1 Dolarlık Radar Hareket Sensörünün İçi

 (10maurycy10.github.io)
1 puan yazan GN⁺ 2024-07-01 | 1 yorum | WhatsApp'ta paylaş
  • 1 doların altındaki mikrodalga hareket sensörü bile yalnızca 5V güç ve 1µF decoupling kapasitörüyle çalışır; yaklaşık 5m içindeki hareketi 3 saniyelik bir çıkış sinyaline dönüştürür
  • Büyük SOIC-16 çipi BISS0001 aslında kızılötesi hareket sensörleri içindir, ancak bu kartta IF sinyalini yükseltip karşılaştırır ve zamanlayıcı görevini de üstlenir
  • RF devresi yaklaşık 3.18GHz osilatör gibi görünür, fakat gerçekte yaklaşık 20MHz ile darbelenir; bu yapı duyarlılığı süperrejeneratif alıcı gibi oluşturur
  • İç mekânda sabit yansıyan dalgalar bol olduğu için iyi çalışır, ancak dış mekân gibi yansıma ortamının yetersiz olduğu yerlerde sensör performansı ciddi biçimde dalgalanır
  • Kapasitörün çıkarılması ve iki modüllü yapı ile bistatik radar deneyi yapılabilir ve hız ölçümü de mümkündür; ancak sıradan iç mekân hareket sensörü olarak mevcut tek modüllü yöntem daha duyarlıdır

Temel bağlantı ve algılama sinyali

  • Bu sensör, VIN pinine 5V, GND pinine toprak ve 3V3 pinine 1µF decoupling kapasitörü bağlandığında hemen çalışır
    • Yaklaşık 5m içinde bir insan hareket ederse OUT pini 3 saniye boyunca 3V seviyesine çıkar
  • Karttaki büyük SOIC-16 çip BISS0001tir; veri sayfasına göre bu bir kızılötesi hareket sensörü çipidir
  • Hareket ve hız algılayan radarlar sürekli bir taşıyıcı dalga gönderir, ardından alınan sinyalle gönderilen sinyali karıştırarak düşük frekanslı bir IF sinyali üretir
    • Hareket eden nesnenin yansıması, gönderilen sinyale göre fazı yavaşça kaydırır ve birkaç Hz seviyesinde bir beat frekansı oluşturur
    • Hareket sensöründe kesin hızdan çok milivolt seviyesindeki değişiklikleri algılamak daha önemlidir
  • Bu modülde IF sinyali BISS0001in 14. pinine girer; 16. pinden ise yükseltilmiş bir kopyası çıkar ve osiloskopta görülmesi kolaydır
  • Bir dizüstü bilgisayarın sensöre doğru yaklaşık 40cm hareket ettirildiği ölçümde 8 tepe görüldü
    • Gidiş-dönüş yol değişimi 80cm olduğundan ve bu 8 dalga boyuna karşılık geldiğinden, dalga boyu yaklaşık 10cm olarak hesaplanır
    • Bu, gerçek dalga boyu olan 9.4cmden çok farklı olmayan bir seviyedir

