Bên trong cảm biến chuyển động radar giá 1 USD

 (10maurycy10.github.io)
1 điểm bởi GN⁺ 2024-07-01 | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Cảm biến chuyển động vi ba giá dưới 1 USD cũng hoạt động chỉ với nguồn 5V và một tụ decoupling 1µF, biến chuyển động trong phạm vi khoảng 5m thành tín hiệu đầu ra kéo dài 3 giây
  • Chip SOIC-16 lớn BISS0001 vốn dành cho cảm biến chuyển động hồng ngoại, nhưng trên bo mạch này nó đảm nhiệm khuếch đại/so sánh tín hiệu IF và cả bộ hẹn giờ
  • Mạch RF trông giống bộ dao động khoảng 3,18GHz, nhưng thực tế được tạo xung ở khoảng 20MHz; cấu trúc này tạo ra độ nhạy giống một bộ thu siêu tái sinh
  • Trong nhà, cảm biến hoạt động tốt nhờ có nhiều sóng phản xạ từ vật đứng yên, nhưng ở ngoài trời, nơi môi trường phản xạ nghèo hơn, hiệu năng cảm biến dao động rất mạnh
  • Có thể thử nghiệm radar bistatic bằng cách tháo tụ và dùng cấu hình hai mô-đun, đồng thời đo được tốc độ; tuy nhiên với cảm biến chuyển động trong nhà thông thường, cách dùng một mô-đun truyền thống nhạy hơn

Kết nối cơ bản và tín hiệu phát hiện

  • Cảm biến này hoạt động ngay khi nối 5V vào VIN, nối đất vào GND, và nối một tụ decoupling 1µF vào 3V3
    • Khi có người di chuyển trong phạm vi khoảng 5m, chân OUT tăng lên 3V trong 3 giây
  • Chip SOIC-16 lớn trên bo mạch là BISS0001; theo datasheet, đây là chip cảm biến chuyển động hồng ngoại
  • Radar phát hiện chuyển động/tốc độ phát ra sóng mang liên tục rồi trộn tín hiệu thu với tín hiệu phát để tạo tín hiệu IF tần số thấp
    • Phản xạ từ vật đang di chuyển lệch pha dần so với tín hiệu phát, tạo tần số beat ở mức vài Hz
    • Với cảm biến chuyển động, việc phát hiện thay đổi ở mức millivolt quan trọng hơn tốc độ chính xác
  • Trong mô-đun này, tín hiệu IF đi vào chân 14 của BISS0001, và một bản sao đã khuếch đại đi ra từ chân 16, dễ quan sát bằng oscilloscope
  • Trong phép đo khi dịch chuyển laptop về phía cảm biến khoảng 40cm, xuất hiện 8 đỉnh
    • Thay đổi đường đi khứ hồi 80cm tương ứng với 8 bước sóng, nên bước sóng được tính là khoảng 10cm
    • Mức này không khác quá xa bước sóng thực tế 9,4cm

