ภายในเซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวเรดาร์ราคา 1 ดอลลาร์

 (10maurycy10.github.io)
1 คะแนน โดย GN⁺ 2024-07-01 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • เซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวด้วยไมโครเวฟ ราคาต่ำกว่า 1 ดอลลาร์ก็ทำงานได้ด้วยไฟเลี้ยง 5V และคาปาซิเตอร์ดีคัปปลิง 1µF เท่านั้น และแปลงการเคลื่อนไหวภายในราว 5m ให้เป็นสัญญาณเอาต์พุตยาว 3 วินาที
  • ชิป SOIC-16 ขนาดใหญ่ BISS0001 เดิมทีเป็นชิปสำหรับ เซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวอินฟราเรด แต่บนบอร์ดนี้มันทำหน้าที่ขยายและเปรียบเทียบสัญญาณ IF รวมถึงดูแลตัวตั้งเวลาด้วย
  • วงจร RF ดูเผินๆ เหมือนออสซิลเลเตอร์ที่ประมาณ 3.18GHz แต่ในการทำงานจริงมันถูกพัลส์ที่ประมาณ 20MHz และโครงสร้างนี้ทำให้เกิดความไวแบบตัวรับสัญญาณซูเปอร์รีเจนเนอเรทีฟ
  • ภายในอาคารทำงานได้ดีเพราะมีคลื่นสะท้อนจากวัตถุหยุดนิ่งจำนวนมาก แต่ถ้าเป็นกลางแจ้งที่มีสภาพแวดล้อมสะท้อนน้อย ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์จะผันผวนอย่างมาก
  • การถอดคาปาซิเตอร์ออกและใช้โมดูลสองตัวทำให้ทดลอง เรดาร์แบบไบสแตติก และวัดความเร็วได้ แต่สำหรับเซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวในอาคารทั่วไป วิธีใช้โมดูลเดี่ยวแบบเดิมไวต่อการตรวจจับมากกว่า

การเชื่อมต่อพื้นฐานและสัญญาณตรวจจับ

  • เซ็นเซอร์ตัวนี้ทำงานได้ทันทีเมื่อเชื่อมต่อ 5V เข้ากับ VIN, กราวด์เข้ากับ GND และต่อ คาปาซิเตอร์ดีคัปปลิง 1µF ที่ 3V3
    • เมื่อมีคนเคลื่อนไหวภายในระยะประมาณ 5m ขา OUT จะขึ้นเป็น 3V นาน 3 วินาที
  • ชิป SOIC-16 ขนาดใหญ่บนบอร์ดคือ BISS0001 ซึ่งตาม datasheet ระบุว่าเป็น ชิปสำหรับเซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวอินฟราเรด
  • เรดาร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวและความเร็วจะปล่อยคลื่นพาห์ต่อเนื่องออกไป แล้วผสมสัญญาณรับกับสัญญาณส่งเพื่อสร้าง สัญญาณ IF ความถี่ต่ำ
    • การสะท้อนจากวัตถุที่เคลื่อนที่จะค่อยๆ เลื่อนเฟสจากสัญญาณส่ง และสร้างความถี่บีตระดับไม่กี่ Hz
    • สำหรับเซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว การตรวจจับการเปลี่ยนแปลงระดับมิลลิโวลต์สำคัญกว่าความแม่นยำของความเร็ว
  • ในโมดูลนี้ สัญญาณ IF เข้าที่ ขา 14 ของ BISS0001 และมีสำเนาที่ถูกขยายแล้วออกมาที่ ขา 16 ทำให้ดูด้วยออสซิลโลสโคปได้ง่าย
  • ในการวัดที่เลื่อนแล็ปท็อปเข้าหาเซ็นเซอร์ประมาณ 40cm พบยอดสัญญาณ 8 ยอด
    • เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเส้นทางไป-กลับ 80cm เท่ากับ 8 ความยาวคลื่น จึงคำนวณได้ว่าความยาวคลื่นประมาณ 10cm
    • ค่านี้ไม่ต่างจากความยาวคลื่นจริง 9.4cm มากนัก

