Isi dalam sensor gerak radar seharga $1

 (10maurycy10.github.io)
1 poin oleh GN⁺ 2024-07-01 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Sensor gerak gelombang mikro seharga kurang dari 1 dolar juga dapat bekerja hanya dengan catu daya 5V dan kapasitor decoupling 1µF, serta mengubah gerakan dalam jarak sekitar 5m menjadi sinyal output berdurasi 3 detik
  • Chip SOIC-16 besar BISS0001 awalnya ditujukan untuk sensor gerak inframerah, tetapi pada papan ini chip tersebut juga menangani penguatan dan pembandingan sinyal IF, sekaligus fungsi timer
  • Rangkaian RF tampak seperti osilator 3.18GHz, tetapi sebenarnya dipulsakan pada sekitar 20MHz, dan struktur ini menciptakan sensitivitas layaknya penerima super-regeneratif
  • Di dalam ruangan, pantulan statis melimpah sehingga bekerja dengan baik, tetapi di luar ruangan yang minim pantulan, performa sensor sangat tidak stabil
  • Dengan melepas kapasitor dan memakai konfigurasi dua modul, dimungkinkan eksperimen radar bistatik dan pengukuran kecepatan, tetapi untuk sensor gerak ruangan biasa, metode satu modul yang ada tetap lebih sensitif

Koneksi dasar dan sinyal deteksi

  • Sensor ini langsung bekerja jika VIN dihubungkan ke 5V, GND ke ground, dan 3V3 diberi kapasitor decoupling 1µF
    • Jika ada orang bergerak dalam jarak sekitar 5m, pin OUT akan naik ke 3V selama 3 detik
  • Chip SOIC-16 besar pada papan adalah BISS0001, yang menurut datasheet merupakan chip sensor gerak inframerah
  • Radar pendeteksi gerak/kecepatan memancarkan gelombang pembawa kontinu lalu mencampurkan sinyal terima dengan sinyal kirim untuk menghasilkan sinyal IF berfrekuensi rendah
    • Pantulan dari objek bergerak perlahan bergeser fase terhadap sinyal kirim dan menghasilkan frekuensi beat pada kisaran beberapa Hz
    • Pada sensor gerak, mendeteksi perubahan setingkat milivolt lebih penting daripada kecepatan yang akurat
  • Pada modul ini, sinyal IF masuk ke pin 14 BISS0001, dan salinan yang telah diperkuat keluar dari pin 16 sehingga mudah diamati dengan osiloskop
  • Pada pengukuran saat laptop digerakkan sekitar 40cm ke arah sensor, muncul 8 puncak
    • Karena perubahan lintasan pulang-pergi 80cm setara dengan 8 panjang gelombang, panjang gelombangnya dihitung sekitar 10cm
    • Nilai ini tidak jauh dari panjang gelombang sebenarnya yaitu 9.4cm