RF devresi ve süperrejeneratif alıcı yapısı

  • Kartın sağ tarafında BISS0001 yükselteç, karşılaştırıcı ve zamanlayıcı gibi çalışır; RF ile ilgili işleyiş ise kartın sol tarafındaki az sayıdaki bileşende gerçekleşir
  • RF devresi ilk bakışta yaklaşık 3.18GHzte çalışan tek transistörlü bir osilatördür
    • Emitördeki S biçimli iz, mikrodalga rezonatörü ve anten görevi görür
    • BJT transistör bunu sürer; rezonatör ile paralel bakır izin oluşturduğu kapasitör geri besleme sağlar
    • Arka yüzdeki halka yapısının, başka frekanslarda osilasyonu engellemek için olduğu tahmin edilir
  • Osilatör, elin kapasitansı ve bias kaymasıyla bile birkaç MHz oynayacak kadar kararsızdır
  • Gerçek çalışma, yaklaşık 20MHz ile darbelenen iki osilatörün birleşimine daha yakındır
    • Osilasyon sürerken 33pF kapasitörün durumu değişir ve emitör gerilimi yükselir
    • Osilasyon artık sürdürülemez hale geldiğinde 220Ω direnç kapasitörü boşaltır ve birkaç ns içinde osilasyonu yeniden başlatır
  • Bu darbelenme nedeniyle devre süperrejeneratif alıcı gibi çalışır
    • Transistör kazancı 1’i aşsa bile osilasyon hemen başlamaz; küçük bir uyarı gerekir
    • Rezonatör içindeki küçük sinyal tekrar tekrar yükseltilerek kapasitörü şarj eder ve döngüyü yeniden başlatır
    • Çok az RF bile osilasyonun daha erken başlamasına yol açar ve devre duyarlı bir alıcı gibi tepki verir
  • Kapalı kalma süresi yaklaşık 15nsdir; 2.5m’den daha uzaktaki sabit nesnelerin yansımaları osilasyon başlangıcı sırasında ulaşır
    • Bu tür sabit yansımalar radarın yerel osilatörü gibi davranır
    • Süperrejeneratif alıcı, sabit yansıma ile hareketli yansımanın girişiminden doğan genlik modülasyonu sinyalini algılar
    • İç mekân gibi çok yansımalı ortamlarda, hareket eden nesneyi aydınlatacak RF her zaman bulunur
  • Performans çevredeki yansıma ortamına büyük ölçüde bağlıdır
    • İç mekânda iyi çalışır
    • Dış mekân gibi elverişli sabit yansımaların olmadığı yerlerde çoğu zaman hiç çalışmaz

Modifikasyon deneyleri ve bistatik radar

  • Darbelenmeyi kaldırarak verici yapmak

    • İlk modifikasyon, 20MHz darbelenmeyi oluşturan kapasitörü çıkarma yöntemidir
    • Böyle yapıldığında sensör vericiye dönüşür
    • Osilatörün neredeyse herhangi bir yerine sinyal enjekte ederek frekans modülasyonu yapılabilir
    • Gücü kapatıp açma yöntemiyle on-off keying de mümkündür
    • Süperrejeneratif kısım olmadan da radar bir ölçüde çalışır
    • Osilatörün kendisi, alıcı sinyali downconversion yapan bir mikser gibi davranır
    • Ancak kazanç olmadığı için IF sinyali çok daha zayıflar ve duyarlılık ciddi biçimde azalır

  • İki modüllü yapının artıları ve eksileri

    • İkinci deney, modifiye edilmiş vericinin yanına modifiye edilmemiş bir modülü alıcı olarak koyan bistatik radar yapısıdır
    • Geri dönen sinyal çok daha tutarlı görünür ve tuhaf genlik değişimleri de ortadan kalkar
    • Alıcı, vericinin RF’ini sürekli güçlü biçimde aldığı için uzak yansıma sinyalleri daha zayıftır
    • İç mekân hareket sensörü olarak bu yapı daha kötüdür
      • Tetikleme için sensöre doğru ya da sensörden uzağa doğru belirgin bir hareket gerekir
      • Mevcut tek modüllü yöntem neredeyse her türlü harekette tetiklenir
    • İki modül yaklaşık 1~2m aralıkla yerleştirilirse dış mekân performansı tek modüle göre çok daha iyi olur
      • Duyarlılık iki modül arasındaki bölgede en iyidir
      • Genel performansın iyi olduğu söylenemez; ancak tek modülün dış mekân performansının fiilen yok denecek düzeyde olmasından çok daha iyidir

  • Hız sensörü olarak kullanmak

    • Bistatik yapı hız sensörü olarak iyi çalışır
    • IF’e FFT uygulayarak veya sıfır geçişlerini sayarak hız ölçümü yapılabilir
    • Hız dalga boyu × beat frekansı ÷ 2 ile hesaplanır
    • Örneğin beat frekansı 15Hz ve dalga boyu 9.4cm kullanılırsa 9.4cm × 15Hz ÷ 2 = 70cm/s = 0.7m/s olur

