寫在前面

藍(lán)牙耳機的自動連接，文件的隔空傳送，地鐵的測溫器……這些都屬于空間感知能力的范疇，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)使我們的生活愈發(fā)的便捷。關(guān)于空間感知能力研發(fā)與應(yīng)用的背后，都有哪些技術(shù)助力實現(xiàn)，今天我們一起來看一下。

空間感知能力，目前已經(jīng)成為電子產(chǎn)品需要修煉的新技能。有了它，不僅能夠知道被測對象存在與否，有時還能知道Ta是誰，以及Ta的距離、位置，甚至是運動的軌跡。人們對由此可能衍生出的新應(yīng)用充滿了期待。

不過，如今有一個更為現(xiàn)實的需求就擺在眼前，這就是在新冠疫情仍然肆虐的今天，如何利用空間感知技術(shù)幫助人們確認(rèn)并保持彼此之間的社交距離。這個需求很容易理解，就是當(dāng)兩個人的距離小于規(guī)定的閾值時（比如2米），檢測設(shè)備就會自動提出警告，讓用戶遠(yuǎn)離彼此。

如果更細(xì)致地描述這樣一個設(shè)計需求，相關(guān)的要點應(yīng)該包括下面幾項：

具有足夠的測量精度、視場和范圍，且要盡可能減少誤報情況的發(fā)生。

功耗要足夠小，以滿足設(shè)備長期使用的需要。

小型化，能夠符合可穿戴的要求，或者是可以集成在一個標(biāo)簽里，方便攜帶，盡量減少用戶的異物感。

容易獲得，成本足夠低，這其中既包括設(shè)備（如標(biāo)簽）本身的成本，也要考慮配套基礎(chǔ)設(shè)施的成本，以及后續(xù)的運維成本。

除了簡單的測距，可能還需要有能力獲取其他一些相關(guān)的信息，或者對被測對象進行持續(xù)的追蹤，以收集足夠的數(shù)據(jù)對其行為做出準(zhǔn)確的分析。

既然需求已經(jīng)擺在那兒了，各種技術(shù)圍繞著“社交距離檢測”這個命題，也是八仙過海，各顯神通，給出了不同的解決方案。想要實現(xiàn)上述的設(shè)計構(gòu)想，目前有哪些技術(shù)路徑可走？我們今天就來做一個盤點。

BLE低功耗藍(lán)牙

想測量社交距離，大家首先想到的一個技術(shù)方案可能就是BLE低功耗藍(lán)牙。這其中最主要的一個原因就是，BLE技術(shù)的普及度非常高，根據(jù)BIG的預(yù)測，到2021年預(yù)計將有130億臺支持藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用。這就使得BLE方案實施起來極為方便。加上BLE固有的低功耗和安全特性，做鄰近檢測非常適合。

BLE是通過接收信號強度指示器（Received Signal Strength Indicator，簡稱RSSI）的方法來測算距離的，也就是根據(jù)兩個設(shè)備（或用戶）通信信號強度和距離之間的關(guān)系來計算距離，當(dāng)兩者距離低于某個設(shè)定值后，就會觸發(fā)后續(xù)的動作（如報警）。這樣的BLE應(yīng)用有不少，移植到社交距離檢測這個新場景中并不難。

不過從原理上講，傳統(tǒng)的RSSI的測量精度有限，通常在3-10米，這對于某些要求較高精度的檢測任務(wù)來說，實現(xiàn)起來可能會有些吃力；而且BLE工作使用的2.4GHz頻段非常擁擠，信號間干擾也是一個潛在的問題，這都是BLE方案的短板。值得注意的是，在藍(lán)牙5.1規(guī)范中，增加了尋向功能，這會令BLE獲得更為精準(zhǔn)的定位能力，未來與同領(lǐng)域的其他技術(shù)相比，仍然有的一拼。

UWB超寬帶

正是考慮到BLE這類傳統(tǒng)無線技術(shù)難以滿足更高測量精度的要求，近年來UWB作為一種新興的空間感知技術(shù)快速發(fā)展了起來。

UWB基于IEEE在802.15.4a/z標(biāo)準(zhǔn)，使用2ns脈沖信號，通過飛行時間 （ToF） 和到達(dá)角 （AoA） 來計算距離和定位，測量精度可以達(dá)到10cm以內(nèi)。此外，與那些運行在2.4GHz頻譜中的窄帶無線方案不同，UWB是工作在6-8GHz頻譜中具有500MHz帶寬的方案，因此具有天生的抗干擾能力，即使在具有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中，也能提供非常穩(wěn)定的連接。而且在802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)中，UWB在信號的PHY包中添加了加密和隨機數(shù)等保護機制，在安全性上也具有更突出的優(yōu)勢。這些特性疊加在一起，UWB幾乎成了一個“完美”的精準(zhǔn)安全測距解決方案。

值得一提的是，目前在很多UWB空間感知解決方案中，考慮到作用范圍、功耗等要求，它往往是和BLE搭配使用的——比如在社交距離檢測中，BLE通常是處于打開的狀態(tài)，對鄰近區(qū)域進行掃描和探測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)對象后再激活UWB進行精準(zhǔn)的測距和定位。

