基于Wi-Fi技術(shù)的運動感知方案

幾年前行業(yè)分析師開始估計將有500億或更多的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備投入使用，當(dāng)時這看起來似乎不太可能。但據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟，現(xiàn)在距這技術(shù)推出僅20年，已有300多億臺支持Wi-Fi的設(shè)備投入使用。在這種情況下，啟用Wi-Fi的IoT將增長到含幾百億臺互聯(lián)設(shè)備似乎更有可能。

當(dāng)然，Wi-Fi并不是用于IoT設(shè)備的唯一無線技術(shù)，許多設(shè)備仍在使用有線通信，但Wi-Fi在過去20年中發(fā)展迅速，并且不斷改進(jìn)以配合新出現(xiàn)的需求。不那么明顯的可能是該行業(yè)如何將Wi-Fi用于除無線通信以外的其他應(yīng)用。例如，研究表明，如何使用通常稱為環(huán)境反向散射的方法將Wi-Fi信號用于傳輸功率和數(shù)據(jù)。但也許更明顯的是Wi-Fi已如何被用作運動感知和檢測技術(shù)。

使用Wi-Fi進(jìn)行運動感知

在深入探討之前，我們先探討為何應(yīng)考慮將Wi-Fi用作運動感知方案。首先，正如已說明的，Wi-Fi現(xiàn)在幾乎無處不在，因此基礎(chǔ)設(shè)施已遍布我們周圍。其次，IoT提供理想的生態(tài)系統(tǒng)以更有用的方式使用運動感知等數(shù)據(jù)?？傊?，使用Wi-Fi進(jìn)行運動感知可應(yīng)用于新的和現(xiàn)有用例。這包括傳統(tǒng)的住宅監(jiān)控、以檢測我們房屋及其周圍的侵入或定期維護(hù)。這可很容易擴展到智能樓宇，使用運動和占用檢測作為暖通空調(diào)（HVAC）和照明控制樓宇管理系統(tǒng)的一部分。也許更有影響力的是它可用來幫助我們監(jiān)視家中的老年人和弱勢群體以安心。

基于Wi-Fi的運動感知中最重要的性能指標(biāo)與其他運動檢測方法相同，特別是準(zhǔn)確性、精度和延遲。準(zhǔn)確性涉及在某人移動或出現(xiàn)時檢測運動，同時使系統(tǒng)可能產(chǎn)生的誤報次數(shù)降至最低。這就強調(diào)了在被監(jiān)視的家居、建筑物或其他區(qū)域中需要整個覆蓋Wi-Fi。在這種情況下，精度與系統(tǒng)如何區(qū)分所檢測到的運動類型（包括速度和方向）有關(guān)。例如，如果該系統(tǒng)用于監(jiān)視老人或弱者跌倒，則這一點很重要。眾所周知，延遲是檢測到動作與報告事件之間的延遲。在任何運動檢測方案中，都需要以毫秒而不是分鐘為單位進(jìn)行測量。

基于現(xiàn)有硬件構(gòu)建

從根本上講，使用射頻（RF）來檢測物體或人依賴于發(fā)射器發(fā)送信號和接收器表征接收到的信號的。任何物體，無論是生物還是無生命物體，都將影響信號在介質(zhì)或通道中傳輸?shù)奶匦?。這樣，可以表征通道本身，并以此來檢測通道中的變化。

顯然，這種方法意味著，盡管實際上沒有精確的方法來識別通道中的對象，但它可以檢測到存在對象或人。射頻能量在通過通道傳輸時被吸收或反射，這將導(dǎo)致發(fā)射器和接收器之間信號的可測量差異。關(guān)鍵是將這種可測量的差異轉(zhuǎn)化為可操作的數(shù)據(jù)，這正是Wi-Fi中使用的底層協(xié)議發(fā)揮作用之處。

在典型的家庭或企業(yè)環(huán)境中，無線路由器或接入點（AP）具有與其關(guān)聯(lián)的設(shè)備。 Wi-Fi協(xié)議要求聯(lián)接的設(shè)備以反饋來響應(yīng)AP，從而使AP優(yōu)化與每個聯(lián)接的設(shè)備進(jìn)行通信的方式。此反饋的一部分含數(shù)據(jù)，稱為通道狀態(tài)信息或CSI。 AP可以使用CSI中包含的信息來了解其環(huán)境。

圖1：CSI數(shù)據(jù)可用于描述無線環(huán)境

一旦AP了解無線環(huán)境，那么識別該環(huán)境中的變化就相對簡單了。正是RF能量吸收或反射方式的這些變化與在該環(huán)境中移動或被移動的事物相關(guān)。這里很有可能所聯(lián)接的設(shè)備根本不考慮其在應(yīng)用中的作用，這意味著基于Wi-Fi的運動檢測的可擴展性完全取決于AP內(nèi)部的技術(shù)。

圖2：使用CSI數(shù)據(jù)識別移動

還可以將從CSI提取的數(shù)據(jù)傳遞到受信任的第三方應(yīng)用程序，可能在邊緣或在云中以處理數(shù)據(jù)并智能地感知運動。安森美半導(dǎo)體的多家合作伙伴已在這樣做，使用AI分析原始CSI數(shù)據(jù)以提供運動檢測即服務(wù)。這可實現(xiàn)高級功能，如檢測何時有人摔倒或何時建筑物中的人數(shù)超過預(yù)期。

更高性能的Wi-Fi提供更好的運動感知

使用Wi-Fi進(jìn)行運動感知的性能在很大程度上取決于Wi-Fi覆蓋的質(zhì)量，更好的覆蓋系統(tǒng)可以改善準(zhǔn)確性、精度和延遲等關(guān)鍵參數(shù)。眾所周知，很多事情都會使Wi-Fi性能下降，但業(yè)界一直在努力改進(jìn)。這就是多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)真正發(fā)揮作用的地方。 MIMO和多用戶MIMO（MU-MIMO）使用多個天線同時向多個客戶端發(fā)送和接收多個數(shù)據(jù)流，從而充分利用環(huán)境中Wi-Fi無線電波的多徑反射。 MIMO還使用波束成形來擴展范圍并改善Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的性能。另外，包含在多路徑CSI數(shù)據(jù)中的信息提供更高的運動檢測分辨率，從8位CSI數(shù)據(jù)發(fā)展到12位甚至16位CSI數(shù)據(jù)。

圖3：多路徑的圖示

Wi-Fi的發(fā)展已見證了所用信道帶寬的漸進(jìn)持續(xù)擴展。這在運動感知的優(yōu)勢顯著，從40MHz發(fā)展到80MHz的信道帶寬相應(yīng)提高40％的運動感知精度。如前所述，這提高的精度現(xiàn)已用于支持增值服務(wù)。

使用Wi-Fi進(jìn)行運動感知是這通用技術(shù)如何不斷發(fā)展從而提供有價值的新服務(wù)的最新示例。我們MU-MIMO技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步使制造商充分利用Wi-Fi的潛力。

審核編輯：郭婷