İlgili okumalar

1 yorum

 
GN⁺ 2024-07-01
Hacker News yorumları

  • 2.4GHz Wi-Fi CSI radarı, 20 dolarlık bir ESP32 kartıyla bile duvarın arkasını algılayabiliyor: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing ve https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
    Espressif, durağan ortamlarda insan ya da hayvanların nefes alması veya çiğnemesi gibi küçük hareketleri bile yakalayabildiğini söylüyor; ayrıca bunun ESP32, ESP32-S2, ESP32-C3 gibi tüm ESP32 ailesinde donanım değişikliği olmadan çalıştığını belirtiyor
    2024 model Intel/Qualcomm tabanlı Wi-Fi 7 AI/NPU dizüstü bilgisayarlar, RF radarını cihaz üstü çıkarımla birleştirerek insanların etkinliklerini tanımlayabiliyor
    İlgili kaynaklar: 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...

    • Wi-Fi algılama da ilginç, ama bu tür bir modülü 3 dolarlık bir ESP çipine eklerseniz daha kolay ve daha ucuz bir proje oluyor: https://www.dfrobot.com/product-2795.html
      Evde varlık algılama için kullanıyorum; küçük bir muhafazayı 3D yazıcıyla basarsanız 20 doların altında, oturup hiç kıpırdamasanız bile sizi algılayan yüksek hassasiyetli sabit varlık algılama elde edilebiliyor
      Otomatik aydınlatma ve ısıtma-soğutma kontrolü için ideal
    • “Vital Sign Detection & Healthcare” bölümü çok ilginçti
      Tamamen non-invaziv, yani temas olmadan tek bir kişinin kalp atışını ölçmenin bir yolunu arıyorum; bunun Wi-Fi ile mümkün göründüğü söyleniyor (2019 tarihli makale https://arxiv.org/abs/1908.05108)
      Ama görüntü analizi, termal kamera vb. pek çok yöntem olsa da makul fiyatlı hazır bir ürün bulmak zor; en basit yatak altı uyku takip cihazı da benim durumumda bir seçenek değil
      Referans: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
    • AMEX'in Wi-Fi nesne algılamaya yatırım yaptığını bir yerde gördüğümü hatırlıyorum, ama tam olarak ne amaçla olduğunu hatırlamıyorum
    • Paket kaynağı olarak bir ESP ile kendi Wi-Fi AP'nizi de kullanabilirsiniz

  • Bu bana HB100 söküm yazısını hatırlatıyor, ama bunda en azından bir IC var; yani tam olarak nasıl çalıştığını bilmeseniz de biraz daha güvende hissettiriyor: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...

    • Kimin tasarladığını bilmiyorum ama RF dalga kılavuzu mühendisliğinin kara büyüsünde usta biri olmalıydı
      PCB'nin kendisi temel bileşen; yalnızca patch anten değil, çeşitli RF filtreleri, yerel osilatör ve mikserin büyük bölümü de sıradışı şekilli PCB izleriyle gerçekleştirilmiş
      PCB dışında kart üzerinde sadece beş bileşen var ve beş pasif bileşenle bir Doppler radar modülü yapmış olmaları gerçekten hayranlık uyandırıcı
    • O kadar havalı ki bunu ayrı bir gönderi olarak paylaşmadan edemedim: https://news.ycombinator.com/item?id=40834960

  • Biraz konu dışı ama bu tür cihazların insanlar için güvenli olup olmadığını merak ediyorum
    Bende birkaç LD2410 var ve bunlardan birini ESPHome ile yatak odasında kullanmak istiyorum; araştırınca çıkış gücünün çok düşük olduğu ve güvenli göründüğü anlaşılıyor
    Yine de gece boyunca radarın bize dönük halde uyumak söz konusu olduğu için mümkün olduğunca çok geri bildirim duymak istiyorum

