$1 रडार मोशन सेंसर के अंदर

 (10maurycy10.github.io)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-07-01 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • 1 डॉलर से कम कीमत वाला माइक्रोवेव मोशन सेंसर भी सिर्फ 5V पावर और 1µF decoupling capacitor के साथ काम करता है, और करीब 5m के भीतर की हरकत को 3 सेकंड के output signal में बदल देता है
  • बड़ा SOIC-16 chip BISS0001 मूल रूप से infrared motion sensor के लिए है, लेकिन इस board पर यह IF signal को amplify/compare करता है और timer का काम भी संभालता है
  • RF circuit करीब 3.18GHz oscillator जैसा दिखता है, लेकिन असल में यह करीब 20MHz पर pulse होता है, और यही structure super-regenerative receiver जैसी sensitivity बनाता है
  • Indoor में static reflected waves भरपूर होती हैं, इसलिए यह अच्छी तरह काम करता है, लेकिन outdoor जैसे कम-reflection environment में sensor performance बहुत अस्थिर हो जाती है
  • Capacitor हटाने और दो modules की configuration से bistatic radar experiments संभव हैं और speed measurement भी हो सकता है, लेकिन सामान्य indoor motion sensor के तौर पर मौजूदा single-module तरीका ज्यादा sensitive है

बेसिक connection और detection signal

  • यह sensor VIN पर 5V, GND पर ground, और 3V3 पर 1µF decoupling capacitor जोड़ते ही तुरंत काम करता है
    • करीब 5m के भीतर कोई व्यक्ति हिले तो OUT pin 3 सेकंड तक 3V पर चली जाती है
  • Board का बड़ा SOIC-16 chip BISS0001 है, और datasheet के अनुसार यह infrared motion sensor chip है
  • Motion/speed detection radar continuous carrier wave भेजता है और फिर received signal को transmitted signal के साथ mix करके कम frequency वाला IF signal बनाता है
    • Moving object से reflection, transmitted signal से धीरे-धीरे phase में अलग होता जाता है और कुछ Hz स्तर की beat frequency बनाता है
    • Motion sensor के लिए exact speed से ज्यादा millivolt-level changes detect करना महत्वपूर्ण है
  • इस module में IF signal BISS0001 के pin 14 में जाता है, और pin 16 से amplified copy निकलती है जिसे oscilloscope पर देखना आसान होता है
  • Laptop को sensor की तरफ करीब 40cm खिसकाकर की गई measurement में 8 peaks दिखीं
    • Round-trip path change 80cm, 8 wavelengths के बराबर है, इसलिए wavelength करीब 10cm निकली
    • यह actual wavelength 9.4cm से बहुत अलग नहीं है

