Por dentro de um sensor de movimento por radar de US$ 1
(10maurycy10.github.io)- Mesmo um sensor de movimento por micro-ondas de menos de US$ 1 funciona apenas com uma fonte de 5 V e um capacitor de desacoplamento de 1 µF, convertendo movimentos a cerca de 5 m em um sinal de saída de 3 segundos
- O grande chip SOIC-16
BISS0001foi originalmente feito para sensores de movimento infravermelhos, mas nesta placa ele se encarrega de amplificar e comparar o sinal IF, além do temporizador - O circuito de RF parece ser um oscilador de cerca de 3,18 GHz, mas na prática é pulsado a cerca de 20 MHz, e essa estrutura cria sensibilidade como em um receptor super-regenerativo
- Em ambientes internos, ele funciona bem graças à abundância de ondas refletidas estacionárias, mas em áreas externas, onde o ambiente de reflexão é pobre, o desempenho do sensor varia bastante
- Com a remoção de capacitores e uma configuração com dois módulos, é possível fazer experimentos de radar biestático e até medir velocidade, mas, como sensor de movimento interno comum, o método tradicional de módulo único é mais sensível
Conexão básica e sinal de detecção
- Este sensor funciona imediatamente ao conectar 5 V ao
VIN, terra aoGNDe um capacitor de desacoplamento de 1 µF ao3V3- Quando uma pessoa se move a cerca de 5 m, o pino
OUTsobe para 3 V por 3 segundos
- Quando uma pessoa se move a cerca de 5 m, o pino
- O grande chip SOIC-16 da placa é o
BISS0001e, segundo o datasheet, é um chip para sensor de movimento infravermelho - Radares de detecção de movimento e velocidade emitem uma portadora contínua e depois misturam o sinal recebido com o sinal transmitido para gerar um sinal IF de baixa frequência
- A reflexão de um objeto em movimento vai ficando lentamente fora de fase em relação ao sinal transmitido, criando uma frequência de batimento na faixa de alguns Hz
- Para um sensor de movimento, detectar variações na faixa de milivolts é mais importante do que medir velocidade com precisão
- Neste módulo, o sinal IF entra no pino 14 do
BISS0001, e uma cópia amplificada sai pelo pino 16, facilitando a visualização no osciloscópio - Em uma medição em que um notebook foi deslocado cerca de 40 cm em direção ao sensor, apareceram 8 picos
- Como a variação do caminho de ida e volta de 80 cm corresponde a 8 comprimentos de onda, o comprimento de onda calculado é de cerca de 10 cm
- Isso não é muito diferente do comprimento de onda real de 9,4 cm
Circuito de RF e estrutura de receptor super-regenerativo
- No lado direito da placa, o
BISS0001atua como amplificador, comparador e temporizador, enquanto as operações relacionadas a RF acontecem no pequeno número de componentes no lado esquerdo da placa - À primeira vista, o circuito de RF é um oscilador de transistor único operando a cerca de 3,18 GHz
- A trilha em forma de S no emissor atua como ressonador de micro-ondas e antena
- Um transistor BJT o aciona, e o capacitor formado pelo ressonador e pela trilha de cobre paralela fornece realimentação
- Estima-se que a estrutura em anel no verso exista para impedir oscilações em outras frequências
- O oscilador é instável a ponto de variar vários MHz apenas com a capacitância da mão e a deriva de polarização
- O funcionamento real se parece mais com o acoplamento de dois osciladores pulsados a cerca de 20 MHz
- À medida que a oscilação prossegue, o estado do capacitor de 33 pF muda e a tensão do emissor sobe
- Quando a oscilação não consegue mais se manter, o resistor de 220 Ω descarrega o capacitor e reinicia a oscilação em poucos ns
- Por causa dessa pulsação, o circuito funciona como um receptor super-regenerativo
- Mesmo que o ganho do transistor ultrapasse 1, a oscilação não começa imediatamente e precisa de um pequeno estímulo
- Um pequeno sinal dentro do ressonador é amplificado repetidamente, carrega o capacitor e reinicia o ciclo
- Com uma quantidade mínima de RF, a oscilação começa mais cedo, reagindo como um receptor sensível
- O tempo desligado é de cerca de 15 ns, e reflexões de objetos parados a mais de 2,5 m chegam durante o início da oscilação
- Essas reflexões estacionárias atuam como o oscilador local do radar
- O receptor super-regenerativo detecta o sinal de modulação de amplitude gerado pela interferência entre a reflexão estacionária e a reflexão móvel