    • İyonlaştırıcı olmayan radyo dalgaları genel olarak insanlar için güvenlidir
      İyonlaştırma dışında insana zarar verebilecek mekanizma, ancak vücuda çok fazla güç aktarılmasıdır; bunu, radar vericisinin önünde durup vücudunu ısıtan asker örneği gibi düşünebilirsiniz
      Kabaca hesaplayınca, https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf veri sayfasında ortalama akım 5V'ta 79mA, yani yaklaşık 0.4W tüketiyor
      Bunun gerçekten yayılan kısmını ihtiyatlı biçimde %10~50 varsayarsak 40~200mW eder; bunun da 1/4'ünün emildiğini kabul etsek bile doku tarafından emilen ek güç yaklaşık 10~50mW olur
      Bu, güvenlik açısından fazlasıyla yüksekten yapılmış bir tahmin; başka birinin bahsettiği mikrowatt düzeyinde emilim daha olası görünüyor
      Yetişkin insan vücudunun dinlenme hâlindeki bazal güç tüketimi yaklaşık 100W olduğundan, bu değer milimetre dalga radarından emilen güçten 500~2500 kat daha büyüktür
      Emilim göz gibi çok belirli ve hassas bir bölgede yoğunlaşmadıkça bunu arka plan gürültüsü seviyesinde sayabilirsiniz
      Başka bir açıdan bakarsak, cebinizde saatlerce taşıdığınız cep telefonunun yaydığı RF ve ısıl radyasyonla karşılaştırabilirsiniz
    • Bazı telefonlarda SAR neredeyse 2W/kg seviyesindedir; bunun yanında 10GHz RF'de milliwatt düzeyindeki çıkış neredeyse hiçbir şeydir
      Standart enerji zayıflama denklemi E~R^(-2) uygulanırsa, antenden pratik bir mesafe kadar uzaklaştığınızda seviye mikrowatt düzeyine iner
    • Evin çeşitli yerlerinde bu tür cihazlar var ama yatak odasına koymuyorum
      Yatakta biri olup olmadığını ağırlık sensörüyle algılıyor, yatak odasındaki hareket içinse geleneksel PIR kullanıyorum
      Belki gereğinden fazla temkinliyim ama uyuyan çocuklara ve kendime günde 12 saat radar doğrultmak istemedim
      Üst kattaki Wi-Fi AP'yi de benzer şekilde yalnızca koridorda tutuyor ve maksimum çıkış gücünde kullanmıyorum
    • Microwave News sitesi bu tür cihazlarla ilgili güncel sağlık başlıklarını sürekli ele alıyor
      https://www.microwavenews.com

  • Ev otomasyonuna bağlanabilen USB-C milimetre dalga radarları zaten mevcut
    Fiyatları yaklaşık 11~20 dolar ve özellikleri de oldukça zengin
    Kendiniz yapmak istiyorsanız ESPHome tarafında süren çalışmalara bakabilirsiniz. “esp home mm wave” diye aratın

    • ESP32 ile kendiniz yapacaksanız gerçek parça maliyeti yaklaşık $5 tutuyor

  • LD2410(B) de bir seçenek ve UART üzerinden çalışıyor
    Yaklaşık $5 ile biraz daha pahalı ama daha fazla yapılandırma seçeneği sunuyor

    • B varyantını almak daha iyi. Çünkü telefonu kullanarak Bluetooth üzerinden yapılandırabiliyorsunuz
      Aksi hâlde oldukça uğraştırıcı oluyor; ayrıca benim deneyimimde 4~5m uzakta hareketsiz oturunca düzgün çalışmayıp kişinin ayrıldığını sanıyor

  • Pi Pico'nun RP2040 MCU'su da $1, yani ucuz hack'ler yapmak için gerçekten harika bir dönemdeyiz

    • Şimdi bir tek GHz bant osiloskopların fiyatı düşse iyi olur

  • Daha fazla ayrıntı için https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516 adresine bakabilirsiniz

  • Bu tür ucuz sensörleri çoğunlukla pek sevmiyorum
    Hareket eden bir insanla dönen bir vantilatörü ya da rüzgârda sallanan perdeyi ayırt edemedikleri sık görülür
    Bir miktar ayar yapmak mümkün ama yeterli görünmüyor
    Daha pahalı seçenekler olabilir, ancak o ürünler de çoğu zaman daha kapalı ya da daha kısıtlayıcı oluyor

  • Wiener fonksiyonu iyidir
    Analog uygulamaları da vardı ve 2. Dünya Savaşı sırasında çok gizliydi
    Günümüzde telefon ile eNodeB arasındaki iletişimde de kullanılıyor