Cảm biến hiện diện (human presence sensor) phát triển dựa trên công nghệ Radar hay còn được gọi là cảm biến sóng cực milimét (milimeter wave sensor), hiện đang là xu hướng trên thị trường. Nhiều hãng sản xuất từ bình dân tới cao cấp đều tham gia vào thị trường, từ những sản phẩm giá thành khoảng 70 nghìn tới hàng triệu đồng, từ Hilink, Ai-Thinker tới Texas Instrument, Infineon đều tham gia vào thị trường.
Cảm biến hiện diện khắc phục yếu điếm cố hữu nhất của cảm biến chuyển động (vốn được sử dụng như cảm biến hiện diện trong nhiều trường hợp), đó là khi không có chuyển động, cảm biến chuyển động không phát hiện được sự tồn tại của người hoặc vật sống. Cảm biến hiện diện được cho là phát hiện được cả hơi thở của con người bằng công nghệ radar, do đó không cần có chuyển động cảm biến vẫn phát hiện được vật sống. Tuy nhiên, đây cũng trở thành yếu điểm lớn nhất của cảm biến hiện diện, nếu xử lý tín hiệu không tốt, cảm biến hiện diện sẽ nhầm lẫn các cơn gió điều hòa, gió quạt, gió do mở cửa là vật sống, gây ra cảnh báo giả nhiều lần.
Bên cạnh đó, giá thành cũng là một vấn đề khiến chúng chưa đi vào sản xuất công nghiệp được.
Vì vậy, bài viết này, hãy cùng Điện tử Hatakey sẽ đánh giá xem các cảm biến hiện diện trên thị trường đã đi tới đâu trong quá trình phát triển, và sẵn sàng để triển khai công nghiệp hay chưa?
1. Cảm biến hiện diện sóng milimeter
Nói chung, khái niệm sóng milimeter là chỉ các sóng điện từ có bước sóng từ 1mm tới 10mm, tương ứng với dải tần từ 30 đến 300GHz. Kết hợp với các công nghệ radar như FMCW và các kỹ thuật xử lý tín hiệu khác, cảm biến sử dụng sóng cực ngắn này tương tự với các radar cỡ nhỏ, được cho là rất chính xác trong phát hiện vật sống, thậm chí còn có thể phát hiện hướng và góc di chuyển của vật thể.
Hình 1. Một cảm biến hiện diện sóng milimeter của DFrobot
2. Những yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của một cảm biến hiện diện sóng milimeter
2.1. Thiết kế ăng ten trên cảm biến hiện diện:
Thiết kế ăng ten đạt tiêu chuẩn là một trong những điều kiện tiên quyết và ngặt nghèo mà các cảm biến hiện diện cần đảm bảo được. Ăng ten cần có khả năng thu và phát tín hiệu có hướng, với tính định hướng cao, từ đó cảm biến mới có thể có chất lượng tín hiệu tốt hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn. Phổ biến nhất hiện nay là ăng ten patch, ngoài ra ăng ten horn hay ăng ten mảng pha cũng được sửu dụng rất nhiều.
Hình 2. Thiết kế ăng ten của một cảm biến hiện diện
2.2. Xử lý tín hiệu:
Xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo độ chính xác và hiệu năng của cảm biến hiện diện. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu như beam forming, Doppler processing, distance processing hay clutter removal giúp cảm biến hiện diện cho độ chính xác đáng tin cậy trong nhiều ứng dụng như tự động hóa, hay an ninh an toàn. Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu quan trọng chi tiết như sau.
Beamforming:
Ăng ten mảng pha được sử dụng cho kỹ thuật điều hướng búp sóng (beam forming). Mỗi một ăng ten nhỏ trong cả mảng ăng ten sẽ phát tín hiệu theo các hướng khác nhau, các tín hiệu này khi trộn lại sẽ tạo thành một tín hiệu lớn hơn theo hướng xác định. Bởi vì hướng và pha của các tín hiệu phát ra từ từng phần tử ăng ten có thể điều chỉnh được, nên hướng của cả búp sóng chính cũng có thể điều chỉnh định hướng một cách chính xác.
Hình 3. Xử lý tín hiệu beamforming dạng số
Doppler Processing:
Kỹ thuật xử lý Doppler được sử dụng để tính toán vận tốc và hướng di chuyển của đối tượng. Tín hiệu được phát xạ từ cảm biến sẽ đến vật thể và được phản xạ trở lại. Cảm biến thu lại và tính toán độ dịch tần số của tín hiệu phản xạ để tính toán các thông số cần thiết. Dựa trên tần số beat, cảm biến có thể xác định được khoảng cách và dựa trên độ dịch tần số, cảm biến có thể xác định được vận tốc của đối tượng.
Bên cạnh đó, các kỹ thuật khác như lọc nhiễu, biến đổi Fourier, bộ lọc Kalman cũng được ứng dụng để xử lý tín hiệu thô.
2.3. Các yếu tố môi trường:
Độ chính xác của các biến hiện diện có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường hoạt động. Nếu có nhiều chướng ngại vật như tường, tòa nhà hay cây cối, là những vật có thể đồng thời hấp thụ và phản xạ tín hiệu điện từ, độ chính xác của cảm biến sẽ hạ thấp khá nhiều. Góc quan sát của cảm biến cũng là một nhân tố ảnh hưởng khác.
