Porównanie czujników ultradźwiękowych z konwencjonalnymi technologiami pomiaru odległości

Konwencjonalne technologie powszechnie używane do mierzenia odległości pomiędzy obiektami i ustalania ich pozycji obejmują Bluetooth Low-Energy (BLE), urządzenia śledzące oparte o RFID, układy ultraszerokopasmowe (UWB) i czujniki ultradźwiękowe. Mówiąc o czujnikach szerokopasmowych mamy na uwadze komunikację bezprzewodową, wykorzystująca szerokie pasmo, stanowiące ponad 20% lub ponad 500 MHz.

Jakie są kluczowe wymagania dotyczące rzeczywistych zastosowań alarmów odległości społecznej i śledzenia kontaktów w dzisiejszym środowisku?

‘Dokładność pomiaru odległości, niskie zużycie energii dla zapewnienia dłuższej żywotności baterii oraz mniejsze i niezawodne urządzenie z niemal zerowymi fałszywymi ostrzeżeniami’ mówi Joseph Bousaba, prezes Chirp Microsystems, firmy z grupy TDK, która zajmuje się rozwojem czujników ultradźwiękowych.

Rysunek 1: Porównanie technologii stosowanych w czujnikach do pomiarów dystansu. Źródło: Ultrasonic Sensors Can Measure Distances Between Workers Instantaneously ©TDK

Pomiar odległości w przypadku czujników ultradźwiękowych jest bardzo dokładny i wynosi mniej niż 1 cm. W przypadku UWB jest to już 10 cm, a w przypadku BLE, nawet kilka metrów, co nie wystarcza na przykład do wykrycia dwóch osób zbliżających się do zalecanej podczas pandemii bezpiecznej odległości około 2 m. Co więcej, czujniki ultradźwiękowe zużywają znacznie mniej energii niż UWB, dzięki czemu mały, kompaktowy tag zbliżeniowy może działać kilka dni na jednym ładowaniu akumulatora.

Praktyczne zastosowanie czujnika ultradźwiękowego w systemie monitoringu dystansu społecznego

CH101, opracowany przez firmę Chirp, to ultradźwiękowy czujnik ToF, który łączy w sobie piezoelektryczny przetwornik ultradźwiękowy (PMUT), energooszczędny cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) i zasilanie CMOS ASIC w obudowie o wymiarach zaledwie 3.5 mm × 3.5 mm. Przetwornik ultradźwiękowy zamontowany na czujniku przesyła impuls ultradźwiękowy i odbiera falę odbitą od obiektu. Korzystając z technologii ToF, można dokładnie wykryć odległość od obiektu. Dzięki daleko idącej miniaturyzacji, czujnik CH101 może być integrowany z takimi produktami jak identyfikatory noszone przez pracowników.

Tagi lub identyfikatory mogą służyć zarówno do wywoływania alarmów, dotyczących dystansu społecznego, jak i do śledzenie kontaktów. Kiedy dwóch pracowników noszących zawieszkę zbliży się na odległość 6 stóp (około 1,83 m) od siebie, zawieszki mogą wydać ostrzeżenie. Co więcej, implementacja BLE do konstrukcji tagu umożliwia mu rejestrowanie spotkania z innymi i przechowywanie historii spotkań w bazie danych. Jeśli okaże się, że pracownik jest zarażony, można prześledzić wszystkie jego kontakty. 

Joseph Bousaba kładzie również nacisk na zużycie energii. ‘UWB działa podczas wyszukiwania innych urządzeń, co stale utrzymuje je w trybie parowania, a tym samym zwiększa zużycie energii, podczas gdy czujniki ultradźwiękowe znacznie zmniejszają zużycie energii’. Generalnie, układ UWB zużywa około 400 mW w trybie odbioru, podczas gdy czujniki ultradźwiękowe Chirp wymagają do działania 0,7 mW, co oznacza ponad 500 razy mniejszą moc. Według Bousaba, nie przewiduje się konieczności ładowania baterii przez tydzień (tj. około 40 godzin) rzeczywistego użytkowania. Minimalizacja kosztów doładowania to kolejny kluczowy czynnik z punktu widzenia osób odpowiedzialnych na monitoring w fabrykach o dużej liczbie pracowników.

Źródło: © TDK