毫米波雷达传感器改善楼宇和工厂自动化

作者：KEEGAN GARCIA，德州仪器 (TI) 毫米波传感器业务营销经理

设计新办公楼和工厂的工程师和建筑师越来越多地寻求改进的传感器，以实现各种节能安全和安保功能。这些传感器用于检测办公楼中人员的移动和位置以及工厂中的机器人或其他机器。在早期设计中使用了多种传感器类型并取得了一些成功，但设计人员现在才刚刚发现毫米波 (mmWave) 传感器。低成本毫米波单芯片雷达可以充当传感器，并提供其他传感器无法提供的许多优势。随着新建筑物和工厂的建造和/或改造，毫米波传感器可以增加以前不可能的改进和新功能。

主要应用检测和跟踪人员的主要价值是节能。在有许多工人的建筑物中，人员的位置和密度随时间变化很大。根据人的占用情况调整供暖、空调和照明是有意义的。如果有人在场，则可以提供最佳的加热或冷却和照明量，以保持生产力。如果没有人在场，则可以大大减少制冷和制热并关闭照明，从而节省大量能源。

安全系统也可以通过自动监控来增强。人员位置、计数和跟踪是保护某些空间并确保控制门和大门以符合所需的安全协议所需的基本数据。

安全是接近检测的另一种用途，尤其是在移动机器人和其他机械可能对人类构成威胁的工厂中。带有适当警告的运动感应可以显着减少事故。其他用途包括十字路口和停车场的交通监控以及罐中液体或固体的液位感应。

所有这些应用程序的成功取决于人员检测和跟踪的可靠性和准确性。毫米波传感器可以提供这一点。

传感器调查为办公楼或工厂提供最佳供暖、空调和照明可以节省大量运营预算。例如，如果房间里没有人，改变温度和关灯可以显着节省能源。能源之星指出，如果不考虑人员的存在，平均商业建筑会浪费其消耗的能源的 30%。降低成本的关键是在正确的时间提供适量的环境条件。

楼宇和工厂自动化系统依赖于所有类型的传感器来监控广泛的物理特性。一些示例包括温度、湿度和环境光传感器以及烟雾探测器。其他传感器是用于门窗监控的磁性探测器以及一氧化碳和其他有毒气体或灰尘和花粉的探测器。所有这些传感器都将信号作为反馈发送到运行加热和空调 (HVAC) 和照明系统的中央控制系统。适当的温度和照明条件可以提高员工的舒适度和生产力。

关键因素是监控过程，它决定了建筑物中有多少人和人们在哪里。需要特殊的传感器来检测和计算人数。接近传感器或检测器用于此目的。

一种流行的接近检测器是无源红外 (PIR) 传感器。它检测体温并向控制器发送信号以采取行动。图 1中的简单 PIR 检测器 具有单一的广泛覆盖区域，除了粗略运动之外没有辨别能力。更复杂的红外探测器使用多个红外激光器或 LED 来照亮一个区域，以创建可由红外探测器捕获的 3D 场景。然后在软件中分析数字化场景以确定人数。

图 1：像这样的基本无源红外探测器覆盖大面积但无法区分细节。

类似的选项可用于超声波传感器或摄像机。超声波探测器用 40-kHz 至 80-kHz 范围内的高频声音绘制区域，并恢复可以在软件中分析的反射以进行人员检测。摄像机正变得越来越普遍，可以使用机器视觉软件执行类似的功能，但会遇到隐私问题。

所有的人数统计传感器在某些方面都很有用，但通常不能准确地确定在场人数和其他更精细的细节。人物动作也很难捕捉。某些应用需要更精确的接近传感器。

雷达传感器您可能认为雷达是用于飞机和船舶导航和安全的技术，或者是用于车辆自适应巡航控制和自动制动的新型高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 的一个组件。然而，由于集成了智能处理和更小尺寸的封装，雷达现在被证明是一种出色的传感器类型，可以计算人数并确定他们的位置和运动。雷达传感器可以很容易地确定占用会议室的人数，如图 2所示的示例。低成本 CMOS 单芯片雷达现已上市并应用于此应用。

图 2：一个典型的商务空间，如会议室，可以被一个雷达传感器覆盖，并且可以准确计算餐桌上的人数。

一种类型的雷达设备是工作在 76-GHz 至 81-GHz 范围内的调频连续波 (FMCW) 类型。考虑单芯片雷达系统的最佳方式是将其视为另一种类型的传感器。事实证明，毫米波雷达在物体的接近检测、运动感应和测量到被检测物体的距离方面异常出色。

回想一下，雷达用于测量距离、方向（角度）和速度。警察测速雷达和棒球测速枪就是很好的例子。片上发射器 (TX) 发射信号，然后从远程物体反射并返回到片上接收器 (RX)。发射的 FMCW 信号是一个短时间线性增加的频率变化，称为啁啾（见图3）。啁啾以期望的速率重复。

图 3：FMCW 啁啾信号的频率在短时间内线性增加。

图 4 显示了一个简化的雷达收发器。返回信号的频率在接收器 (RX) 处与发射频率混合，以产生数字化的中频 (IF)。将这些数据与片上处理器一起使用可测量传输时间并在已知无线电波速度的情况下计算距离。位置和角度（方位角）也可以通过使用高度定向的天线来检测。FM 雷达还可以让您测量运动和速度。结果是一个非常灵活和可编程的传感器，可以制造非常准确的人员感应设备。

图 4：单芯片雷达收发器的简化表示。

与其他接近传感器相比，雷达的一些主要优势是：

他们在黑暗中看到，而摄像机却没有。它们不受空气中的烟雾或灰尘或明亮的阳光的影响。

它们的高频率在分辨紧密间隔的物体时提供了更高的精度。他们可以确定运动的位置和方向。多个天线通过波束成形形成相控阵，以帮助提高人数统计的准确性。

它们测量运动和速度的精细程度。PIR 传感器与毫米波传感器的测试证明，雷达传感器可以捕捉到人体呼吸等精细动作。

他们可以通过墙壁检测人类和运动。测试表明，雷达传感器可以轻松穿透石膏板或塑料墙并提供准确的计数。然而，两层干墙或胶合板确实会大大削弱雷达信号，使检测变得困难。

虽然毫米波雷达传感器在人数统计方面表现出色，但请记住，检测和识别物体的大部分功劳归功于处理软件。要获得最佳结果，需要复杂的算法和 DSP 微控制器。

审核编辑 黄昊宇