วงจร RF และโครงสร้างตัวรับแบบซูเปอร์รีเจนเนอเรทีฟ

  • ทางขวาของบอร์ด BISS0001 ทำงานเหมือน แอมป์ลิฟายเออร์ คอมพาเรเตอร์ และตัวตั้งเวลา ส่วนการทำงานด้าน RF เกิดขึ้นที่ชิ้นส่วนไม่กี่ตัวทางซ้ายของบอร์ด
  • เมื่อมองครั้งแรก วงจร RF ดูเหมือนออสซิลเลเตอร์ทรานซิสเตอร์เดี่ยวที่ทำงานที่ประมาณ 3.18GHz
    • ลายทองแดงรูปตัว S ที่เอมิตเตอร์ทำหน้าที่เป็นทั้ง เรโซเนเตอร์ไมโครเวฟและเสาอากาศ
    • ทรานซิสเตอร์ BJT เป็นตัวขับมัน และคาปาซิเตอร์ที่เกิดจากเรโซเนเตอร์กับลายทองแดงขนานกันเป็นตัวให้ฟีดแบ็ก
    • โครงสร้างวงแหวนด้านหลังคาดว่าใช้ป้องกันการออสซิลเลตที่ความถี่อื่น
  • ออสซิลเลเตอร์นี้ ไม่เสถียร มาก ถึงขั้นแกว่งไปหลาย MHz ได้เพียงเพราะความจุไฟฟ้าจากมือหรือการดริฟต์ของไบอัส
  • การทำงานจริงใกล้เคียงกับการจับคู่ของออสซิลเลเตอร์สองตัวที่ถูกพัลส์ที่ประมาณ 20MHz
    • ระหว่างที่การออสซิลเลชันดำเนินไป สถานะของคาปาซิเตอร์ 33pF จะเปลี่ยนและแรงดันเอมิตเตอร์จะสูงขึ้น
    • เมื่อไม่สามารถรักษาการออสซิลเลชันต่อได้แล้ว ตัวต้านทาน 220Ω จะคายประจุคาปาซิเตอร์และเริ่มการออสซิลเลชันใหม่ภายในไม่กี่ ns
  • การพัลส์นี้ทำให้วงจรทำงานเหมือน ตัวรับสัญญาณซูเปอร์รีเจนเนอเรทีฟ
    • แม้เกนของทรานซิสเตอร์จะเกิน 1 การออสซิลเลชันก็ไม่ได้เริ่มทันที แต่ต้องมีสิ่งกระตุ้นเล็กน้อยก่อน
    • สัญญาณเล็กๆ ในเรโซเนเตอร์จะถูกขยายซ้ำๆ เพื่อชาร์จคาปาซิเตอร์และเริ่มรอบใหม่อีกครั้ง
    • เพียงมี RF เล็กน้อยมาก การออสซิลเลชันก็จะเริ่มได้เร็วขึ้น ทำให้ตอบสนองเหมือนตัวรับที่ไวมาก
  • ช่วง off-time ยาวประมาณ 15ns และการสะท้อนจากวัตถุหยุดนิ่งที่ไกลกว่า 2.5m จะมาถึงระหว่างช่วงเริ่มต้นการออสซิลเลชัน
    • การสะท้อนที่หยุดนิ่งเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือน ออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ ของเรดาร์
    • ตัวรับแบบซูเปอร์รีเจนเนอเรทีฟจะตรวจจับสัญญาณมอดูเลตแอมพลิจูดที่เกิดจากการแทรกสอดระหว่างการสะท้อนนิ่งกับการสะท้อนจากวัตถุเคลื่อนที่
    • ในสภาพแวดล้อมอย่างในอาคารที่มีการสะท้อนมาก จะมี RF สำหรับส่องไปยังวัตถุที่เคลื่อนไหวอยู่เสมอ
  • ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการสะท้อนรอบตัวอย่างมาก
    • ในอาคารทำงานได้ดี
    • ถ้าเป็นกลางแจ้งที่ไม่มีการสะท้อนนิ่งที่เหมาะสม ก็มักจะไม่ทำงานเลย

