MEMS超声波ToF传感器才是“社交追踪”王牌？！
2020-06-19 20:03:48   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超声波传感器可能是实现社交接触追踪和监督社交距离的最合适的无线技术。据麦姆斯咨询报道，TDK全资子公司Chirp Microsystems（以下简称：Chirp）董事长Joseph Bousaba近期在接受EE Times采访时表示，MEMS超声波ToF传感器追踪社交接触“更准确、更可靠、更省电、更经济”。

接近探测技术用于保持社交距离（来源：Chirp）

新冠疫情已持续数月，《财富》全球500强企业都迫切地期望让员工回到货仓和生产车间，因此企业都在寻找一种能在员工违反社交距离预防措施或者彼此距离过近时提醒他们的应用或可穿戴设备。同时企业还希望这些可穿戴设备能够记录员工何时、与谁接触以及密切接触的时长。

社交追踪领域：无线技术竞相角逐

可实现社交追踪的嵌入式器件能被制造成各种形式和形状。希望实现此类技术的公司正在探索选择，尝试在包括腕带、系绳夹、徽章及标签在内的各类产品中嵌入无线技术。

可实现社交追踪的无线技术包括：低功耗蓝牙（BLE）、射频识别（RFID）跟踪器、超宽带（UWB）以及超声波传感器，Chirp的MEMS超声波飞行时间（ToF）测距传感器就能实现该功能。

Bousaba解释道：“这种功能对器件的主要要求有测距精度高、低功耗、更长的电池寿命、更小的器件尺寸及更高的可靠性。”正是考虑到这些要求，符合支持监督社交距离和接触者追踪的技术就只能是超宽带和超声波传感器了。

显然，精确度是测量社交距离的最大障碍。超声波可提供小于1 cm测量精度。相比之下，超宽带的测量精度约为10 cm ~ 20 cm，而低功耗蓝牙的测量精度仅为1 m ~ 2m。Chirp的联合创始人、首席技术官兼工程师David Horsley认为，单凭这一点就能说明，低功耗蓝牙并不适合测量社交距离。

针对测量社交距离，低功耗蓝牙还有另一个致命弱点。起初，低功耗蓝牙被推荐用于追踪接触者，是因为这项技术已存在于智能手机中。例如，挪威就采用了一种集中化方法设计了一款名为Smittestopp（意思为“传染停止”）的应用来追踪接触者。该应用可通过手机内置的蓝牙和GPS定位来收集用户数据。挪威数据监察局（Norwegian data inspectorate）上周针对隐私问题，临时禁止了与该应用相关的个人数据处理。

Horsley认为，这表明手机并不是追踪接触者的理想设备。

无线技术如何实现监督社交距离和追踪接触者？

显然，普通大众使用的智能手机并不能解决数据隐私问题。但基于无线技术的可穿戴设备究竟将如何在企业内部工作呢？

Horsley解释道，标签（或徽章）可支持监督社交距离和接触者追踪。当一名员工与另一名员工相距小于6英尺时，该标签就会点亮或发出声音警示。标签还会自动记录两员工之间的偶遇，并将数据存储在标签中。

标签（或徽章）也可以搭载低功耗蓝牙或ZigBee，在员工轮班结束时即可连接到数据库。因此，如果任何员工第二天检测出新冠病毒（Covid-19）呈阳性，就可以追踪到与他接触的所有人。

每个系统公司都可以设计自己的标签（或徽章）。Chirp分享了超声波标签的参考设计，如下图。

Chirp超声波标签参考设计图（来源：Chirp）

上图为Chirp应用MEMS超声波ToF测距传感器CH101的超声波标签参考设计。CH101传感器封装尺寸为3.5 mm x 3.5 mm，参考设计在定制的低功耗混合信号CMOS ASIC上集成了MEMS超声传感器和低功耗数字信号处理器（DSP）。

