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雷达技术在物联网和嵌入式设计中的创新应用

日期: 2018-10-17
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众所周知,传统的雷达技术被应用的相当广泛,比如机载、舰载、基地雷达等方面去对目标进行检测和成像,在日常生活中我们可以借助雷达传感器去实现汽车倒车\行车辅助、天气预报、交通管控、资源勘查等等很多的应用。

随着物联网(IoT)应用范围不断扩大,许多物联网应用依靠嵌入式传感器执行关键测量任务,或作为控制电路的重要组成部分。新型传感器的开发可实现新的应用,雷达传感器已成为物联网和嵌入式设计中的重要设计单元。

雷达感知技术 已成为最新“交叉”传感器技术之一

近些年随着半导体技术的快速发展,使得很多雷达的尺寸、功耗都在大幅下降,毫米波、超宽带技术和多发多收的使用,结合创新的信号处理技术和计算能力不断增强的芯片,雷达的感知功能日益强大。雷达感知是一种无线感知技术,通过分析接收到的目标回波特性,提取并发现目标的位置、形状、运动特性和运动轨迹,并且可以进一步推断目标和环境的特征。其作用类似于人类的眼睛和耳朵。与其它传感器相比,雷达感知具有许多独特的优势。例如,与视觉传感器相比,雷达不受光线明暗的影响,具有穿透遮挡物的能力,可以更好地保护个人隐私。与超声技术相比,雷达感知的距离更远,而且不会对人和动物造成伤害。

雷达技术在物联网和嵌入式设计中的创新应用


当然,雷达的工作原理并不新鲜。雷达(无线电方向和测距,RAdio Direction And Ranging)的根源可追溯到19世纪80年代Heinrich Hertz用无线电波进行的实验。在第二次世界大战之前,它被罗伯特沃森瓦特爵士等人发展成为实用的防空工具。所有的雷达系统都是基于远离目标的无线电波的反射原理。然而,在实践中,各种实现方案会影响成本,复杂性和性能。大多数物联网,汽车和嵌入式应用通常使用 “短距离”的雷达体系结构。与用于导航和军事/防御的传统高功率雷达系统不同,短程雷达系统与其目标的距离相对较近。

此外,还有几种类型的短程雷达,包括连续波(CW)多普勒,调频连续波(FMCW),脉冲多普勒和超宽带(UWB)等。CW多普勒和FMCW都可以作为射频芯片组广泛使用,并在低功率水平下运行,这种特性在IoT(物联网)和嵌入式设计中通常非常重要。

嵌入式短程雷达已成为用于物联网和智能照明等最新“交叉”传感器技术之一,这种传感技术在物联网应用中扮演着越来越重要的角色。当应用受益于测量或者探测远处物体的存在、速度、行进方向和距离时,短程雷达可能是值得认真考虑的候选技术。

从智能路灯到运动检测  从血压监测到心率监测

目前有些应用已经超越一般人对雷达技术的想象,例如建筑与智能家居(物联网)、周边和区域安全、照明和HVAC控制的空间占用检测、自动门和门控制、机器人技术、智能路灯(沿接近车辆的路径增加亮度的路灯),无人机和无人机高度仪、工业流体/固体水平传感和速度测量等。

雷达感知技术的应用让路灯可以根据目标的不同状态做出不同反应。当无目标时,路灯可实现完全熄灭。当目标出现时,可根据目标的距离、速度等信息,对附近路灯是否点亮、亮灯程度进行实时智能控制。不仅降低了能源消耗,也能减少路灯本身损耗,延长路灯寿命。

利用雷达传感器发掘先进的停车场车辆检测方式,从而有效、简单方便的解决各种各样类型的停车场车辆检测问题。24GHz雷达传感器网络能够有效采集城市停车位信息,数据信息会被传送到停车管理控制中心,使得管理控制中心对停车位的分配可以变得更加智能。雷达传感器作为新添加的一项设备,方向朝下地安装在路灯和房屋墙壁上,从这些位置获取的信息就可以准确推断哪些区域还存有停车位。如果雷达传感器安装在更高的位置,则能够扫描更宽广的区域,因此更容易检测到停靠成一排的车辆。火柴盒大小的传感器首先发射微波脉冲,经街道和车辆反射后,获得相应的位置信息。