การทดลองดัดแปลงและเรดาร์แบบไบสแตติก

  • สร้างตัวส่งด้วยการตัดการพัลส์ออก

    • การดัดแปลงครั้งแรกคือการถอดคาปาซิเตอร์ที่สร้าง การพัลส์ 20MHz ออก
    • เมื่อทำเช่นนี้ เซ็นเซอร์จะกลายเป็นตัวส่ง
    • สามารถทำ frequency modulation ได้ด้วยการป้อนสัญญาณเข้าแทบทุกจุดของออสซิลเลเตอร์
    • ใช้วิธีเปิด-ปิดไฟเลี้ยงเพื่อทำ on-off keying ก็ได้
    • แม้ไม่มีส่วนซูเปอร์รีเจนเนอเรทีฟ เรดาร์ก็ยังทำงานได้ในระดับหนึ่ง
    • ตัวออสซิลเลเตอร์เองจะทำหน้าที่เหมือนมิกเซอร์เพื่อลดความถี่สัญญาณรับลง
    • อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มีเกน สัญญาณ IF จึงอ่อนลงมากและความไวลดลงอย่างชัดเจน

  • ข้อดีข้อเสียของการใช้สองโมดูล

    • การทดลองครั้งที่สองคือการจัดแบบ เรดาร์ไบสแตติก โดยวางโมดูลที่ดัดแปลงแล้วเป็นตัวส่ง และวางโมดูลที่ยังไม่ดัดแปลงไว้ข้างๆ เป็นตัวรับ
    • สัญญาณที่สะท้อนกลับมาปรากฏอย่างสม่ำเสมอกว่ามาก และการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดแปลกๆ ก็หายไป
    • เนื่องจากตัวรับได้รับ RF จากตัวส่งอย่างแรงตลอดเวลา สัญญาณสะท้อนจากระยะไกลจึงยิ่งอ่อนกว่าเดิม
    • สำหรับการเป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวในอาคาร โครงสร้างนี้แย่กว่าเดิม
      • ต้องมีการเคลื่อนไหวค่อนข้างมากในทิศทางเข้าหาหรือออกห่างจากเซ็นเซอร์จึงจะทริกเกอร์ได้
      • วิธีโมดูลเดี่ยวแบบเดิมทริกเกอร์ได้กับการเคลื่อนไหวแทบทุกแบบ
    • หากวางสองโมดูลห่างกันประมาณ 1~2m ประสิทธิภาพกลางแจ้งจะดีกว่าแบบโมดูลเดี่ยวมาก
      • ความไวดีที่สุดในบริเวณระหว่างสองโมดูล
      • แม้จะยังไม่ถึงขั้นเรียกว่าประสิทธิภาพโดยรวมดี แต่ก็ดีกว่าประสิทธิภาพกลางแจ้งของโมดูลเดี่ยวที่แทบไม่มีเลยอย่างมาก

  • การใช้เป็นเซ็นเซอร์วัดความเร็ว

    • โครงสร้างแบบไบสแตติกทำงานได้ดีในฐานะ เซ็นเซอร์วัดความเร็ว
    • สามารถวัดความเร็วได้โดยใช้ FFT กับ IF หรือการนับจำนวนครั้งที่สัญญาณตัดศูนย์
    • ความเร็วคำนวณได้จาก ความยาวคลื่น × ความถี่บีต ÷ 2
    • ตัวอย่างเช่น ถ้าใช้ความถี่บีต 15Hz และความยาวคลื่น 9.4cm จะได้ 9.4cm × 15Hz ÷ 2 = 70cm/s = 0.7m/s

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-07-01
ความเห็นจาก Hacker News

