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                懷柔低功耗藍牙(BLE)與超聲波技術的對比分析

                來源: 發布時間:2021-03-03 2097 次瀏覽

                Chirp超聲波傳感器還可在兩個標簽接近時實現低延遲探測。這種情況會在1秒內完成,通過超聲波直接進行標簽間的通訊,實現實時報警。超聲波傳感器還能提供高達180度的水平視場探測。如果需要實現360度探測,則需要兩個傳感器。

                超聲波傳感器可能是實現社交接觸追蹤和監督社交距離的最合適的無線技術。據麥姆斯咨詢報道,TDK全資子公司Chirp Microsystems(以下簡稱:Chirp)董事長Joseph Bousaba近期在接受EE Times采訪時表示,MEMS超聲波ToF傳感器追蹤社交接觸“更準確、更可靠、更省電、更經濟”。

                接近探測技術用于保持社交距離(來源:Chirp)

                新冠疫情已持續數月,《財富》全球500強企業都迫切地期望讓員工回到貨倉和生產車間,因此企業都在尋找一種能在員工違反社交距離預防措施或者彼此距離過近時提醒他們的應用或可穿戴設備。同時企業還希望這些可穿戴設備能夠記錄員工何時、與誰接觸以及密切接觸的時長。

                社交追蹤領域:無線技術競相角逐

                可實現社交追蹤的嵌入式器件能被制造成各種形式和形狀。希望實現此類技術的公司正在探索選擇,嘗試在包括腕帶、系繩夾、徽章及標簽在內的各類產品中嵌入無線技術。

                可實現社交追蹤的無線技術包括:低功耗藍牙(BLE)、射頻識別(RFID)跟蹤器、超寬帶(UWB)以及超聲波傳感器,Chirp的MEMS超聲波飛行時間(ToF)測距傳感器就能實現該功能。

                Bousaba解釋道:“這種功能對器件的主要要求有測距精度高、低功耗、更長的電池壽命、更小的器件尺寸及更高的可靠性?!闭强紤]到這些要求,符合支持監督社交距離和接觸者追蹤的技術就只能是超寬帶和超聲波傳感器了。

                顯然,度是測量社交距離的更大障礙。超聲波可提供小于1 cm測量精度。相比之下,超寬帶的測量精度約為10 cm ~ 20 cm,而低功耗藍牙的測量精度僅為1 m ~ 2m。Chirp的聯合創始人、首席技術官兼工程師David Horsley認為,單憑這一點就能說明,低功耗藍牙并不適合測量社交距離。

                針對測量社交距離,低功耗藍牙還有另一個致命弱點。起初,低功耗藍牙被推薦用于追蹤接觸者,是因為這項技術已存在于智能手機中。例如,挪威就采用了一種集中化方法設計了一款名為Smittestopp(意思為“傳染停止”)的應用來追蹤接觸者。該應用可通過手機內置的藍牙和GPS定位來收集用戶數據。挪威數據監察局(Norwegian data inspectorate)上周針對隱私問題,臨時禁止了與該應用相關的個人數據處理。

                Horsley認為,這表明手機并不是追蹤接觸者的理想設備。

                無線技術如何實現監督社交距離和追蹤接觸者?

                顯然,普通大眾使用的智能手機并不能解決數據隱私問題。但基于無線技術的可穿戴設備究竟將如何在企業內部工作呢?

                Horsley解釋道,標簽(或徽章)可支持監督社交距離和接觸者追蹤。當一名員工與另一名員工相距小于6英尺時,該標簽就會點亮或發出聲音警示。標簽還會自動記錄兩員工之間的偶遇,并將數據存儲在標簽中。

                標簽(或徽章)也可以搭載低功耗藍牙或ZigBee,在員工輪班結束時即可連接到數據庫。因此,如果任何員工第二天檢測出新冠病毒(Covid-19)呈陽性,就可以追蹤到與他接觸的所有人。

                每個系統公司都可以設計自己的標簽(或徽章)。Chirp分享了超聲波標簽的參考設計

                 

                低功耗藍牙(BLE)與超聲波技術的對比分析

                 

                Chirp超聲波標簽參考設計

                上圖為Chirp應用MEMS超聲波ToF測距傳感器CH101的超聲波標簽參考設計。CH101傳感器封裝尺寸為3.5 mm x 3.5 mm,參考設計在定制的低功耗混合信號CMOS ASIC上集成了MEMS超聲傳感器和低功耗數字信號處理器(DSP)。