- Em ambientes internos, onde há muitas reflexões, sempre existe RF para iluminar objetos em movimento
- O desempenho depende fortemente do ambiente de reflexão ao redor
- Em ambientes internos, funciona bem
- Em ambientes externos, sem reflexões estacionárias convenientes, muitas vezes simplesmente não funciona
Experimentos de modificação e radar biestático
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Criar um transmissor removendo a pulsação
- A primeira modificação consiste em remover o capacitor que cria a pulsação de 20 MHz
- Com isso, o sensor se transforma em um transmissor
- É possível fazer modulação de frequência injetando um sinal em praticamente qualquer ponto do oscilador
- Também é possível fazer chaveamento liga-desliga desligando e religando a alimentação
- Mesmo sem a parte super-regenerativa, o radar funciona até certo ponto
- O próprio oscilador faz downconversion do sinal recebido, como um mixer
- Porém, como não há ganho, o sinal IF fica muito mais fraco e a sensibilidade cai bastante
-
Vantagens e desvantagens da configuração com dois módulos
- O segundo experimento é uma configuração de radar biestático, com o transmissor modificado ao lado de um módulo não modificado usado como receptor
- O sinal de retorno aparece de forma muito mais consistente e as variações estranhas de amplitude também desaparecem
- Como o receptor continua recebendo fortemente a RF do transmissor, os sinais refletidos distantes ficam mais fracos
- Como sensor de movimento interno, essa configuração é pior
- Para disparar, é necessário um movimento considerável em direção ao sensor ou para longe dele
- O método tradicional de módulo único dispara com praticamente qualquer movimento
- Se os dois módulos forem separados por cerca de 1 a 2 m, o desempenho em ambientes externos fica muito melhor do que com um único módulo
- A sensibilidade é maior na área entre os dois módulos
- Não chega a ser um desempenho geral bom, mas é muito melhor do que o desempenho externo praticamente inexistente de um único módulo
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Uso como sensor de velocidade
- A configuração biestática funciona bem como sensor de velocidade
- É possível medir a velocidade aplicando FFT ao IF ou contando cruzamentos por zero
- A velocidade é calculada como
comprimento de onda × frequência de batimento ÷ 2 - Por exemplo, usando uma frequência de batimento de 15 Hz e comprimento de onda de 9,4 cm, temos
9,4 cm × 15 Hz ÷ 2 = 70 cm/s = 0,7 m/s
1 comentários
Opiniões no Hacker News
Radar CSI de Wi‑Fi de 2,4 GHz consegue detectar além de paredes até com uma placa ESP32 de US$ 20: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing e https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
A Espressif afirma que, em um ambiente estático, é possível captar até pequenos movimentos de pessoas ou animais, como respiração e mastigação, e que isso funciona em toda a família ESP32, incluindo ESP32, ESP32-S2 e ESP32-C3, sem alterações de hardware
Notebooks de 2024 com Wi‑Fi 7 AI/NPU baseados em Intel/Qualcomm podem combinar radar RF com inferência no dispositivo para identificar atividades humanas
Materiais relacionados: 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...
Uso em casa para detecção de presença e, imprimindo uma pequena caixa em 3D, dá para ter uma detecção de presença de alta precisão por menos de US$ 20, que funciona bem mesmo quando a pessoa está sentada e parada
É ideal para iluminação automática e controle de aquecimento e ar-condicionado
Estou procurando uma forma totalmente não invasiva, ou seja, sem contato, de medir os batimentos cardíacos de uma pessoa, e parece possível fazer isso com Wi‑Fi (artigo de 2019 https://arxiv.org/abs/1908.05108)
Ainda assim, embora existam muitos métodos, como análise de vídeo e câmeras térmicas, é difícil encontrar um produto pronto a preço razoável, e o rastreador de sono mais simples para colocar embaixo da cama não é uma opção no meu caso
Referência: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
Isso me lembra o artigo de desmontagem do HB100, mas este aqui pelo menos tem um CI, então dá um pouco mais de confiança mesmo sem entender bem o princípio de funcionamento: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...
