УЗ-датчики контроля социального дистанцирования от Chirp Microsystems

УЗ-датчики контроля социального дистанцирования от Chirp Microsystems

Выпуск 14 (6713) от 23 июля 2020 г.
РУБРИКА: ДАТЧИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Выход из пандемии COVID-19 предполагает сохранение социального дистанцирования и других профилактических мер, призванных предотвратить повторную волну заболевания. Многие фирмы, стремящиеся вернуть своих сотрудников на рабочие места, заинтересованы в приложениях и носимых устройствах, способных отслеживать тесные контакты сотрудников и предупреждать их о нарушении социального дистанцирования. Лучше всего для этого подходят УЗ-технологии, выполняющие подобные задачи точно, надежно и гораздо более эффективно с точки зрения затрат и энергоемкости, чем другие средства. Один из поставщиков подобных УЗ-средств – фирма Chirp Microsystems, входящая в группу TDK.

Компании, стремящиеся вернуть своих сотрудников на склады и производственные цеха, нуждаются в средствах предупреждения работников о нарушении социального дистанцирования, недопустимом сближении друг с другом. Работодателям также требуется, чтобы эти средства (датчики, радиоидентификационные метки, модули и т. п.) были носимыми, компактными и недорогими, а также обладали возможностью отслеживания того, с кем, когда и как долго работники находились в тесном контакте (рис. 1).



Источник: Chirp Microsystems

Рисунок 1. Контроль социальной дистанции


Гонка беспроводных технологий

Средства контроля социального дистанцирования могут быть разных размеров и форм – браслеты, зажимы для ремней, значки и бирки, оснащенные возможностью поддержки беспроводной связи. Среди претендентов на беспроводную связь для таких задач – датчики стандарта Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), радиоидентификационные средства контроля перемещений (RFID-трекеры), сверхширокополосные (UWB) и ультразвуковые датчики, в том числе УЗ-датчики расстояния (ToF) на основе MEMS от корпорации Chirp Microsystems. Основные критерии работы всех этих средств – точность измерения расстояния, низкое энергопотребление, длительное время автономной работы, малые размеры и надежность. С учетом всего перечисленного, наиболее подходящими для контроля социального дистанцирования и отслеживания контактов представляются UWB- и УЗ-датчики.

Очевидно, что самым существенным фактором при измерении социальной дистанции будет точность. УЗ-датчики обеспечивают точность менее 1 см, UWB-датчики – от 10 до 20 см, в то время как BLE-датчики – в лучшем случае 1–2 м. Первоначально для отслеживания контактов был выбран стандарт BLE, поскольку эта технология уже применяется в смартфонах. Например, в Норвегии принят централизованный подход к разработке приложения для отслеживания контактов под названием Smittestopp («Остановить заражение»). Приложение собирает данные пользователя через Bluetooth и GPS-средства, встроенные в сотовый телефон.


Как это все работает?

Очевидно, что широко распространенные смартфоны могут не удовлетворять требованиям конфиденциальности. Встает вопрос: как именно носимые устройства на основе беспроводных технологий будут работать в корпоративной среде? RFID-трекеры и значки могут как поддерживать социальное дистанцирование, так и отслеживать контакты. Когда работники сближаются на расстояние менее чем 2,5 м, значок или бирка либо загорается, либо издает звуковой сигнал. Приборы также автоматически регистрируют моменты столкновения или касания работников, сохраняя данные в своей памяти.

Значки и бирки, поддерживающие стандарты BLE или ZigBee, в конце рабочей смены подключаются к базе данных. Таким образом, если кто-либо из работников на следующий день даст положительный результат на COVID-19, все его или ее контакты будут отслежены. Каждой фирме хочется получить подобное средство, учитывающее особенности ее корпоративной среды (тип помещений, использование беспроводной связи различных стандартов и т. д.). Корпорация Chirp Microsystems предложила свою эталонную конструкцию УЗ-бирки (рис. 2).



Источник: Chirp Microsystems

Рисунок 2. Эталонная конструкция УЗ-бирок корпорации Chirp Microsystems


В эталонной конструкции используется УЗ-MEMS-датчик CH101, предназначенный для измерения расстояния, размещенный в корпусе 3,5×3,5 мм. Он объединяет на специализированной КМОП ИС (ASIC) с низким энергопотреблением MEMS-УЗ-преобразователь с энергоэффективным ЦОС-процессором. Датчик выполняет множество функций обработки УЗ-сигнала, предоставляя клиентам гибкие возможности промышленного проектирования для широкого диапазона сценариев использования, включая определение дальности, определение присутствия или приближения, обнаружение или предотвращение возможности столкновения или соприкосновения объектов и отслеживание местоположения.


Сопоставление технологий

По утверждениям представителей корпорации Chirp Microsystems, ее УЗ-технологии на базе MEMS обладают существенными преимуществами по сравнению с другими беспроводными технологиями, предназначенными для контроля социального дистанцирования и отслеживания контактов (см. таблицу).