在市場上，開發(fā)者已經(jīng)可以很方便地獲得這種包含UWB+BLE的商用解決方案?？紤]到目前手機內(nèi)置UWB功能已經(jīng)成為了潮流，因此未來用戶和市場對基于UWB的方案的接受度會不斷提升，該方案獲得和使用的門檻也會進一步降低。

超聲波

實際上在測距這件事上，上述這些無線解決方案只能算是后來者，超聲波技術(shù)才是這個領(lǐng)域當(dāng)之無愧的“老司機”。但是具體到社交距離檢測這個應(yīng)用中，傳統(tǒng)的超聲波傳感器雖然精度高（可以達(dá)到厘米級），但是其體積大，且視場只有180°，功耗上的表現(xiàn)也不算出眾。如果想在新的空間感知領(lǐng)域獲得一席之地，就必須有所創(chuàng)新。

針對這樣的需求，TDK集團旗下的Chirp Microsystems公司開發(fā)出了一款超聲波飛行時間（ToF）傳感器CH101，它將壓電超聲波換能器（PMUT）、DSP和低功耗CMOS ASIC整合到一個大小僅為3.5mm × 3.5mm的芯片上，通過PMUT發(fā)射超聲波脈沖并接收從物體反射的回波來計算距離，精度可以達(dá)到1cm。

與傳統(tǒng)的超聲波傳感器相比，CH101外形極為緊湊，可集成到可穿戴標(biāo)簽、員工工牌等產(chǎn)品中。而且其運行功耗只有0.7mW——普通UWB芯片接收模式下的功耗約為400mW——這樣的低功耗特性，使得一個小型近距離感應(yīng)標(biāo)簽充電一次就能連續(xù)工作數(shù)天。如果需要支持360°的視場，用兩個傳感器就能實現(xiàn)。

可以說，CH101微型超聲波傳感器在尺寸、準(zhǔn)確性、功耗等方面，與其他技術(shù)方案相比，都具有明顯的優(yōu)勢。而且與無線方案相比，它還具有更低的誤報率，這是因為無線技術(shù)可能會穿透墻壁或玻璃隔斷，在人員彼此靠近但有物理隔離的情況下產(chǎn)生誤報，而超聲波傳感器則不存在這個問題。

由此可見，憑借對于傳統(tǒng)超聲波技術(shù)的改造，低功耗超聲傳感器也是社交距離檢測的一個重要技術(shù)選項。

地磁方案

上文也提到過，除了精準(zhǔn)測量兩個設(shè)備（用戶）之間的距離，在確保安全社交時，還有一個需求就是要對用戶建立持續(xù)、全局性的監(jiān)測和洞察，這樣才能在出現(xiàn)感染者時，對其可能的密切接觸者進行科學(xué)的評估和篩選。實現(xiàn)這一功能，就需要將單純的測距，擴展為室內(nèi)定位。

如果是用無線通信技術(shù)來實現(xiàn)室內(nèi)定位和用戶追蹤，為了提高精度就必須增加信標(biāo)的數(shù)量，如果要擴大覆蓋區(qū)域，還需要安裝更多的的無線收發(fā)器和中繼器，成本無疑會成為一個大問題。

為此，TDK開發(fā)了一套基于地磁信息的VENUE位置信息解決方案。其方法是，先為指定區(qū)域內(nèi)（如辦公樓）創(chuàng)建地磁圖，然后利用用戶手機內(nèi)置的地磁傳感器提供的信息，再與智能手機中的加速度計和陀螺儀等慣性傳感器的信息相融合，進而對用戶進行精準(zhǔn)定位，定位的精度大約為2米——這對于追蹤感染人員的接觸者來說已經(jīng)足夠了。

由于無需安裝新的設(shè)備和終端，而是充分利用用戶手機中已有的傳感器，因此基于地磁的解決方案部署和實施的便利性是個大優(yōu)勢。這樣一來，用戶只需攜帶安裝有特殊應(yīng)用程序的智能手機，并將他們所在樓層的位置和移動軌跡與匿名身份識別信息結(jié)合在一起，即可實現(xiàn)監(jiān)測。同時，地磁方案也可以和BLE、Wi-Fi無線通信方案進行融合，以獲取更全面的數(shù)據(jù)，提升洞察力。

而且基于這些數(shù)據(jù)，不僅可以識別直接接觸者，還能夠根據(jù)用戶的行動軌跡、位置和停留的時長形成可視化的熱圖，直觀地對他們的感染風(fēng)險進行判斷。

文末互動

社交距離的檢測，其實只是諸多空間感知應(yīng)用中的一個場景，而對它的探索，恰恰可以使得人們對于空間感知技術(shù)和應(yīng)用的理解更為深入，也為新技術(shù)向其他領(lǐng)域的滲透和移植積累更大的勢能。

原文標(biāo)題：注意！你的社交距離……

文章出處：【微信公眾號：安富利】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。