利用雷达识别运动的技术可以应用在不同的场景中。比如在体育运动中,可以借用这项技术检测人和球类的运动状态和运动轨迹。在居家环境下,还可以做人体摔倒检测,用于预防老人摔倒。目前,我们的技术已经可以通过处理雷达数据,实现人体运动状态和轨迹的解读。

随着人们生活水平的不断提升,人们对身体健康的关注度也是越来越高,实时快捷方便地检测心率与呼吸频率成为一种必然的趋势,传统检测设备不易携带、实时操作性较差。雷达波是一种电磁波,它不随温度、光线等环境因素的影响而变化,这在很大程度上提升了产品的抗干扰能力和稳定性,通过雷达波射频收发模块来完成对心率与呼吸信号的检测,可以实现非接触式检测,方便操作,可靠性较高。雷达波可以很好地穿过衣服和皮肤完成对心率与呼吸频率的检测。虽然心率与呼吸信号的幅度小,但是雷达射频收发模块实现了可调灵敏度,可以有效地完成心率与呼吸信号的检测。

年初媒体曾报道过一家名叫Blumio国外公司使用雷达技术来实现对血压的革新式监测,该公司的产品将雷达技术设计到上臂佩戴的臂环中(这是通常测量血压的位置,因为它和心脏高度相同),产品中的利用两个雷达天线负责探测每两次心跳之间的脉冲压力波,再通过算法计算两个天线间距的速度推导出被监护人的血压。和以往的血压计不同,它不需要连接在笨重的机器上,而且能持续测量。

在雷达测血压心率方面国内创业公司也不落后,核心团队成员来自高通、博通、展讯等半导体公司的悦享趋势科技(LOHAS TECH)研究一种非接触式动脉雷达BioRF技术。通过雷达技术捕捉浅表动脉信号,避免光电传感器测量毛细血管带来的误差,实现精准的测量。


雷达技术在物联网和嵌入式设计中的创新应用

BioRF雷达测心率——动脉血管

BioRF使用近场传感技术,可以探测全身浅表动脉的脉搏波信号,配合系统设计,支持更有想象空间的医疗级产品以及算法开发。BioRF 动脉雷达在智能血压连续监测中,具有不加压,高灵敏度等特点,该设备能够精准感测浅表动脉脉搏,近端远端动脉皆可探测。三秒锁定脉搏信号,十秒完成一次测量,测量时无需袖带加压。

有意思的是,前不久ADI公司的产品应用工程师在前不久的IMS2018国际微波技术展会现场介绍的一款产品也实现类似的身体信号监测功能,ADI正在开发的可监测人体心率和呼吸速率的方案。

ADI产品应用工程师在IMS2018现场演示支持雷达心率监测方案

展示资料显示,这一整套系统解决方案包括一条天线、一个24GH雷达、一个低速ADC和一个定点DSP均集成在一块电路板上,这块电路板可以直接用作生命体征监测系统。当人坐在这款产品前面,它会将极低功率的雷达信号传送到他的身体,然后通过读取信号从而可以获得这个人的心率和呼吸速率信息。

雷达技术在物联网和嵌入式设计中的创新应用

现场工程师将传输极低雷达功率的电路板对着演示模特的胸口,在演示平台系统电脑界面上,雷达射频芯片采集无线信号再转换为中频信号,还有一个低速ADC,对数据进行了数字化处理,DSP传感器和算法可以读取呼吸速率和心率数据,将数据通过USB传输到了电脑中从而读取人的实时心率。按照ADI的目标应用建议,该类系统可以应用于驾驶员健康监测用于追踪驾驶员的心率信息并进行驾驶员状态分析,还可将它放在儿童座椅或婴儿车内用于监测婴儿的健康情况,也可以把这款设备放在一个房间测量房内人员的心率,等等创新应用。

总结

目前,低成本雷达感知技术以及可用的设计工具一应俱全,这类雷达传感器可以提供有关物体存在、运动、角位置、速度以及与传感器几厘米到几百米的距离等实时信息,满足物联网、嵌入式和智能照明等应用中所要求的性能和功能。与过去低成本的MEMS加速度计一样,这也有可能促进全新的,意料之外的物联网产品类别的开发。本文提及的创新应用只是雷达应用的冰山一角。


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