Rangkaian RF dan struktur penerima super-regeneratif

  • Di sisi kanan papan, BISS0001 bekerja seperti penguat, komparator, dan timer, sedangkan fungsi terkait RF terjadi pada sedikit komponen di sisi kiri papan
  • Sekilas, rangkaian RF tampak sebagai osilator transistor tunggal yang bekerja pada sekitar 3.18GHz
    • Jalur berbentuk S pada emitter berfungsi sebagai resonator gelombang mikro sekaligus antena
    • Transistor BJT menggerakkannya, dan kapasitor yang dibentuk oleh resonator serta jalur tembaga paralel menyediakan umpan balik
    • Struktur cincin di sisi belakang diduga digunakan untuk mencegah osilasi pada frekuensi lain
  • Osilator ini tidak stabil, sampai-sampai dapat bergeser beberapa MHz hanya karena kapasitansi tangan dan drift bias
  • Operasi sebenarnya lebih mirip gabungan dua osilator yang dipulsakan pada sekitar 20MHz
    • Saat osilasi berlangsung, keadaan kapasitor 33pF berubah dan tegangan emitter naik
    • Ketika osilasi tak lagi dapat dipertahankan, resistor 220Ω mengosongkan kapasitor sehingga osilasi dimulai lagi dalam beberapa ns
  • Karena pemulsaan ini, rangkaian bekerja seperti penerima super-regeneratif
    • Walaupun penguatan transistor melebihi 1, osilasi tidak langsung mulai dan memerlukan rangsangan kecil
    • Sinyal kecil di dalam resonator berulang kali diperkuat, mengisi kapasitor, lalu memulai ulang siklus
    • Adanya RF yang sangat kecil pun membuat osilasi mulai lebih cepat, sehingga bereaksi seperti penerima yang sensitif
  • Waktu off sekitar 15ns, dan pantulan dari objek diam yang lebih jauh dari 2.5m akan tiba saat permulaan osilasi
    • Pantulan diam seperti ini bertindak layaknya osilator lokal radar
    • Penerima super-regeneratif mendeteksi sinyal modulasi amplitudo yang timbul dari interferensi antara pantulan diam dan pantulan bergerak
    • Di lingkungan dalam ruangan yang kaya pantulan, selalu ada RF yang menerangi objek bergerak
  • Kinerja sangat bergantung pada lingkungan pantulan di sekitarnya
    • Di dalam ruangan, sensor bekerja baik
    • Di luar ruangan, tanpa pantulan diam yang memadai, sering kali sensor tidak bekerja sama sekali

Eksperimen modifikasi dan radar bistatik

  • Membuat pemancar dengan menghilangkan pemulsaan

    • Modifikasi pertama adalah melepas kapasitor yang menghasilkan pemulsaan 20MHz
    • Dengan begitu, sensor berubah menjadi pemancar
    • Sinyal dapat dimasukkan hampir di mana saja pada osilator untuk menghasilkan modulasi frekuensi
    • On-off keying juga bisa dilakukan dengan mematikan dan menyalakan catu daya
    • Radar masih dapat bekerja sampai tingkat tertentu walaupun bagian super-regeneratif dihilangkan
    • Osilator itu sendiri menurunkan frekuensi sinyal terima seperti mixer
    • Namun karena tidak ada penguatan, sinyal IF menjadi jauh lebih lemah dan sensitivitas turun drastis

  • Kelebihan dan kekurangan konfigurasi dua modul

    • Eksperimen kedua adalah konfigurasi radar bistatik dengan menempatkan pemancar hasil modifikasi di samping modul yang belum dimodifikasi sebagai penerima
    • Sinyal balik muncul jauh lebih konsisten dan perubahan amplitudo aneh pun hilang
    • Karena penerima terus menerima RF pemancar yang kuat, sinyal pantulan jauh menjadi lebih lemah
    • Untuk sensor gerak dalam ruangan, konfigurasi ini justru lebih buruk
      • Agar terpicu, dibutuhkan gerakan yang cukup besar ke arah sensor atau menjauh dari sensor
      • Metode satu modul asli dapat terpicu oleh hampir semua gerakan
    • Jika dua modul dipisahkan sekitar 1~2m, performa luar ruang jauh lebih baik dibanding satu modul
      • Sensitivitas paling baik di area di antara kedua modul
      • Memang belum bisa disebut berkinerja bagus secara keseluruhan, tetapi tetap jauh lebih baik daripada performa luar ruang satu modul yang nyaris tidak ada

  • Menggunakannya sebagai sensor kecepatan

    • Konfigurasi bistatik bekerja baik sebagai sensor kecepatan
    • Kecepatan dapat diukur dengan menerapkan FFT pada IF atau menghitung zero crossing
    • Kecepatan dihitung sebagai panjang gelombang × frekuensi beat ÷ 2
    • Sebagai contoh, jika frekuensi beat 15Hz dan panjang gelombang 9.4cm, maka 9.4cm × 15Hz ÷ 2 = 70cm/s = 0.7m/s

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2024-07-01
Komentar Hacker News