  • เรดาร์ Wi‑Fi CSI 2.4GHz สามารถตรวจจับทะลุกำแพงได้แม้ใช้บอร์ด ESP32 ราคา $20: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing และ https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
    Espressif อ้างว่าสามารถจับการเคลื่อนไหวเล็ก ๆ เช่น การหายใจหรือการเคี้ยวของคนหรือสัตว์ในสภาพแวดล้อมที่นิ่งได้ และทำงานได้กับตระกูล ESP32 ทั้งหมด เช่น ESP32, ESP32-S2, ESP32-C3 โดยไม่ต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์
    โน้ตบุ๊ก Wi‑Fi 7 AI/NPU รุ่นปี 2024 ที่ใช้ Intel/Qualcomm สามารถผสาน เรดาร์ RF เข้ากับการอนุมานบนอุปกรณ์เพื่อระบุกิจกรรมของคนได้
    เอกสารที่เกี่ยวข้อง: DIY Radio Telescope: Building a Camera That Can See WiFi (2019) https://www.youtube.com/watch?v=g3LT_b6K0Mc, Wi-Fi devices set to become object sensors by 2024 via IEEE 802.11bf standard (2021) https://news.ycombinator.com/item?id=40458766, How automotive radar measures the velocity of objects (2024) https://news.ycombinator.com/item?id=40768959, How Wi-Fi sensing of movement became usable (2024) https://www.technologyreview.com/2024/02/27/1088154/wifi-sen...

    • การตรวจจับด้วย Wi‑Fi ก็น่าสนใจ แต่ถ้าติดโมดูลแบบนี้เข้ากับชิป ESP ราคา $3 ก็จะกลายเป็นโปรเจ็กต์ที่ง่ายและถูกกว่า: https://www.dfrobot.com/product-2795.html
      ใช้ที่บ้านเพื่อ ตรวจจับการมีคนอยู่ และถ้าพิมพ์เคสเล็ก ๆ ด้วย 3D printer ก็ทำระบบตรวจจับการมีคนอยู่ความแม่นยำสูงในราคาต่ำกว่า $20 ได้ แม้จะนั่งนิ่ง ๆ ก็ยังจับได้ดี
      เหมาะอย่างยิ่งสำหรับไฟอัตโนมัติและการควบคุมระบบทำความร้อน/ทำความเย็น
    • ส่วน “Vital Sign Detection & Healthcare” น่าสนใจมาก
      กำลังมองหาวิธีวัดอัตราการเต้นของหัวใจของคนคนหนึ่งแบบ ไม่รุกล้ำร่างกาย อย่างสมบูรณ์ คือไม่ต้องสัมผัส และดูเหมือนว่า Wi‑Fi จะทำได้ (บทความวิจัยปี 2019 https://arxiv.org/abs/1908.05108)
      อย่างไรก็ตาม แม้จะมีหลายวิธี เช่น การวิเคราะห์วิดีโอ กล้องถ่ายภาพความร้อน แต่ก็หาโปรดักต์สำเร็จรูปราคาสมเหตุสมผลได้ยาก และตัวติดตามการนอนใต้เตียงแบบง่ายที่สุดก็ไม่ใช่ตัวเลือกสำหรับสถานการณ์ของฉัน
      อ้างอิง: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
    • จำได้ว่าเคยเห็นที่ไหนสักแห่งว่า AMEX กำลังลงทุนใน การตรวจจับวัตถุด้วย Wi‑Fi แต่จำไม่ได้ว่าเพื่ออะไรกันแน่
    • ใช้ ESP หนึ่งตัวกับ Wi‑Fi AP ของตัวเองเป็นแหล่งแพ็กเก็ตก็ได้

  • นึกถึงบทความแกะ HB100 แต่ตัวนี้อย่างน้อยก็มี IC เลยทำให้รู้สึกอุ่นใจกว่านิดหน่อย แม้จะไม่ค่อยเข้าใจหลักการทำงานก็ตาม: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...