                該傳感器可實現多種超聲波信號處理功能,為客戶提供靈活的工業設計選項,適用于包括距離測定、存在/接近傳感、目標探測/躲避以及位置跟蹤等在內的廣泛用例場景。

                超寬帶(UWB)、低功耗藍牙(BLE)與超聲波技術的對比分析

                在眾多用于監督社交距離和接觸者追蹤的無線技術中,Chirp的MEMS超聲波技術的優勢是什么?四種無線技術的對比分析

                四種測距技術的比較

                如上圖所示,值得關注的指標為尺寸和功耗。由于超寬帶需要天線,因此基于超寬帶的解決方案最終均比低功耗藍牙和小型超聲波的器件尺寸更大。

                當然,功耗是更重要問題;當用于監督社交距離時,超寬帶與超聲波的表現也揭示了這兩種技術之間的另一個明顯區別:當標簽未配對時,設備仍然處于配對階段;這意味著,由于超寬帶標簽需要持續搜索其他配對設備,必須處于接收模式,該模式本身就會消耗大量的電池電量;而超聲波標簽則沒有這個顧慮。

                Bousaba解釋說,這類似于手機用戶在距離信號塔太遠時的體驗。不停地搜索其他設備會很快耗盡電池,這是因為接收器必須保持長時高負載運行,以確保在規定的時間內發現目標。通常情況下,在配對階段,超寬帶將消耗400 mw,而超聲波傳感器僅需400 μW。

                此外,Chirp超聲波傳感器還可在兩個標簽接近時實現低延遲探測。Bousaba表示,這種情況會在1秒內完成,通過超聲波直接進行標簽間的通訊,實現實時報警。超聲波傳感器還能提供高達180度的水平視場探測。如果需要實現360度探測,則需要兩個傳感器。

                超聲波“接近零”的誤報率

                Bousaba表示,真正讓基于超聲波的sColutions聲名大噪的是它創造了“接近零的誤報率”。例如,使用屏障將兩個用戶隔開,超聲波就會在屏障上反射,并且不受材料的影響。除非有穿過屏障的通道能夠讓空氣流通,否則不會記錄任何社交接觸。

                另一方面,對于超寬帶中基于射頻的解決方案來說,它對于障礙物具有良好的穿透特性。Chirp認為,超寬帶設備會使在實體墻或玻璃隔墻兩邊的用戶形成社交接觸誤報,這將可能導致員工的非必要隔離和心理壓力。

                當然,超寬帶可以通過在障礙物上添加標簽或建立網關,來減少這種誤報。但Bousaba解釋,在基礎設施上增加任何設備,都會增加測量的復雜性和額外的安裝成本。

                公眾能否接受社交距離監督和接觸者追蹤?

                Horsley警示,雖然產業界認為用于監督社交距離和接觸者追蹤的無線技術是“必要的”,但我們并不確定這項技術能否被大眾所廣泛接受。

                盡管如此,在產業界,Chirp已經吸引了大批客戶。Bousaba說,一些最初對超聲波傳感器持懷疑態度的客戶,在極端場景測試了該產品,結果令人非常滿意。Chirp希望其超聲波傳感器開始取代超寬帶設備。

                一些超寬帶標簽的價格超過了199美元,相比之下,基于Chirp超聲波傳感器的標簽價格將低于100美元。即便是100美元的單價,為每位員工貼上標簽也是一項重大投資,尤其是一些肉類包裝公司,甚至都沒有花錢來檢測他們自己員工的健康狀況。

                Bousaba表示:“我們的大多數客戶都是《財富》全球500強企業?!辫b于這些公司希望盡快在工廠和倉庫啟用監督社交距離和接觸者追蹤,Chirp表示將在7月推出其超聲波ToF測距傳感器的解決方案。

                Horsley補充道:“時間在這里至關重要?!彼赋?,加州大學伯克利分校(University of California Berkele)就有意為9月重返校園的學生提供標簽。Horsley就是在加州大學伯克利分校獲得了博士學位,如今,他已是伯克利分校傳感器和執行器中心(BSAC)的聯合主任。

                在新冠肺炎大流行的背景下,目前還沒有疫苗和有效的治療方法,因此人們正在積極尋求可能改善社會和經濟危機的技術。

                無線技術實現了監督社交距離和接觸者追蹤,但這并不是最重要的,也不是最終目標。Horsley認為,“至少我們很高興能有機會利用自己的技術為社會出一份力”。


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