  • Radar CSI Wi-Fi 2,4GHz dapat mendeteksi objek di balik dinding bahkan dengan board ESP32 seharga $20: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing dan https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
    Espressif mengklaim bahwa di lingkungan statis, perangkat ini juga dapat menangkap gerakan kecil seperti napas atau gerakan mengunyah manusia maupun hewan, dan bekerja pada semua seri ESP32 seperti ESP32, ESP32-S2, ESP32-C3, tanpa perubahan hardware
    Laptop Wi-Fi 7 AI/NPU berbasis Intel/Qualcomm keluaran 2024 dapat menggabungkan radar RF dengan inferensi on-device untuk mengidentifikasi aktivitas manusia
    Materi terkait: DIY Radio Telescope: Building a Camera That Can See WiFi (2019) https://www.youtube.com/watch?v=g3LT_b6K0Mc, Wi-Fi devices set to become object sensors by 2024 via IEEE 802.11bf standard (2021) https://news.ycombinator.com/item?id=40458766, How automotive radar measures the velocity of objects (2024) https://news.ycombinator.com/item?id=40768959, How Wi-Fi sensing of movement became usable (2024) https://www.technologyreview.com/2024/02/27/1088154/wifi-sen...

    • Deteksi Wi-Fi juga menarik, tetapi memasang modul seperti ini ke chip ESP seharga $3 membuat proyek menjadi lebih mudah dan murah: https://www.dfrobot.com/product-2795.html
      Saya menggunakannya di rumah untuk deteksi keberadaan, dan dengan casing kecil hasil 3D print, dengan biaya di bawah $20 bisa dibuat deteksi keberadaan presisi tinggi yang tetap mengenali orang meski duduk diam
      Ideal untuk lampu otomatis serta kontrol pemanas dan pendingin ruangan
    • Bagian “Vital Sign Detection & Healthcare” sangat menarik
      Saya sedang mencari cara mengukur detak jantung seseorang secara sepenuhnya non-invasif, yaitu tanpa kontak, dan sepertinya itu memungkinkan dengan Wi-Fi (makalah 2019 https://arxiv.org/abs/1908.05108)
      Namun meski ada banyak metode seperti analisis video dan kamera termal, sulit menemukan produk jadi dengan harga masuk akal, dan pelacak tidur paling sederhana yang dipasang di bawah kasur bukan pilihan untuk situasi saya
      Referensi: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
    • Saya ingat pernah melihat di suatu tempat bahwa AMEX berinvestasi dalam deteksi objek via Wi-Fi, tetapi saya tidak ingat persis untuk apa
    • Satu ESP dan Wi-Fi AP Anda sendiri juga bisa digunakan sebagai sumber paket

  • Saya teringat artikel teardown HB100, tetapi yang ini setidaknya memiliki IC, jadi sedikit lebih menenangkan meski kita tidak terlalu memahami prinsip kerjanya: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...

    • Entah siapa yang merancangnya, tetapi tampaknya ia seorang maestro ilmu hitam rekayasa waveguide RF
      PCB itu sendiri adalah komponen inti, dan bukan hanya antena patch, melainkan juga berbagai filter RF, osilator lokal, hingga mixer sebagian besar diwujudkan dengan trace PCB berbentuk tidak biasa
      Di luar PCB, hanya ada lima komponen di atas board, dan fakta bahwa modul radar Doppler dibuat dengan lima komponen pasif benar-benar mengagumkan
    • Karena terlalu keren, saya sampai harus mempostingnya secara terpisah: https://news.ycombinator.com/item?id=40834960

  • Sedikit menyimpang, tetapi saya penasaran apakah perangkat seperti ini aman bagi manusia
    Saya punya beberapa LD2410 dan ingin memakai salah satunya dengan ESPHome di kamar tidur. Dari hasil penelusuran, keluarannya memang sangat rendah dan terlihat aman
    Namun tetap saja, ini berarti tidur semalaman dengan radar mengarah ke kita, jadi saya ingin mendengar masukan sebanyak mungkin