RF circuit और super-regenerative receiver structure

  • Board के दाईं तरफ BISS0001 amplifier/comparator/timer की तरह काम करता है, और RF-related operation board के बाईं तरफ के थोड़े से components में होता है
  • RF circuit पहली नजर में करीब 3.18GHz पर चलने वाला single-transistor oscillator है
    • Emitter का S-shaped track microwave resonator और antenna का काम करता है
    • BJT transistor इसे drive करता है, और resonator तथा parallel copper track से बनने वाला capacitor feedback देता है
    • पीछे की ring structure शायद दूसरी frequencies पर oscillation रोकने के लिए है
  • Oscillator इतना unstable है कि हाथ की capacitance और bias drift से ही कई MHz तक हिल सकता है
  • असली operation करीब 20MHz पर pulse होने वाले दो oscillators के coupling जैसा है
    • Oscillation आगे बढ़ते समय 33pF capacitor की state बदलती है और emitter voltage बढ़ता है
    • जब oscillation sustain नहीं हो पाता, तो 220Ω resistor capacitor को discharge कर कुछ ns के अंदर oscillation फिर शुरू करा देता है
  • इस pulsing की वजह से circuit super-regenerative receiver की तरह काम करता है
    • Transistor gain 1 से ऊपर होने पर भी oscillation तुरंत शुरू नहीं होता और एक छोटा stimulus चाहिए होता है
    • Resonator के अंदर का छोटा signal बार-बार amplify होकर capacitor को charge करता है और cycle फिर शुरू करता है
    • RF जरा सा भी हो तो oscillation जल्दी शुरू हो जाता है और यह sensitive receiver की तरह respond करता है
  • Off-time करीब 15ns है, और 2.5m से दूर stationary objects के reflections oscillation start होने के दौरान पहुंचते हैं
    • ऐसे static reflections radar के local oscillator की तरह काम करते हैं
    • Super-regenerative receiver static reflection और moving reflection की interference से बनी amplitude-modulated signal को detect करता है
    • Indoor जैसे ज्यादा reflections वाले environment में moving object को illuminate करने वाला RF हमेशा मौजूद रहता है
  • Performance आसपास के reflection environment पर बहुत निर्भर करती है
    • Indoor में यह अच्छी तरह काम करता है
    • Outdoor जैसे convenient static reflections न होने पर कई बार यह बिल्कुल काम नहीं करता

Modification experiments और bistatic radar

  • Pulsing हटाकर transmitter बनाना

    • पहला modification 20MHz pulsing बनाने वाले capacitor को हटाने का तरीका है
    • ऐसा करने पर sensor transmitter में बदल जाता है
    • Oscillator के लगभग किसी भी हिस्से में signal डालकर frequency modulation किया जा सकता है
    • Power को off/on करके on-off keying भी संभव है
    • Super-regenerative हिस्सा न होने पर भी radar कुछ हद तक काम करता है
    • Oscillator खुद mixer की तरह received signal को downconvert करता है
    • लेकिन gain न होने के कारण IF signal काफी कमजोर हो जाता है और sensitivity बहुत घट जाती है

  • दो-module configuration के फायदे और नुकसान

    • दूसरा experiment modified transmitter के पास unmodified module को receiver के रूप में रखने वाला bistatic radar setup है
    • लौटने वाला signal कहीं ज्यादा consistent दिखता है और अजीब amplitude changes भी गायब हो जाते हैं
    • Receiver लगातार transmitter RF को बहुत strong receive करता है, इसलिए दूर के reflected signals ज्यादा कमजोर होते हैं
    • Indoor motion sensor के लिए यह configuration ज्यादा खराब है
      • Trigger के लिए sensor की ओर या उससे दूर दिशा में काफी movement चाहिए
      • मौजूदा single-module तरीका लगभग किसी भी movement पर trigger हो जाता है
    • दोनों modules को करीब 1~2m दूर रखने पर outdoor performance single module से काफी बेहतर हो जाती है
      • Sensitivity दोनों modules के बीच के area में सबसे अच्छी होती है
      • Overall performance को अच्छा कहने लायक नहीं है, लेकिन single module की outdoor performance लगभग न होने से तो यह काफी बेहतर है

  • Speed sensor के रूप में इस्तेमाल

    • Bistatic configuration speed sensor के रूप में अच्छी तरह काम करती है
    • IF पर FFT apply करके या zero crossings गिनकर speed measurement किया जा सकता है
    • Speed की गणना wavelength × beat frequency ÷ 2 से होती है
    • उदाहरण के तौर पर beat frequency 15Hz और wavelength 9.4cm इस्तेमाल करें तो 9.4cm × 15Hz ÷ 2 = 70cm/s = 0.7m/s मिलता है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-07-01
Hacker News की रायें

  • 2.4GHz Wi-Fi CSI radar $20 वाले ESP32 बोर्ड से भी दीवार के पार detection कर सकता है: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing और https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
    Espressif का दावा है कि स्थिर वातावरण में यह इंसानों या जानवरों की सांस लेने, चबाने जैसी छोटी-छोटी हरकतें भी पकड़ सकता है, और ESP32, ESP32-S2, ESP32-C3 समेत पूरी ESP32 series पर बिना hardware बदलाव के काम करता है
    2024 के Intel/Qualcomm आधारित Wi-Fi 7 AI/NPU laptops RF radar और on-device inference को जोड़कर इंसानी गतिविधियों की पहचान कर सकते हैं
    संबंधित सामग्री: 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...