Mạch RF và cấu trúc thu siêu tái sinh

  • Ở phía bên phải bo mạch, BISS0001 hoạt động như bộ khuếch đại/bộ so sánh/bộ hẹn giờ, còn hoạt động liên quan đến RF diễn ra ở số ít linh kiện bên trái bo mạch
  • Thoạt nhìn, mạch RF là một bộ dao động một transistor hoạt động ở khoảng 3,18GHz
    • Đường mạch hình chữ S ở emitter đóng vai trò bộ cộng hưởng vi ba kiêm anten
    • Transistor BJT điều khiển nó, còn tụ điện do bộ cộng hưởng và đường đồng song song tạo ra cung cấp hồi tiếp
    • Cấu trúc vòng ở mặt sau được cho là nhằm ngăn dao động ở các tần số khác
  • Bộ dao động không ổn định đến mức chỉ điện dung của tay và trôi bias cũng có thể làm nó lệch vài MHz
  • Hoạt động thực tế gần giống sự kết hợp của hai bộ dao động được tạo xung ở khoảng 20MHz
    • Khi dao động diễn ra, trạng thái của tụ 33pF thay đổi và điện áp emitter tăng lên
    • Khi dao động không còn duy trì được, điện trở 220Ω xả tụ và khởi động lại dao động trong vài ns
  • Vì việc tạo xung này, mạch hoạt động như một bộ thu siêu tái sinh
    • Dù hệ số khuếch đại transistor vượt 1, dao động không bắt đầu ngay mà cần một kích thích nhỏ
    • Tín hiệu nhỏ trong bộ cộng hưởng được khuếch đại lặp lại, sạc tụ và bắt đầu lại chu kỳ
    • Chỉ cần có một chút RF, dao động sẽ bắt đầu sớm hơn, khiến mạch phản ứng như một bộ thu nhạy
  • Thời gian tắt khoảng 15ns, và phản xạ từ vật đứng yên xa hơn 2,5m đến nơi trong lúc dao động bắt đầu
    • Những phản xạ đứng yên như vậy đóng vai trò giống bộ dao động cục bộ của radar
    • Bộ thu siêu tái sinh phát hiện tín hiệu điều chế biên độ sinh ra bởi giao thoa giữa phản xạ đứng yên và phản xạ chuyển động
    • Trong môi trường nhiều phản xạ như trong nhà, luôn có RF để chiếu lên vật đang di chuyển
  • Hiệu năng phụ thuộc rất lớn vào môi trường phản xạ xung quanh
    • Trong nhà, cảm biến hoạt động tốt
    • Ở ngoài trời, nếu không có các phản xạ đứng yên thuận lợi, nó thường hoàn toàn không hoạt động

Thử nghiệm cải biến và radar bistatic

  • Tạo bộ phát bằng cách loại bỏ tạo xung

    • Cải biến đầu tiên là tháo tụ tạo xung 20MHz
    • Làm vậy biến cảm biến thành bộ phát
    • Có thể điều chế tần số bằng cách đưa tín hiệu vào gần như bất kỳ đâu trong bộ dao động
    • Cũng có thể dùng on-off keying bằng cách tắt bật nguồn
    • Ngay cả khi không có phần siêu tái sinh, radar vẫn hoạt động ở một mức nào đó
    • Bản thân bộ dao động down-convert tín hiệu thu giống như một bộ trộn
    • Tuy nhiên do không có khuếch đại, tín hiệu IF yếu hơn nhiều và độ nhạy giảm mạnh

  • Ưu và nhược điểm của cấu hình hai mô-đun

    • Thử nghiệm thứ hai là cấu hình radar bistatic, đặt một mô-đun chưa cải biến làm bộ thu bên cạnh bộ phát đã cải biến
    • Tín hiệu quay về xuất hiện nhất quán hơn nhiều và các thay đổi biên độ kỳ lạ cũng biến mất
    • Vì bộ thu liên tục nhận RF mạnh từ bộ phát, tín hiệu phản xạ xa yếu hơn
    • Với cảm biến chuyển động trong nhà, cấu hình này tệ hơn
      • Cần chuyển động đáng kể theo hướng tiến lại gần hoặc ra xa cảm biến để kích hoạt
      • Cách dùng một mô-đun truyền thống gần như kích hoạt với mọi chuyển động
    • Nếu đặt hai mô-đun cách nhau khoảng 1~2m, hiệu năng ngoài trời tốt hơn nhiều so với một mô-đun
      • Độ nhạy tốt nhất ở vùng giữa hai mô-đun
      • Hiệu năng tổng thể chưa thể gọi là tốt, nhưng vẫn hơn nhiều so với hiệu năng ngoài trời gần như bằng không của một mô-đun

  • Dùng làm cảm biến tốc độ

    • Cấu hình bistatic hoạt động tốt như một cảm biến tốc độ
    • Có thể đo tốc độ bằng cách áp dụng FFT lên IF hoặc đếm các lần cắt qua zero
    • Tốc độ được tính bằng bước sóng × tần số beat ÷ 2
    • Ví dụ, dùng tần số beat 15Hz và bước sóng 9,4cm thì được 9,4cm × 15Hz ÷ 2 = 70cm/s = 0,7m/s

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2024-07-01
Ý kiến trên Hacker News