    • ไม่รู้ว่าใครเป็นคนออกแบบ แต่ดูเหมือนจะเป็นจอมขมังเวทด้าน วิศวกรรมท่อนำคลื่น RF เลยทีเดียว
      ตัว PCB เองเป็นชิ้นส่วนหลัก และไม่ใช่แค่เสาอากาศแบบแพตช์เท่านั้น แต่ยังมีฟิลเตอร์ RF หลายตัว ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น และมิกเซอร์ ที่ส่วนใหญ่ถูกสร้างด้วยลายทองแดง PCB รูปร่างแปลก ๆ
      นอกจาก PCB แล้ว บนบอร์ดมีชิ้นส่วนเพียงห้าชิ้นเท่านั้น และการทำโมดูลเรดาร์ดอปเพลอร์ด้วยชิ้นส่วนพาสซีฟห้าชิ้นก็ต้องยอมทึ่งจริง ๆ
    • มันเจ๋งมากจนอดไม่ได้ที่จะโพสต์แยกต่างหาก: https://news.ycombinator.com/item?id=40834960

  • ออกนอกประเด็นเล็กน้อย แต่สงสัยว่าอุปกรณ์แบบนี้ปลอดภัยต่อคนหรือไม่
    ผมมี LD2410 อยู่หลายตัว และอยากใช้ตัวหนึ่งกับ ESPHome ในห้องนอน พอลองหาข้อมูลดูก็พบว่ากำลังส่งต่ำมากและดูปลอดภัย
    แต่ถึงอย่างนั้น การนอนทั้งคืนโดยมี เรดาร์หันมาทางเรา ก็เลยอยากฟังความเห็นให้มากที่สุด

    • คลื่นวิทยุแบบไม่ก่อไอออน โดยทั่วไปปลอดภัยต่อมนุษย์
      นอกเหนือจากการก่อไอออนแล้ว กลไกเดียวที่อาจเป็นอันตรายต่อคนได้คือกรณีที่มีพลังงานจำนวนมากถูกส่งเข้าสู่ร่างกาย ให้นึกถึงสถานการณ์อย่างทหารที่ยืนอยู่หน้าเครื่องส่งเรดาร์จนร่างกายร้อนขึ้น
      คำนวณคร่าว ๆ จากดาต้าชีต https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf กระแสเฉลี่ยคือ 79mA ที่ 5V จึงใช้พลังงานประมาณ 0.4W
      หากประเมินแบบเผื่อความปลอดภัยว่าสัดส่วนที่ส่งออกจริงอยู่ที่ 10~50% ก็จะเป็น 40~200mW และแม้สมมติว่าถูกดูดซับไป 1/4 พลังงานเพิ่มเติมที่เนื้อเยื่อดูดซับก็อยู่ราว 10~50mW
      นี่เป็นการประเมินที่เผื่อสูงเกินจริงในแง่ความปลอดภัย และค่าการดูดซับระดับไมโครวัตต์ที่คนอื่นพูดถึงน่าจะสมเหตุสมผลกว่า
      ร่างกายผู้ใหญ่ขณะพักใช้พลังงานพื้นฐานประมาณ 100W ซึ่งมากกว่าพลังงานที่ดูดซับจากเรดาร์คลื่นมิลลิเมตร 500~2500 เท่า
      ตราบใดที่การดูดซับไม่ได้ไปรวมอยู่เฉพาะจุดที่ไวต่อความเสียหายมากอย่างดวงตา ก็ถือได้ว่าอยู่ในระดับสัญญาณรบกวนพื้นหลัง
      อีกมุมหนึ่งคือเปรียบเทียบกับ RF และการแผ่รังสีความร้อนจากโทรศัพท์มือถือที่เราใส่ไว้ในกระเป๋าเป็นเวลาหลายชั่วโมง
    • โทรศัพท์มือถือบางรุ่นมี SAR เกือบ 2W/kg เมื่อเทียบกันแล้ว กำลังส่งระดับมิลลิวัตต์ของ RF 10GHz แทบไม่มีนัยสำคัญ
      หากใช้สมการการลดทอนพลังงานมาตรฐาน E~R^(-2) แค่ห่างจากเสาอากาศในระยะใช้งานจริงก็ลดลงเหลือระดับไมโครวัตต์แล้ว
    • ที่บ้านมีอุปกรณ์แบบนี้อยู่หลายจุด แต่ไม่ได้วางในห้องนอน
      ใช้เซ็นเซอร์น้ำหนักตรวจว่ามีใครอยู่บนเตียงหรือไม่ และใช้ PIR แบบดั้งเดิมสำหรับการเคลื่อนไหวในห้องนอน
      อาจจะระวังเกินไปก็ได้ แต่ไม่อยากให้เรดาร์เล็งใส่เด็ก ๆ ที่นอนหลับและตัวผมเองวันละ 12 ชั่วโมง
      Wi-Fi AP ชั้นบนก็คล้ายกัน คือวางไว้เฉพาะตรงโถงทางเดินและไม่ใช้กำลังส่งสูงสุด
    • เว็บไซต์ Microwave News ติดตามประเด็นด้านสุขภาพล่าสุดเกี่ยวกับอุปกรณ์แบบนี้อย่างต่อเนื่อง
      https://www.microwavenews.com