    • Gelombang radio non-pengion umumnya aman bagi manusia
      Selain ionisasi, satu-satunya mekanisme yang bisa membahayakan manusia adalah ketika daya besar ditransfer ke tubuh; bayangkan situasi seperti tentara yang berdiri di depan pemancar radar hingga tubuhnya menghangat
      Jika dihitung kasar, menurut datasheet https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf, arus rata-ratanya 79mA pada 5V, jadi mengonsumsi sekitar 0,4W
      Jika secara konservatif diasumsikan 10–50% dari itu benar-benar dipancarkan, berarti 40–200mW, dan kalaupun 1/4 di antaranya diserap, daya tambahan yang diserap jaringan hanya sekitar 10–50mW
      Ini estimasi yang terlalu konservatif dari sisi keamanan, dan penyerapan pada tingkat mikrowatt seperti yang disebut orang lain lebih masuk akal
      Tubuh orang dewasa saat istirahat menggunakan daya dasar sekitar 100W, yaitu 500–2500 kali lebih besar daripada daya yang diserap dari radar gelombang milimeter
      Selama penyerapan tidak terkonsentrasi hanya pada bagian yang sangat spesifik dan sensitif seperti mata, ini bisa dianggap setara noise latar belakang
      Dari sudut pandang lain, bisa dibandingkan dengan RF dan radiasi panas yang dipancarkan ponsel yang kita bawa di saku selama berjam-jam
    • Sebagian ponsel memiliki SAR hampir 2W/kg, jadi dibandingkan itu keluaran miliwatt dari RF 10GHz bukan apa-apa
      Jika menerapkan rumus pelemahan energi standar E~R^(-2), begitu berjarak praktis sedikit saja dari antena, dayanya turun ke tingkat mikrowatt
    • Saya memasang perangkat seperti ini di berbagai tempat di rumah, tetapi tidak di kamar tidur
      Untuk mendeteksi apakah ada orang di tempat tidur, saya memakai sensor berat, dan untuk gerakan di kamar tidur saya memakai PIR tradisional
      Mungkin ini terlalu hati-hati, tetapi saya tidak ingin mengarahkan radar ke anak-anak yang sedang tidur dan ke diri saya sendiri selama 12 jam sehari
      AP Wi-Fi di lantai atas juga serupa: hanya saya taruh di koridor dan tidak digunakan pada daya maksimum
    • Situs Microwave News terus membahas perkembangan terbaru terkait kesehatan untuk perangkat seperti ini
      https://www.microwavenews.com

  • Radar gelombang milimeter USB-C yang terhubung ke otomasi rumah sudah tersedia
    Harganya sekitar 11–20 dolar dan fiturnya juga cukup kaya
    Jika ingin membuat sendiri, lihat perkembangan di sisi ESPHome. Cukup cari “esp home mm wave”

    • Kalau membuat sendiri dengan ESP32, biaya komponen sebenarnya sekitar $5

  • LD2410(B) juga merupakan opsi dan bekerja melalui UART
    Harganya sekitar $5, sedikit lebih mahal, tetapi opsi konfigurasinya lebih banyak

    • Sebaiknya beli varian B, karena bisa dikonfigurasi lewat Bluetooth dari ponsel
      Kalau tidak, prosesnya cukup merepotkan. Meski begitu, dalam kasus saya, jika duduk diam pada jarak 4–5m, perangkat ini tidak bekerja dengan baik dan menganggap saya sudah pergi

  • MCU RP2040 pada Pi Pico juga seharga $1, jadi ini benar-benar era yang bagus untuk hacking murah

    • Sekarang tinggal berharap harga osiloskop pita GHz turun

  • Detail lebih lanjut ada di https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516

  • Saya kurang menyukai sebagian besar sensor murah seperti ini
    Sering kali sensor tidak bisa membedakan orang yang bergerak, kipas yang berputar, dan tirai yang bergerak tertiup angin
    Memang bisa dikonfigurasi sampai batas tertentu, tetapi tampaknya belum cukup
    Mungkin ada opsi yang lebih mahal, tetapi produk seperti itu sering kali lebih tertutup atau lebih terbatas

  • Fungsi Wiener bagus
    Dulu ada juga penerapan analognya, dan pada Perang Dunia II hal ini sangat dirahasiakan
    Sekarang juga digunakan dalam komunikasi antara ponsel dan eNodeB