  • Radar CSI Wi-Fi 2.4GHz có thể phát hiện xuyên tường ngay cả với bo mạch ESP32 giá 20 USD: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing và https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
    Espressif tuyên bố rằng trong môi trường tĩnh, nó có thể bắt được cả những chuyển động nhỏ như nhịp thở hay động tác nhai của người hoặc động vật, và hoạt động trên toàn bộ dòng ESP32 như ESP32, ESP32-S2, ESP32-C3 mà không cần thay đổi phần cứng
    Các laptop Wi-Fi 7 AI/NPU đời 2024 dùng nền tảng Intel/Qualcomm có thể kết hợp radar RF với suy luận trên thiết bị để nhận diện hoạt động của con người
    Tài liệu liên quan: 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...

    • Việc cảm biến bằng Wi-Fi cũng thú vị, nhưng gắn một mô-đun như thế này vào chip ESP giá 3 USD thì sẽ thành một dự án dễ hơn và rẻ hơn: https://www.dfrobot.com/product-2795.html
      Tôi đang dùng ở nhà cho mục đích phát hiện có người hiện diện, và nếu in 3D một vỏ nhỏ thì với dưới 20 USD có thể có tính năng phát hiện hiện diện độ chính xác cao, bắt tốt cả khi ngồi yên
      Lý tưởng cho đèn tự động và điều khiển sưởi/làm mát
    • Phần “Vital Sign Detection & Healthcare” rất thú vị
      Tôi đang tìm cách đo nhịp tim của một người một cách hoàn toàn không xâm lấn, tức là không tiếp xúc, và có vẻ Wi-Fi có thể làm được (bài báo năm 2019 https://arxiv.org/abs/1908.05108)
      Tuy có nhiều phương pháp như phân tích video, camera nhiệt, v.v., nhưng khó tìm được sản phẩm hoàn thiện với giá hợp lý; còn thiết bị theo dõi giấc ngủ đặt dưới giường đơn giản nhất thì không phải lựa chọn trong tình huống của tôi
      Tham khảo: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
    • Tôi nhớ đã thấy ở đâu đó rằng AMEX đang đầu tư vào phát hiện vật thể bằng Wi-Fi, nhưng không nhớ chính xác là để làm gì
    • Có thể dùng một ESP và chính Wi-Fi AP của bạn làm nguồn gói tin

  • Tôi nhớ đến bài tháo rời HB100, nhưng cái này ít nhất có IC nên dù không hiểu rõ nguyên lý hoạt động cũng thấy yên tâm hơn một chút: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...

    • Không biết ai đã thiết kế nó, nhưng có vẻ người đó là bậc thầy ma thuật hắc ám về kỹ thuật ống dẫn sóng RF
      Bản thân PCB là linh kiện cốt lõi; không chỉ anten patch mà cả nhiều bộ lọc RF, bộ dao động nội, bộ trộn cũng hầu hết được hiện thực bằng các đường mạch PCB có hình dạng kỳ lạ
      Ngoài PCB ra, trên bo mạch chỉ có năm linh kiện, và việc tạo ra một mô-đun radar Doppler chỉ với năm linh kiện thụ động thật khiến người ta không thể không thán phục
    • Nó quá ngầu nên tôi buộc phải đăng riêng: https://news.ycombinator.com/item?id=40834960

  • Hơi lạc đề một chút, nhưng tôi thắc mắc liệu những thiết bị như thế này có an toàn cho con người không
    Tôi có vài chiếc LD2410 và muốn dùng một chiếc với ESPHome trong phòng ngủ; sau khi tìm hiểu thì thấy công suất phát rất thấp và có vẻ an toàn
    Dù vậy, vì đây là chuyện ngủ suốt đêm trong khi radar hướng về phía chúng ta, tôi muốn nghe càng nhiều ý kiến phản hồi càng tốt