该传感器可实现多种超声波信号处理功能，为客户提供灵活的工业设计选项，适用于包括距离测定、存在/接近传感、目标探测/躲避以及位置跟踪等在内的广泛用例场景。

超宽带（UWB）、低功耗蓝牙（BLE）与超声波技术的对比分析

在众多用于监督社交距离和接触者追踪的无线技术中，Chirp的MEMS超声波技术的优势是什么？四种无线技术的对比分析如下图：

四种测距技术的比较（来源：Chirp）

如上图所示，值得关注的指标为尺寸和功耗。由于超宽带需要天线，因此基于超宽带的解决方案最终均比低功耗蓝牙和小型超声波的器件尺寸更大。

当然，功耗是更重要问题；当用于监督社交距离时，超宽带与超声波的表现也揭示了这两种技术之间的另一个明显区别：当标签未配对时，设备仍然处于配对阶段；这意味着，由于超宽带标签需要持续搜索其他配对设备，必须处于接收模式，该模式本身就会消耗大量的电池电量；而超声波标签则没有这个顾虑。

Bousaba解释说，这类似于手机用户在距离信号塔太远时的体验。不停地搜索其他设备会很快耗尽电池，这是因为接收器必须保持长时高负载运行，以确保在规定的时间内发现目标。通常情况下，在配对阶段，超宽带将消耗400 mw，而超声波传感器仅需400 µW。

此外，Chirp超声波传感器还可在两个标签接近时实现低延迟探测。Bousaba表示，这种情况会在1秒内完成，通过超声波直接进行标签间的通讯，实现实时报警。超声波传感器还能提供高达180度的水平视场探测。如果需要实现360度探测，则需要两个传感器。

超声波“接近零”的误报率

Bousaba表示，真正让基于超声波的sColutions声名大噪的是它创造了“接近零的误报率”。例如，使用屏障将两个用户隔开，超声波就会在屏障上反射，并且不受材料的影响。除非有穿过屏障的通道能够让空气流通，否则不会记录任何社交接触。

另一方面，对于超宽带中基于射频的解决方案来说，它对于障碍物具有良好的穿透特性。Chirp认为，超宽带设备会使在实体墙或玻璃隔墙两边的用户形成社交接触误报，这将可能导致员工的非必要隔离和心理压力。

当然，超宽带可以通过在障碍物上添加标签或建立网关，来减少这种误报。但Bousaba解释，在基础设施上增加任何设备，都会增加测量的复杂性和额外的安装成本。

公众能否接受社交距离监督和接触者追踪？

Horsley警示，虽然产业界认为用于监督社交距离和接触者追踪的无线技术是“必要的”，但我们并不确定这项技术能否被大众所广泛接受。

尽管如此，在产业界，Chirp已经吸引了大批客户。Bousaba说，一些最初对超声波传感器持怀疑态度的客户，在极端场景测试了该产品，结果令人非常满意。Chirp希望其超声波传感器开始取代超宽带设备。

一些超宽带标签的价格超过了199美元，相比之下，基于Chirp超声波传感器的标签价格将低于100美元。即便是100美元的单价，为每位员工贴上标签也是一项重大投资，尤其是一些肉类包装公司，甚至都没有花钱来检测他们自己员工的健康状况。

Bousaba表示：“我们的大多数客户都是《财富》全球500强企业。”鉴于这些公司希望尽快在工厂和仓库启用监督社交距离和接触者追踪，Chirp表示将在7月推出其超声波ToF测距传感器的解决方案。

Horsley补充道：“时间在这里至关重要。”他指出，加州大学伯克利分校（University of California Berkele）就有意为9月重返校园的学生提供标签。Horsley就是在加州大学伯克利分校获得了博士学位，如今，他已是伯克利分校传感器和执行器中心（BSAC）的联合主任。

在新冠肺炎大流行的背景下，目前还没有疫苗和有效的治疗方法，因此人们正在积极寻求可能改善社会和经济危机的技术。

无线技术实现了监督社交距离和接触者追踪，但这并不是最重要的，也不是最终目标。Horsley认为，“至少我们很高兴能有机会利用自己的技术为社会出一份力”。

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