  • ตอนนี้มี เรดาร์คลื่นมิลลิเมตรแบบ USB-C ที่เชื่อมต่อกับระบบอัตโนมัติในบ้านออกมาแล้ว
    ราคาอยู่ราว 11~20 ดอลลาร์ และฟีเจอร์ก็ค่อนข้างครบ
    ถ้าอยากทำเอง ให้ดูสิ่งที่ฝั่ง ESPHome กำลังทำอยู่ ค้นคำว่า “esp home mm wave” ก็ได้

    • ถ้าจะทำเองด้วย ESP32 ต้นทุนชิ้นส่วนจริง ๆ อยู่ที่ประมาณ $5

  • LD2410(B) ก็เป็นอีกตัวเลือกหนึ่ง และทำงานผ่าน UART
    ราคาแพงกว่านิดหน่อยที่ราว $5 แต่มีตัวเลือกการตั้งค่ามากกว่า

    • แนะนำให้ซื้อรุ่น B เพราะตั้งค่าผ่าน Bluetooth จากโทรศัพท์ได้
      ไม่อย่างนั้นจะค่อนข้างยุ่งยาก และถึงอย่างนั้น ในกรณีของผม ถ้านั่งนิ่ง ๆ ห่างออกไป 4~5m มันก็ทำงานได้ไม่ดีและตัดสินว่าผมออกไปแล้ว

  • RP2040 MCU ของ Pi Pico ก็ราคา $1 จึงเป็นยุคที่เหมาะมากสำหรับการแฮ็กของราคาถูก

    • ตอนนี้ก็หวังแค่ว่าราคาออสซิลโลสโคปย่าน GHz จะลดลงบ้าง

  • รายละเอียดเพิ่มเติมอยู่ที่ https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516

  • เซ็นเซอร์ราคาถูก แบบนี้ส่วนใหญ่ไม่ค่อยถูกใจ
    มักแยกไม่ออกระหว่างคนที่กำลังเคลื่อนไหว พัดลมที่กำลังหมุน และผ้าม่านที่ขยับเพราะลม
    ตั้งค่าได้ในระดับหนึ่ง แต่ดูเหมือนยังไม่เพียงพอ
    ตัวเลือกที่แพงกว่าน่าจะมี แต่ผลิตภัณฑ์เหล่านั้นมักปิดมากกว่าหรือมีข้อจำกัดมากกว่า

  • ฟังก์ชัน Wiener นั้นดี
    เคยมีการใช้งานแบบแอนะล็อกด้วย และในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเคยเป็นความลับสุดยอด
    ตอนนี้ยังใช้ในการสื่อสารระหว่างโทรศัพท์มือถือกับ eNodeB ด้วย