    • Sóng vô tuyến không ion hóa nhìn chung là an toàn với con người
      Ngoài ion hóa, cơ chế duy nhất có thể gây hại cho con người là khi có nhiều công suất được truyền vào cơ thể; có thể hình dung tình huống như một người lính đứng trước máy phát radar và bị làm nóng cơ thể
      Tính nhẩm thì, theo datasheet https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf, dòng điện trung bình là 79mA ở 5V, tức tiêu thụ khoảng 0,4W
      Nếu ước tính thận trọng rằng 10–50% trong số đó thực sự được phát đi, thì là 40–200mW; ngay cả khi hấp thụ 1/4 lượng đó, công suất bổ sung được mô hấp thụ cũng chỉ khoảng 10–50mW
      Đây là ước tính đã phóng đại theo hướng an toàn, còn mức hấp thụ ở cỡ microwatt như người khác nói có vẻ hợp lý hơn
      Công suất nền mà cơ thể người trưởng thành dùng khi nghỉ ngơi khoảng 100W, lớn hơn công suất hấp thụ từ radar sóng millimeter khoảng 500–2500 lần
      Trừ khi năng lượng hấp thụ tập trung vào một vùng rất cụ thể và nhạy cảm như mắt, có thể xem nó chỉ ở mức nhiễu nền
      Nhìn từ góc khác, có thể so sánh với RF và bức xạ nhiệt mà điện thoại di động phát ra khi để trong túi suốt nhiều giờ
    • Một số điện thoại di động có SAR gần 2W/kg; so với mức đó, công suất vài milliwatt của RF 10GHz chẳng đáng kể
      Nếu áp dụng công thức suy hao năng lượng chuẩn E~R^(-2), chỉ cần cách anten một khoảng thực tế là đã giảm xuống mức microwatt
    • Tôi có đặt các thiết bị như vậy ở nhiều nơi trong nhà nhưng không đặt trong phòng ngủ
      Việc có người trên giường hay không được phát hiện bằng cảm biến trọng lượng, còn chuyển động trong phòng ngủ thì dùng PIR truyền thống
      Có thể là quá thận trọng, nhưng tôi không muốn chĩa radar vào con đang ngủ và chính mình 12 tiếng mỗi ngày
      AP Wi‑Fi ở tầng trên cũng tương tự: chỉ đặt ngoài hành lang và không dùng ở công suất tối đa
    • Trang Microwave News liên tục đề cập đến các nội dung sức khỏe mới nhất liên quan đến những thiết bị như thế này
      https://www.microwavenews.com

  • Radar sóng millimeter USB-C kết nối được với tự động hóa gia đình đã có bán
    Giá khoảng 11–20 USD và tính năng cũng khá phong phú
    Nếu muốn tự làm, có thể xem những gì đang diễn ra ở phía ESPHome. Chỉ cần tìm “esp home mm wave”

    • Nếu tự làm bằng ESP32, chi phí linh kiện thực tế vào khoảng $5

  • LD2410(B) cũng là một lựa chọn và hoạt động qua UART
    Đắt hơn một chút, khoảng $5, nhưng có nhiều tùy chọn cấu hình hơn

    • Nên mua biến thể B, vì có thể cấu hình bằng Bluetooth từ điện thoại
      Nếu không thì khá phiền phức; dù vậy, trong trường hợp của tôi, nếu ngồi yên cách 4–5m thì nó vẫn hoạt động không tốt và kết luận là tôi đã rời đi

  • RP2040 MCU của Pi Pico cũng chỉ $1, đúng là thời đại tuyệt vời để hack đồ giá rẻ

    • Giờ chỉ mong giá oscilloscope dải GHz giảm xuống nữa

  • Thông tin chi tiết hơn có tại https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516

  • Tôi không thích lắm phần lớn các cảm biến giá rẻ kiểu này
    Chúng thường không phân biệt được giữa người đang di chuyển, quạt đang quay và rèm bị gió thổi
    Có thể cấu hình ở một mức nào đó, nhưng có vẻ vẫn chưa đủ
    Chắc cũng có các lựa chọn đắt tiền hơn, nhưng những sản phẩm đó thường lại khép kín hoặc bị giới hạn hơn

  • Hàm Wiener rất hay
    Nó từng có các ứng dụng analog, và trong Thế chiến II thì là tuyệt mật
    Ngày nay nó cũng được dùng trong liên lạc giữa điện thoại di động và eNodeB