- 1ドル未満のマイクロ波モーションセンサーも、5V電源と1µFのデカップリングコンデンサだけで動作し、約5m以内の動きを3秒の出力信号に変換する
- 大きなSOIC-16チップ
BISS0001 は本来赤外線モーションセンサー用だが、このボードではIF信号の増幅・比較からタイマーまで担当している
- RF回路は約3.18GHzの発振器のように見えるが、実際には約20MHzでパルス駆動されており、この構造が超再生受信機のような高感度を生み出している
- 室内では静止反射波が豊富でよく動作するが、屋外のように反射環境が乏しいとセンサー性能は大きく不安定になる
- コンデンサの取り外しと2モジュール構成によりバイスタティックレーダー実験や速度測定が可能だが、一般的な室内モーションセンサーとしては従来の単一モジュール方式のほうが高感度である
基本接続と検出信号
- このセンサーは
VIN に5V、GND に接地、3V3 に1µFのデカップリングコンデンサを接続するだけですぐ動作する
- 約5m以内で人が動くと、
OUT ピンが3秒間3Vに上がる
- ボード上の大きなSOIC-16チップは
BISS0001 で、データシート上では赤外線モーションセンサーチップである
- モーション・速度検出レーダーは連続搬送波を送信し、その受信信号と送信信号を混合して低周波のIF信号を作る
- 動く物体からの反射は送信信号とゆっくり位相がずれ、数Hzレベルのビート周波数を生む
- モーションセンサーでは正確な速度よりも、ミリボルト級の変化を検出できることのほうが重要である
- このモジュールではIF信号が
BISS0001 の14番ピンに入り、16番ピンから増幅されたコピーが出力されるため、オシロスコープで観測しやすい
- ノートPCをセンサー方向へ約40cm移動させた測定では、8個のピークが現れた
- 往復経路の変化80cmが8波長に相当するため、波長は約10cmと計算される
- 実際の波長9.4cmとも大きくは違わない
RF回路と超再生受信構造
- ボード右側では
BISS0001 が増幅器・比較器・タイマーとして動作し、RF関連の動作はボード左側の少数の部品で行われている
- RF回路は一見すると約3.18GHzで動作する単一トランジスタ発振器である
- エミッタのS字パターンはマイクロ波共振器兼アンテナの役割を果たす
- BJTトランジスタがこれを駆動し、共振器と平行な銅パターンが作るコンデンサがフィードバックを与える
- 裏面のリング構造は、別の周波数での発振を防ぐためのものと推定される
- 発振器は手の静電容量やバイアスドリフトだけでも数MHz単位で揺れるほど不安定である
- 実際の動作は約20MHzでパルスする2つの発振器の結合に近い
- 発振が進むにつれて33pFコンデンサの状態が変わり、エミッタ電圧が上昇する
- 発振が維持できなくなると、220Ω抵抗がコンデンサを放電し、数ns以内に発振を再開させる
- このパルシングにより、回路は超再生受信機のように動作する
- トランジスタ利得が1を超えても発振は即座には始まらず、小さな刺激が必要になる
- 共振器内の微小信号が繰り返し増幅されてコンデンサを充電し、周期が再び始まる
- RFがごくわずかにあるだけでも発振開始が早まり、高感度な受信機のように反応する
- オフ時間は約15nsで、2.5mより遠い静止物体からの反射は発振開始中に到達する
- こうした静止反射がレーダーの局部発振器のように働く
- 超再生受信機は、静止反射と移動反射の干渉で生じる振幅変調信号を検出する
- 室内のように反射が多い環境では、動く物体を照射するRFが常に存在する
- 性能は周囲の反射環境に大きく左右される
- 室内ではよく動作する
- 屋外のように都合のよい静止反射がないと、まったく動作しないことも多い
改造実験とバイスタティックレーダー
-
パルシングを除去して送信機にする
- 最初の改造は、20MHzのパルシングを作るコンデンサを取り外す方法である
- これによりセンサーは送信機に変わる
- 発振器のほぼどこにでも信号を加えれば周波数変調が可能である
- 電源をオンオフする方式でオンオフキーイングも可能である
- 超再生部分がなくても、レーダーはある程度動作する
- 発振器自体がミキサーのように受信信号をダウンコンバートする
- ただし利得がないためIF信号は大幅に弱くなり、感度も大きく低下する
-
2モジュール構成の長所と短所
- 2つ目の実験は、改造した送信機の隣に未改造モジュールを受信機として置くバイスタティックレーダー構成である
- 戻ってくる信号ははるかに一貫して現れ、奇妙な振幅変化も消える
- 受信機は送信機のRFを常に強く受けるため、遠方反射信号はさらに弱くなる
- 室内モーションセンサーとしては、この構成のほうが劣る
- トリガーさせるには、センサーに向かうか離れる方向へのかなり大きな動きが必要である
- 従来の単一モジュール方式は、ほぼどんな動きでもトリガーされる
- 2つのモジュールを約1〜2m離すと、単一モジュールより屋外性能が大幅に向上する
- 感度は2モジュール間の領域で最も高い
- 全体性能が優秀と言えるほどではないが、単一モジュールの屋外性能が事実上皆無であることに比べればはるかにましである
-
速度センサーとして使う
- バイスタティック構成は速度センサーとしては良好に動作する
- IFにFFTを適用するか、ゼロクロスを数えることで速度測定が可能である
- 速度は
波長 × ビート周波数 ÷ 2 で計算する
- 例としてビート周波数15Hzと波長9.4cmを使うと、
9.4cm × 15Hz ÷ 2 = 70cm/s = 0.7m/s になる
1件のコメント
Hacker News の意見
2.4GHz Wi-Fi CSI レーダーは、20ドルの ESP32 ボードでも壁越しの検知が可能: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing および https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
Espressif は、静的な環境で人や動物の呼吸、咀嚼のような小さな動きも捉えられると主張しており、ESP32、ESP32-S2、ESP32-C3 などすべての ESP32 系列でハードウェア変更なしに動作するという
2024年型の Intel/Qualcomm ベースの Wi-Fi 7 AI/NPU ノートPCは、RF レーダーとオンデバイス推論を組み合わせて人の活動を識別できる
関連資料: 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...
