作者：KEEGAN GARCIA，德州儀器 (TI) 毫米波傳感器業(yè)務營銷經理

設計新辦公樓和工廠的工程師和建筑師越來越多地尋求改進的傳感器，以實現各種節(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器人或其他機器。在早期設計中使用了多種傳感器類型并取得了一些成功，但設計人員現在才剛剛發(fā)現毫米波 (mmWave) 傳感器。低成本毫米波單芯片雷達可以充當傳感器，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和新功能。

主要應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。根據人的占用情況調整供暖、空調和照明是有意義的。如果有人在場，則可以提供最佳的加熱或冷卻和照明量，以保持生產力。如果沒有人在場，則可以大大減少制冷和制熱并關閉照明，從而節(jié)省大量能源。

安全系統也可以通過自動監(jiān)控來增強。人員位置、計數和跟蹤是保護某些空間并確保控制門和大門以符合所需的安全協議所需的基本數據。

安全是接近檢測的另一種用途，尤其是在移動機器人和其他機械可能對人類構成威脅的工廠中。帶有適當警告的運動感應可以顯著減少事故。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。

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

傳感器調查為辦公樓或工廠提供最佳供暖、空調和照明可以節(jié)省大量運營預算。例如，如果房間里沒有人，改變溫度和關燈可以顯著節(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)建筑會浪費其消耗的能源的 30%。降低成本的關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)送到運行加熱和空調 (HVAC) 和照明系統的中央控制系統。適當的溫度和照明條件可以提高員工的舒適度和生產力。

關鍵因素是監(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算人數。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，除了粗略運動之外沒有辨別能力。更復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字化場景以確定人數。

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)分細節(jié)。

類似的選項可用于超聲波傳感器或攝像機。超聲波探測器用 40-kHz 至 80-kHz 范圍內的高頻聲音繪制區(qū)域，并恢復可以在軟件中分析的反射以進行人員檢測。攝像機正變得越來越普遍，可以使用機器視覺軟件執(zhí)行類似的功能，但會遇到隱私問題。

所有的人數統計傳感器在某些方面都很有用，但通常不能準確地確定在場人數和其他更精細的細節(jié)。人物動作也很難捕捉。某些應用需要更精確的接近傳感器。

雷達傳感器您可能認為雷達是用于飛機和船舶導航和安全的技術，或者是用于車輛自適應巡航控制和自動制動的新型高級駕駛員輔助系統 (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，雷達現在被證明是一種出色的傳感器類型，可以計算人數并確定他們的位置和運動。雷達傳感器可以很容易地確定占用會議室的人數，如圖 2所示的示例。低成本 CMOS 單芯片雷達現已上市并應用于此應用。

圖 2：一個典型的商務空間，如會議室，可以被一個雷達傳感器覆蓋，并且可以準確計算餐桌上的人數。

一種類型的雷達設備是工作在 76-GHz 至 81-GHz 范圍內的調頻連續(xù)波 (FMCW) 類型。考慮單芯片雷達系統的最佳方式是將其視為另一種類型的傳感器。事實證明，毫米波雷達在物體的接近檢測、運動感應和測量到被檢測物體的距離方面異常出色。

回想一下，雷達用于測量距離、方向（角度）和速度。警察測速雷達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。

圖 3：FMCW 啁啾信號的頻率在短時間內線性增加。

圖 4 顯示了一個簡化的雷達收發(fā)器。返回信號的頻率在接收器 (RX) 處與發(fā)射頻率混合，以產生數字化的中頻 (IF)。將這些數據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 雷達還可以讓您測量運動和速度。結果是一個非常靈活和可編程的傳感器，可以制造非常準確的人員感應設備。

圖 4：單芯片雷達收發(fā)器的簡化表示。

與其他接近傳感器相比，雷達的一些主要優(yōu)勢是：

他們在黑暗中看到，而攝像機卻沒有。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，以幫助提高人數統計的準確性。

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

他們可以通過墻壁檢測人類和運動。測試表明，雷達傳感器可以輕松穿透石膏板或塑料墻并提供準確的計數。然而，兩層干墻或膠合板確實會大大削弱雷達信號，使檢測變得困難。

雖然毫米波雷達傳感器在人數統計方面表現出色，但請記住，檢測和識別物體的大部分功勞歸功于處理軟件。要獲得最佳結果，需要復雜的算法和 DSP 微控制器。

審核編輯 黃昊宇