A própria PCB é o componente principal, e não só a antena patch, mas também vários filtros RF, o oscilador local e até o mixer são implementados em grande parte por trilhas de PCB com formatos incomuns
Além da PCB, há apenas cinco componentes na placa, e não tem como não admirar terem feito um módulo de radar Doppler com cinco componentes passivos
É um pouco tangencial, mas fico me perguntando se dispositivos desse tipo são seguros para as pessoas
Tenho alguns LD2410, e queria usar um deles com ESPHome no quarto; pelo que pesquisei, a potência de saída é muito baixa e parece seguro
Ainda assim, como seria dormir a noite toda com um radar apontado para nós, quero ouvir o máximo possível de opiniões
Além da ionização, o único mecanismo que poderia causar dano a uma pessoa seria a transferência de muita potência para o corpo — algo como soldados ficando em frente a um transmissor de radar e aquecendo o corpo
Fazendo uma conta aproximada, a corrente média no datasheet em https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf é de 79 mA a 5 V, então ele consome cerca de 0,4 W
Se estimarmos de forma conservadora que 10% a 50% disso seja efetivamente transmitido, dá 40 a 200 mW; mesmo supondo que 1/4 seja absorvido, a potência adicional absorvida pelos tecidos seria algo em torno de 10 a 50 mW
Essa é uma estimativa exagerada do ponto de vista de segurança, e a absorção na faixa de microwatts mencionada por outra pessoa parece mais plausível
A potência basal que o corpo de um adulto usa em repouso é de cerca de 100 W, ou seja, 500 a 2500 vezes maior que a potência absorvida de um radar de ondas milimétricas
A menos que a absorção se concentre apenas em uma região muito específica e sensível, como os olhos, isso pode ser tratado como nível de ruído de fundo
Outra forma de ver é comparar com a RF e a radiação térmica emitidas por um celular que você carrega no bolso por horas
Aplicando a fórmula padrão de atenuação de energia E~R^(-2), a potência cai para a faixa de microwatts a qualquer distância prática da antena
Detecto se há alguém na cama com sensores de peso e uso PIR tradicional para movimento no quarto
Talvez seja excesso de cautela, mas eu não queria apontar um radar para crianças dormindo e para mim mesmo por 12 horas por dia
De forma parecida, também deixo o AP Wi‑Fi do andar de cima apenas no corredor e não uso na potência máxima
https://www.microwavenews.com
Já existem radares de ondas milimétricas USB-C que se conectam à automação residencial
Custam algo em torno de 11 a 20 dólares e são bem ricos em recursos
Se quiser fazer o seu próprio, veja o que está em andamento no lado do ESPHome. Basta pesquisar por “esp home mm wave”
O LD2410(B) também é uma opção e funciona via UART
É um pouco mais caro, cerca de $5, mas tem mais opções de configuração
Caso contrário é bem trabalhoso e, mesmo assim, no meu caso, se eu fico sentado sem me mexer a 4–5 m de distância, ele não funciona bem e decide que fui embora
O MCU RP2040 do Pi Pico também custa $1, então é uma época muito boa para hacks baratos
Há mais detalhes em https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516
Em geral, não gosto muito desses sensores baratos
Muitas vezes eles não conseguem diferenciar uma pessoa em movimento de um ventilador girando ou de uma cortina se movendo com o vento
Dá para configurar até certo ponto, mas não parece suficiente
Devem existir opções mais caras, mas esses produtos costumam ser mais fechados ou limitados
A função de Wiener é boa
Ela também teve aplicações analógicas e era ultrassecreta durante a Segunda Guerra Mundial
Hoje também é usada na comunicação entre celulares e eNodeBs