    • Wi-Fi detection भी दिलचस्प है, लेकिन $3 वाले ESP chip में ऐसा module जोड़ दें तो project और आसान व सस्ता हो जाता है: https://www.dfrobot.com/product-2795.html
      मैं इसे घर में presence detection के लिए इस्तेमाल कर रहा हूं, और एक छोटा case 3D print कर लें तो $20 से कम में high-precision presence detection मिल जाता है, जो बैठे-बैठे बिल्कुल स्थिर रहने पर भी अच्छी तरह पकड़ता है
      automatic lighting और heating/cooling control के लिए आदर्श है
    • “Vital Sign Detection & Healthcare” section बहुत दिलचस्प लगा
      मैं पूरी तरह non-invasive, यानी बिना contact के किसी व्यक्ति की heart rate मापने का तरीका ढूंढ रहा हूं, और Wi-Fi से यह संभव लगता है (2019 paper https://arxiv.org/abs/1908.05108)
      हालांकि video analysis, thermal cameras आदि कई तरीके हैं, फिर भी reasonable price वाला finished product मिलना मुश्किल है, और सबसे simple under-bed sleep tracker मेरी स्थिति में विकल्प नहीं है
      संदर्भ: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
    • याद है कि मैंने कहीं देखा था कि AMEX Wi-Fi object detection में निवेश कर रहा था, लेकिन ठीक किसलिए था यह याद नहीं
    • एक ESP और अपने Wi-Fi AP को packet source के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है

  • HB100 teardown article याद आता है, लेकिन इसमें कम से कम IC है, इसलिए working principle ठीक से न पता हो तब भी थोड़ा ज्यादा भरोसा होता है: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...

    • पता नहीं इसे किसने design किया, लेकिन लगता है वह RF waveguide engineering के काले जादू का उस्ताद था
      PCB खुद ही मुख्य component है, और patch antenna ही नहीं बल्कि कई RF filters, local oscillator, mixer तक ज्यादातर अजीब आकार वाले PCB traces से implement किए गए हैं
      PCB के अलावा board पर सिर्फ पांच components हैं, और पांच passive components से Doppler radar module बना देना वाकई दाद देने लायक है
    • इतना शानदार था कि इसे अलग से post किए बिना नहीं रह सका: https://news.ycombinator.com/item?id=40834960

  • थोड़ा अलग बात है, लेकिन मैं सोच रहा हूँ कि क्या ऐसे डिवाइस इंसानों के लिए सुरक्षित हैं
    मेरे पास कुछ LD2410 हैं और उनमें से एक को ESPHome के साथ बेडरूम में इस्तेमाल करना चाहता हूँ। खोजने पर लगा कि output बहुत कम है और सुरक्षित दिखता है
    फिर भी रात भर रडार का हमारी ओर निशाना लगे हुए सोना है, इसलिए जितना हो सके उतना feedback सुनना चाहता हूँ

