超聲波傳感器可即時(shí)測(cè)量員工之間的距離

為了減少 COVID-19 的傳播，辦公室和工廠需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)能保障員工之間社交距離和安全生產(chǎn)工作的環(huán)境。作為一種可準(zhǔn)確測(cè)量員工之間距離的手段，基于超聲波傳感器^*1 技術(shù)的解決方案引起了人們的關(guān)注。

在企業(yè)中確保社交距離

為了防止傳染性疾病的傳播，與他人保持安全距離并最大程度減少接觸是十分必要的。對(duì)企業(yè)來說，降低那些會(huì)危及供應(yīng)鏈、企業(yè)聲譽(yù)和生產(chǎn)力的感染風(fēng)險(xiǎn)也非常重要，更不用說創(chuàng)造一個(gè)讓員工安心工作的環(huán)境了。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，世界各地的公司都在尋求切實(shí)可行的解決方案，包括確保員工之間保持社交距離的警報(bào)以及能夠追蹤與感染者接觸軌跡的標(biāo)簽。

企業(yè)中感染 COVID-19 的風(fēng)險(xiǎn)

超聲波傳感器與常規(guī)距離傳感技術(shù)的比較

在測(cè)量人/物體的距離和確定其位置時(shí)，常用的常規(guī)技術(shù)包括：低功耗藍(lán)牙 (BLE)^*2、RFID 跟蹤器^*3、超寬帶 (UWB)^*4 和超聲波傳感器。在現(xiàn)今的環(huán)境中，實(shí)際應(yīng)用中的社交距離警報(bào)和接觸追蹤主要有哪些要求？用 Chirp Microsystems（TDK 集團(tuán)旗下一家從事超聲傳感器開發(fā)的公司）總裁 Joseph Bousaba 的話來說，這些要求就是“距離測(cè)量的準(zhǔn)確度、低功耗以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間、設(shè)備更加小巧可靠，以及誤報(bào)率接近零。

基于超聲波傳感器的社交距離解決方案的主要特點(diǎn)

就距離測(cè)量的準(zhǔn)確度而言，超聲波傳感器誤差小于 1 厘米，超寬帶 (UWB) 誤差小于 10 厘米，而低功耗藍(lán)牙 (BLE) 則達(dá)幾米。對(duì)于建議值為 2 米的社交安全距離來講，BLE 不足以滿足檢測(cè)要求。此外，超聲波傳感器的功耗要遠(yuǎn)低于 UWB，電池充電一次就能讓一個(gè)小型近距離感應(yīng)標(biāo)簽連續(xù)工作數(shù)天。

多項(xiàng)距離傳感技術(shù)的比較

該表顯示，Chirp 超聲波傳感器無論在尺寸、準(zhǔn)確性、功耗還是誤報(bào)率方面，都優(yōu)于傳統(tǒng)的超聲波傳感器、UWB 和藍(lán)牙。

使用超聲波傳感器的社交距離解決方案的實(shí)際應(yīng)用

由Chirp 開發(fā)的 CH101 是一款超聲波飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器，它將壓電微機(jī)械超聲波換能器 (PMUT)^*5、高能效數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)^*6 和低功耗 CMOS ASIC 整合到一個(gè)大小僅有 3.5 mm × 3.5 mm 的芯片上。安裝在傳感器上的超聲波換能器會(huì)發(fā)出超聲波脈沖并接收從物體反射回來的超聲波。借助這種飛行時(shí)間 (ToF) 法，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到物體的距離。與傳統(tǒng)的超聲波傳感器相比，CH101 具有顯著的小型化特點(diǎn)，可集成到諸如可穿戴標(biāo)簽和員工工牌等產(chǎn)品中。