自宅で在室検知用途に使っており、小さなケースを 3D プリントすれば、20ドル未満で、座ってじっとしていてもきちんと検出できる高精度な在室検知が可能
自動照明や冷暖房制御に最適
完全に非侵襲的に、つまり接触なしで人の心拍を測定する方法を探しているが、Wi-Fi で可能そうに見える（2019年の論文 https://arxiv.org/abs/1908.05108）
ただし、映像解析やサーモグラフィーカメラなど方法はいろいろあっても、手頃な価格の完成品は見つけにくく、最も単純なベッド下設置型の睡眠トラッカーは自分の状況では選択肢にならない
参考: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
HB100 の分解記事を思い出すが、これは少なくとも IC があるので、動作原理をよく知らなくても少し安心できる: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...
PCB 自体が中核部品で、パッチアンテナだけでなく、複数の RF フィルター、局部発振器、ミキサーまで、独特な形状の PCB トレースでほとんど実装されている
PCB 以外に基板上の部品は5個だけで、受動部品5個でドップラーレーダーモジュールを作ったというのは感嘆せざるを得ない
少し脇道にそれますが、こうしたデバイスが人にとって安全なのか気になります
LD2410がいくつかあり、そのうち1つをESPHomeで寝室に使いたいのですが、調べてみると出力は非常に低く、安全そうではあります
それでも一晩中、レーダーがこちらを向いたまま寝ることになるので、できるだけ多くのフィードバックを聞きたいです
電離以外で人に害を及ぼし得るメカニズムは、多量の電力が体に伝わる場合だけで、レーダー送信機の前に立って体を温める兵士のような状況を思い浮かべればよいです
概算すると、https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf のデータシートでは平均電流が5Vで79mAなので、約0.4Wを消費します
そのうち実際に送信される割合を保守的に10〜50%と見積もると40〜200mWで、そのうち1/4を吸収するとしても、組織に吸収される追加電力は10〜50mW程度です
これは安全面でかなり過大に見積もった推定で、別の人が述べていたマイクロワット級の吸収のほうがもっともらしいです
成人の人体が安静時に使う基礎電力は約100Wなので、ミリ波レーダーから吸収される電力より500〜2500倍大きいです
目のように非常に特定かつ敏感な部位にだけ吸収が集中しない限り、バックグラウンドノイズ程度と見てよいでしょう
別の見方として、ポケットに何時間も入れて持ち歩く携帯電話が発するRFと熱放射と比較できます
標準的なエネルギー減衰式 E~R^(-2) を適用すれば、アンテナから実用的な距離だけ離れただけでマイクロワット級まで下がります
ベッドに誰かがいるかどうかは重量センサーで検知し、寝室の動きには従来型のPIRを使っています
過度に慎重なのかもしれませんが、寝ている子どもたちや自分自身に1日12時間ずつレーダーを向けたいとは思いませんでした
上階のWi-Fi APも同様に廊下にだけ置き、最大出力では使っていません
https://www.microwavenews.com
家庭用オートメーションにつながるUSB-Cミリ波レーダーはすでに出ています
価格は11〜20ドル程度で、機能もかなり豊富です
自作したいなら、ESPHome側で進行中の内容を見るとよいです。「esp home mm wave」で検索すれば見つかります
LD2410(B) も選択肢で、UARTで動作します
約$5と少し高いですが、設定オプションがより多いです
そうでないとかなり面倒で、それでも私の場合、4〜5m離れてじっと座っていると、うまく動作せず、退出したと判断されます
Pi PicoのRP2040 MCUも$1なので、安価なハックをするには本当に良い時代です
詳細は https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516 にあります
こうした低価格センサーの多くはあまり気に入っていません
動いている人と回転する扇風機、風で動くカーテンを区別できないことが多いです
ある程度の設定は可能ですが、十分ではなさそうです
もっと高価な選択肢もあるでしょうが、そうした製品はよりクローズドだったり制約が多かったりすることがよくあります
Wiener関数が良いです
アナログ応用もあり、第二次世界大戦中は極秘でした
今では携帯電話とeNodeB間の通信にも使われています