它們都不是完全免費(fèi)的，但之后會提供不同數(shù)量的初始事件報告和訂閱計劃。AWS 是最復(fù)雜的，因此我取消了它。Blynk 和 Pushsafer 的價格差不多，但 Pushsafer 實(shí)現(xiàn)起來稍微簡單一些，所以我選擇了它。

我對 LIDARLite v3HP PWM 接口不滿意，因?yàn)榫嚯x讀數(shù)不穩(wěn)定，偶爾會導(dǎo)致誤報。我嘗試使用 LIDARLite_v3HP 庫的最新版本 (3.0.5) 和示例草圖 v3HP_I2C 為內(nèi)部集成電路 (I2C) 串行通信重新接線。它不會為 MKR 1010 板編譯而不會出現(xiàn)錯誤。我在 GitHub 上發(fā)布了一個問題，在幾次交流中附加了詳細(xì)的編譯器錯誤之后，Brad Wiseman 將 LIDARLite 庫更新到了 3.0.6 版，并為我提供了有關(guān)如何為 MKR 1010 成功編譯的詳細(xì)說明。我使用了來自LIDARLite_v3HP v3HP_I2C 示例草圖來構(gòu)建我自己的草圖。v3HP I2C 接口的最終性能比 PWM 接口更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定。

我決定嘗試將 LIDAR Lite v3HP 傳感器安裝在伺服系統(tǒng)上，并讓它以 90 - 180 度的弧度掃過車道。在花費(fèi)大量時間對不同的舵機(jī)、舵機(jī)定位方法和時間延遲進(jìn)行試驗(yàn)后，我得出結(jié)論，即使使用舵機(jī)緩慢移動激光雷達(dá)傳感器也會產(chǎn)生過多的誤報。LIDAR 傳感器的內(nèi)部電路需要一個穩(wěn)定的環(huán)境來糾正誤報，并且在傳感器處于固定位置時效果很好。距離讀數(shù)不穩(wěn)定的原因有多種，例如物體表面的反射率和紅外激光束撞擊目標(biāo)的角度。添加移動伺服使情況變得非常復(fù)雜，因此我將激光雷達(dá)傳感器恢復(fù)到項目箱上的固定安裝。

激光雷達(dá)經(jīng)常用于 3D 映射和障礙物檢測，因此可以通過正確的算法解決移動激光雷達(dá)傳感器的誤報問題。我對使用激光雷達(dá)來感知光束中斷更感興趣，但在某些時候我可能會重新考慮將傳感器安裝在伺服系統(tǒng)上以覆蓋更大的區(qū)域。這會增加電池消耗，我可能需要更大的電池。

對于硬件連接，我使用了 LIDARLite_v3HP 數(shù)據(jù)表中的標(biāo)準(zhǔn) I2C 接線圖。

自從這個項目發(fā)布以來，我已經(jīng)開始嘗試使用安裝在伺服系統(tǒng)上的 LIDAR-Lite v3HP 傳感器進(jìn)行有限形式的 LIDAR 映射。目標(biāo)是最大限度地減少誤報，同時最大限度地增加真正的入侵。通過在大多數(shù)伺服系統(tǒng)可以處理的 180 度弧上平移傳感器，可以構(gòu)建 180 點(diǎn)距離圖作為參考，而不會造成干擾。然后將伺服安裝的激光雷達(dá)傳感器在同一區(qū)域連續(xù)來回掃描，并與參考地圖進(jìn)行比較。建立閾值以識別真正的入侵，當(dāng)參考地圖和距離讀數(shù)之間的差異超過閾值時，會生成警報。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵在于用于將參考地圖與距離讀數(shù)進(jìn)行比較的算法。簡單地在每個度點(diǎn)減去兩者并不足以最大限度地減少誤報。機(jī)器學(xué)習(xí)可能是解決這個問題的一種可能的技術(shù)。我正在研究如何在這個項目中實(shí)施它。一旦發(fā)現(xiàn)了可行的技術(shù)，我計劃引入傾斜伺服系統(tǒng)并水平 180 度和垂直 20 度掃描目標(biāo)區(qū)域。在 20 度傾斜和 40 英尺距離處，激光雷達(dá)光束將覆蓋約 4 英尺的高度。這應(yīng)該足以區(qū)分動物與人類或車輛之間的區(qū)別。我計劃引入一個傾斜伺服系統(tǒng)并水平掃描目標(biāo)區(qū)域 180 度和垂直 20 度。在 20 度傾斜和 40 英尺距離處，激光雷達(dá)光束將覆蓋約 4 英尺的高度。這應(yīng)該足以區(qū)分動物與人類或車輛之間的區(qū)別。我計劃引入一個傾斜伺服系統(tǒng)并水平掃描目標(biāo)區(qū)域 180 度和垂直 20 度。在 20 度傾斜和 40 英尺距離處，激光雷達(dá)光束將覆蓋約 4 英尺的高度。這應(yīng)該足以區(qū)分動物與人類或車輛之間的區(qū)別。

我發(fā)現(xiàn)伺服類型和伺服運(yùn)動之間的延遲是減少誤報的關(guān)鍵因素。由于機(jī)械部件的缺陷，許多小型伺服系統(tǒng)可能會出現(xiàn)多達(dá) 1.3 度的誤差。尼龍齒輪伺服系統(tǒng)更平滑，產(chǎn)生影響距離讀數(shù)的振動更小。在沒有連續(xù)位置脈沖的情況下保持在位置的伺服系統(tǒng)也具有較小的振動。伺服定位運(yùn)動之間的 100 毫秒延遲有助于減少振動，但使 180 度掃描持續(xù) 18 秒。我考慮使用滑環(huán)電機(jī)并連續(xù)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)傳感器以消除伺服振動、減少機(jī)械誤差并加快距離讀數(shù)。Adafruit' s SRC022A-6 滑環(huán)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0 - 300 RPM，但我仍然需要傾斜伺服，并且電流消耗可能會增加到無法使用電池操作的程度。我一直在研究直接驅(qū)動、數(shù)字伺服系統(tǒng)以克服其中的一些限制。

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