Hình 4. Thử nghiệm đâm xuyên các vật liệu khác nhau của cảm biến hiện diện
TI đã thực hiện một thử nghiệm thú vị với cảm biến hiện diện 60GHz của họ, nhằm kiểm tra khả năng phát hiện và đếm người phía sau các tấm vật liệu khác nhau như nhựa, tường khô và gỗ. Với tường hay kính, hiệu năng của cảm biến không thay đổi nhiều. Nhưng với gỗ plywood, cần phải hạ ngưỡng SNR xuống thì mới có thể hoạt động như bình thường. Với tường, nếu chỉ có 1 lớp, cảm biến cũng không nhận ảnh hưởng gì. Tuy nhiên nếu có 2 lớp tường, thì các sóng phản xạ giữa 2 lớp tường sẽ khiến cảm biến xác định sai số lượng người sau vật thể.
Tóm lại, các công nghệ phần cứng liên quan đến cảm biến hiện diện đã tương đối hoàn thiện, vì vậy, để tăng độ chính xác chỉ có thể đầu tư thêm vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu. Bên cạnh đó, việc xác định ứng dụng và lắp đặt vị trí hợp lý cho thiết bị cũng rất quan trọng. Với góc độ sản xuất công nghiệp, chỉ còn giá thành là vấn đề của cảm biến hiện diện.
3. Các tham số kỹ thuật chính của cảm biến hiện diện
3.1. Tần số hoạt động
Các tần số được sử dụng phổ biến cho cảm biến hiện diện là 24GHz, 60GHz, và 77GHz. Mặc dù bước sóng của 24GHz là 1.25cm nhưng vẫn được xếp vào nhóm này. Tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn, do đó độ phân giải và độ chính xác cũng cao hơn. 77GHz chủ yếu được sử dụng trong thiết bị di chuyển tự động, trong khi đó 24GHz chủ yếu được sử dụng với các ứng dụng an ninh trong nhà. Mặc dù độ phân giải và độ chính xác thấp hơn nhưng chi phí thấp giúp các ứng dụng sử dụng 24GHz dễ phổ biến hơn, đặc biệt là trong các lĩnh vực nhà thông minh, nhà tắm thông minh, an ninh và nông nghiệp.
3.2. Độ phân giải khoảng cách
Độ phân giải khoảng cách được định nghĩa là khả năng phân biệt các đối tượng có cùng góc phương vị nhưng khác nhau về khoảng cách.
3.3. Độ phân giải vận tốc
Độ phân giải vận tốc của đo trên một mục tiêu cụ thể phụ thuộc chủ yếu vào tỉ số tín hiệu trên tạp âm. Tỉ lệ này càng cao thì dĩ nhiên sẽ có độ chính xác càng lớn.
3.4. Trường nhìn
Trường nhìn hay vùng góc phương vị cũng là một tham số cần làm rõ. Trường nhìn là vùng bao phủ của cảm biến hiện diện tính theo cả hai góc phương vị và góc ngẩng.
3.5. Độ phân giải góc
Tương tự với độ phân giải khoảng cách, độ phân giải góc là khả năng phân biệt hai mục tiêu có cùng khoảng cách đến cảm biến nhưng ở các góc phương vị khác nhau. Như đã đề cập, hiệu ứng Doppler co thể dẫn đến dịch tần số và gây ra nhiều vấn đề trong phân biệt các đối tượng ở các góc khác nhau. Ăng ten mảng pha cho beamforming là giải pháp hiệu quả.
| Model | 24Ghz mmWave | 60Ghz mmWave | 77Ghz mmWave | |
| Tần số hoạt động | 24GHz | 60 ~ 64GHz | 76 ~ 81GHz | |
| Độ phân giải khoảng cách (cm) | Nhỏ nhất 60 | Nhỏ nhất 3.75 | Nhỏ nhất 3.75 | |
| Độ phân giải tốc độ | Thấp | Cao gấp 2.5 lần 24GHz | Cao gấp 2.5 lần 24GHz | |
| Kích thước ăng-ten | Lớn | Nhỏ hơn khoảng 6 lần so với ăng ten 24GHz | Nhỏ hơn khoảng 6 lần so với ăng ten 24GHz | |
| Ứng dụng | Các ứng dụng thông thường không yêu cầu độ chính xác cao như cảm biến hiện diện, tiệm cận | Có thể sử dụng công nghiệp, an ninh, thiết bị vận tải,… | Chủ yếu sử dụng trong các thiết bị vận tải, tự động hóa |
4. Kết Luận
Nhìn chung, đứng trên góc độ giá thành và yêu cầu hệ thống, cảm biến hiện diện vẫn chưa thể thay thế được cảm biến chuyển động ở các ứng dụng thông thường như phát hiện con người. Điều này chủ yếu là do giá thành và yêu cầu độ chính xác cao không quá cần thiết. Tuy nhiên ở các ứng dụng an ninh và các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao thì cảm biến hiện diện quá vượt trội so với cảm biến chuyển động về nhiều mặt như độ chính xác, độ ổn định, tốc độ đáp ứng,… Có thể khi các ứng dụng 24GHz ngày một rẻ hơn, cảm biến hiện diện có thể thay thế hoàn toàn cảm biến chuyển động.
Nếu bạn đang quan tâm đến các loại cảm biến giá rẻ hãy liên hệ ngay với Hatakey để được tư vấn!
Xin chân thành cảm ơn!