超聲波傳感器 CH101

采用小型化設(shè)計(jì)，體積只有傳統(tǒng)超聲波傳感器的千分之一左右

“標(biāo)簽或工牌可同時(shí)支持社交距離警報(bào)和接觸軌跡追蹤功能?！盋hirp 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 David Horsley 探討了防感染設(shè)備的預(yù)期功能。當(dāng)兩個(gè)佩戴標(biāo)簽的員工相距約 1.83 米時(shí)，標(biāo)簽會(huì)發(fā)出警告聲。此外，通過集成 BLE，標(biāo)簽還可以記錄與他人的接觸情況，并將接觸歷史存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。如果發(fā)現(xiàn)有員工感染，就可以追蹤相關(guān)的所有密切接觸者。

（左）集成了超聲波傳感器的標(biāo)簽示例
（右）標(biāo)簽可以檢測(cè)到佩戴人員的彼此靠近并會(huì)立即發(fā)出警報(bào)。

“基于超聲波的傳感器可讓社交距離的誤報(bào)率接近零”，Bousaba 表示。由于超聲波通過空氣傳播來測(cè)量距離，因此它檢測(cè)不到那些被墻壁或玻璃隔開的人之間的近距離接觸。這與 UWB 截然不同，現(xiàn)今的工作場(chǎng)所常常利用墻壁或有機(jī)玻璃隔斷來建立社交屏障，而 UWB 所發(fā)出的無線電波可以穿過這些屏障，因此當(dāng)人員彼此靠近但有這類屏障隔開時(shí)，UWB 可能會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)。

相互靠近但有墻壁隔開的示例

（左）采用無線電波的技術(shù)（包括 UWB）可能會(huì)在人員彼此靠近但有墻壁或玻璃隔開時(shí)產(chǎn)生誤報(bào)。
（右）超聲波通過空氣確定是否存在接觸，幾乎沒有誤報(bào)。

此外，Bousaba 還特別強(qiáng)調(diào)了功耗問題。“UWB 在工作時(shí)會(huì)一直搜索其他設(shè)備，這使得它始終處于配對(duì)狀態(tài)，從而增加了功耗，而超聲波傳感器則大大降低了功耗?！逼胀?UWB 芯片在接收模式下的功耗約為 400 mW，而 Chirp 超聲波傳感器的運(yùn)行功耗只有 0.7 mW，功耗不到前者的五百分之一。Bousaba 表示，在實(shí)際應(yīng)用中，一周內(nèi)（約 40 小時(shí)）無需為電池充電。對(duì)于擁有大量員工的工廠而言，可最大程度地降低維護(hù)成本也是一個(gè)關(guān)鍵因素。

Chirp 的超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)了高精度、小型化和低功耗，因此這項(xiàng)技術(shù)非常適用于那些意在通過保持社交距離來預(yù)防感染的解決方案。Horsley 建議，鑒于 COVID-19 目前尚無疫苗，也沒有有效的治療手段，最好是采用技術(shù)性的解決方案?！胺浅８吲d我們的技術(shù)能有機(jī)會(huì)造福人類?！?/p>

術(shù)語

1   超聲波傳感器：一種通過發(fā)出超聲波脈沖并測(cè)量超聲波反射回來所需的飛行時(shí)間 (ToF)，以此來檢測(cè)物體距離的傳感器。

2   低功耗藍(lán)牙 (BLE)：藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的一部分，即短程無線通信技術(shù)。由于其功耗和成本較低，因此作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信技術(shù)而引起了人們的關(guān)注。

3   RFID 跟蹤器：一項(xiàng)通過接收器接收 RFID（射頻識(shí)別）標(biāo)簽上記錄的信息，以此來實(shí)時(shí)顯示位置信息的技術(shù)。

4   超寬帶：一種利用 20% 或 500 MHz 以上超寬帶寬的無線通信方式

5   PMUT（壓電微機(jī)械超聲波換能器）：一種基于 MEMS 的元件，用于發(fā)射壓電超聲波。

6   DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）：一種專門設(shè)計(jì)用于處理數(shù)字信號(hào)的微處理器（即實(shí)現(xiàn)所謂 CPU 功能的芯片）。