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
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