    • non-ionizing radio waves आम तौर पर इंसानों के लिए सुरक्षित होती हैं
      ionization के अलावा इंसान को नुकसान पहुँचाने वाला mechanism सिर्फ वही है जब शरीर तक बहुत अधिक power पहुँचती है; जैसे रडार transmitter के सामने खड़े होकर शरीर गरम करने वाले सैनिकों की स्थिति सोच सकते हैं
      मोटे हिसाब से देखें तो https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf datasheet में average current 5V पर 79mA है, यानी लगभग 0.4W consume करता है
      उसमें से वास्तव में transmit होने वाला हिस्सा conservative तौर पर 10–50% मानें तो 40–200mW है, और उसका 1/4 absorb हो भी जाए तो tissue में absorb होने वाली extra power करीब 10–50mW होगी
      यह safety के लिहाज से बहुत बढ़ा-चढ़ाकर लगाया गया estimate है, और दूसरों ने जो microwatt स्तर का absorption बताया है वह ज्यादा plausible है
      एक adult human body आराम की अवस्था में जो basic power इस्तेमाल करती है वह लगभग 100W है, यानी millimeter-wave radar से absorb होने वाली power से 500–2500 गुना ज्यादा
      जब तक absorption आँखों जैसे बहुत specific और sensitive हिस्से पर ही concentrated न हो, इसे background noise के स्तर जैसा मान सकते हैं
      दूसरे नजरिए से, घंटों जेब में रखे रहने वाले mobile phone से निकलने वाली RF और heat radiation से तुलना कर सकते हैं
    • कुछ mobile phones का SAR लगभग 2W/kg होता है; उसके मुकाबले 10GHz RF का milliwatt output कुछ भी नहीं है
      standard energy attenuation formula E~R^(-2) लगाएँ तो antenna से practical दूरी पर ही यह microwatt level तक गिर जाता है
    • घर में कई जगह ऐसे device लगाए हैं, लेकिन bedroom में नहीं
      bed पर कोई है या नहीं, यह weight sensor से detect करता हूँ, और bedroom movement के लिए traditional PIR इस्तेमाल करता हूँ
      शायद यह जरूरत से ज्यादा सावधानी हो, लेकिन मैं सोते हुए बच्चों और खुद पर दिन में 12 घंटे radar point नहीं करना चाहता था
      upstairs Wi‑Fi AP भी इसी तरह सिर्फ corridor में रखा है और maximum output पर इस्तेमाल नहीं करता
    • Microwave News site ऐसे devices से जुड़े latest health topics को लगातार cover करती है
      https://www.microwavenews.com

  • home automation से connect होने वाले USB-C millimeter-wave radar पहले से उपलब्ध हैं
    कीमत करीब 11–20 डॉलर है और features भी काफी rich हैं
    अगर खुद बनाना चाहते हैं तो ESPHome side पर चल रहे काम को देखें। “esp home mm wave” search करें

    • ESP32 से खुद बनाना हो तो actual parts cost लगभग $5 है

  • LD2410(B) भी एक option है और UART पर काम करता है
    लगभग $5 में थोड़ा महंगा है, लेकिन configuration options ज्यादा हैं

    • B variant खरीदना बेहतर है, क्योंकि phone से Bluetooth के जरिए configure कर सकते हैं
      वरना काफी झंझट है, और फिर भी मेरे मामले में 4–5m दूर चुपचाप बैठने पर यह ठीक से काम नहीं करता और मुझे बाहर चला गया मान लेता है

  • Pi Pico का RP2040 MCU भी $1 का है, इसलिए सस्ते hacking के लिए वाकई अच्छा समय है

    • अब बस GHz-band oscilloscope की कीमतें नीचे आ जाएँ तो अच्छा होगा

  • ज्यादा detail https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516 पर है

  • ऐसे low-cost sensors मुझे ज्यादातर खास पसंद नहीं आते
    अक्सर ये चलते हुए इंसान और घूमते पंखे, या हवा में हिलते पर्दे में फर्क नहीं कर पाते
    कुछ हद तक configure किया जा सकता है, लेकिन पर्याप्त नहीं लगता
    शायद महंगे options भी होंगे, लेकिन ऐसे products अक्सर ज्यादा closed या limited होते हैं

  • Wiener function अच्छा है
    इसके analog applications भी थे, और Second World War के दौरान यह top secret था
    अब यह mobile phones और eNodeB के बीच communication में भी इस्तेमाल होता है