ТАБЛИЦА

СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КОНТРОЛЯ

СОЦИАЛЬНОГО ДИСТАНЦИРОВАНИЯ

Тип датчика

Размер

Точность

Энергопот-

ребление

Угол обзора

Вероятность ошибки

Стандартные УЗ-датчики

Большой

Высокая, менее 3 см

Среднее

До 180

Низкая

UWB-датчики

Средний (нужна антенна)

Низкая, ок. 10 см

Высокое

360

Высокая*

Bluetooth-датчики

Малый

Очень низкая, 5–15 м

Среднее

360

Высокая*

Мини- УЗ-датчики Chirp Microsystems

Сверхмалый

Сверхвысокая, 1 см

Ультранизкое

180 (1 датчик), 360 (2 датчика)

Низкая

* Сверхширокополосные и Bluetooth-системы могут не отражать наличие препятствий, особенно из пластика, что приводит к ошибкам.


Основные проблемы реализации, показанные выше, включают в себя размер и энергопотребление. Поскольку для UWB-датчиков требуется антенна, решение на их основе в конечном счете окажется больше, чем BLE-датчик или миниатюрный УЗ-датчик корпорации Chirp Microsystems. Еще более существенный фактор – потребление энергии и то, как UWB- и УЗ-датчики ведут себя, когда каждый из них используется для контроля социального дистанцирования. Здесь обнаруживается еще одно явное различие между двумя технологиями. Когда бирки не сопряжены, они остаются в режиме поиска пары. Это означает, что, пока UWB-бирки ищут другие устройства для сопряжения, они должны находиться в режиме приема, который сам по себе разряжает батарею – аналогично тому, что происходит с любым сотовым телефоном на слишком большом расстоянии от вышки сотовой связи. Поиск других устройств способен разрядить батарею очень быстро, поскольку приемник должен оставаться включенным в течение значительного рабочего цикла, чтобы обеспечить обнаружение в течение отведенного времени. При этом потребляемая мощность UWB-датчика составляет 400 мВт, а УЗ-датчика – всего 400 мкВт (в режиме поиска пары).

Кроме того, УЗ-датчики корпорации Chirp Microsystems позволяют обнаруживать другую бирку в непосредственной близости за очень небольшой временной интервал – менее 1 секунды, благодаря чему сигнал тревоги будет подан в реальном масштабе времени. УЗ-датчики обеспечивают горизонтальное поле обзора до 180º, соответственно, для обеспечения обзора на 360º потребуется два датчика.


Низкий уровень ложных срабатываний

Предлагаемые корпорацией Chirp Microsys-tems УЗ-решения обеспечивают околонулевой процент ложных срабатываний. Например, если двух пользователей разделяет перегородка, ультразвук будет отражаться от нее независимо от материала, из которого перегородка сделана. Если сквозь перегородку нет пути, по которому может проходить воздух, социальный контакт не регистрируется.

Напротив, в случае использования UWB-датчиков может фиксироваться ложный положительный социальный контакт на противоположных сторонах сплошных стен или стеклянных перегородок, следствием чего может стать ненужный карантин и психологический стресс. Смягчить эффект от таких ложных срабатываний можно за счет крепления дополнительных меток на перегородки или создания шлюзов. Однако добавление новых устройств в инфраструктуру сопряжено с большими сложностями и дополнительными затратами на установку.


Степень готовности

В то время как бизнес-сообщество считает необходимым использование беспроводных технологий для социального дистанцирования или отслеживания контактов, нет уверенности, что это будет положительно воспринято широкой общественностью. Тем не менее у корпорации Chirp Microsystems уже появились клиенты. Некоторые из них, изначально скептически относившиеся к УЗ-датчикам, приняли их после тестирования. Специалисты Chirp Microsystems надеются, что УЗ-датчики их корпорации начнут заменять UWB-датчики.

Отмечается, что некоторые UWB-бирки стоят более 199 долл., при том что Chirp Microsystems готова поставлять свои изделия по цене меньше 100 долл. Однако даже 100 долл. за бирку для каждого сотрудника – серьезная инвестиция, особенно в сравнении с тем, что некоторые мясокомбинаты в США не считают нужным потратить даже намного меньше денег на стандартное санитарно-эпидемиологическое тестирование своих работников.

Учитывая, что заказчики Chirp Microsystems желают как можно скорее оснастить свои заводы и склады средствами контроля социального дистанцирования и отслеживания контактов, корпорация готова начать поставку собственных решений на основе УЗ-датчиков уже в июле. Отмечается, что, например, Калифорнийский университет в Беркли уже заинтересовался бирками для студентов, возвращающихся в его кампус в сентябре.

В эпоху пандемии, когда нет ни вакцины, ни эффективного лекарства от COVID-19, технологии, способные облегчить ситуацию, как нельзя кстати. Однако специалисты Chirp Microsystems подчеркивают, что контроль социального дистанцирования и отслеживание контактов не являются основной и конечной целью применения их технологий.


Yoshida Junko. Ultrasonic for Social Distancing Tags. EE Times magazine, June 17, 2020: https://www.eetimes.com/ultrasonic-for-social-distancing-tags/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