超聲波傳感器可即時測量員工之間的距離

為了減少 COVID-19 的傳播，辦公室和工廠需要創(chuàng)造一個能保障員工之間社交距離和安全生產(chǎn)工作的環(huán)境。作為一種可準確測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。對企業(yè)來說，降低那些會危及供應(yīng)鏈、企業(yè)聲譽和生產(chǎn)力的感染風(fēng)險也非常重要，更不用說創(chuàng)造一個讓員工安心工作的環(huán)境了。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，世界各地的公司都在尋求切實可行的解決方案，包括確保員工之間保持社交距離的警報以及能夠追蹤與感染者接觸軌跡的標簽。

企業(yè)中感染 COVID-19 的風(fēng)險

超聲波傳感器與常規(guī)距離傳感技術(shù)的比較

在測量人/物體的距離和確定其位置時，常用的常規(guī)技術(shù)包括：低功耗藍牙 (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，實際應(yīng)用中的社交距離警報和接觸追蹤主要有哪些要求？用 Chirp Microsystems（TDK 集團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“距離測量的準確度、低功耗以延長電池使用時間、設(shè)備更加小巧可靠，以及誤報率接近零。

基于超聲波傳感器的社交距離解決方案的主要特點

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

多項距離傳感技術(shù)的比較

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

使用超聲波傳感器的社交距離解決方案的實際應(yīng)用

由Chirp 開發(fā)的 CH101 是一款超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器，它將壓電微機械超聲波換能器 (PMUT)^*5、高能效數(shù)字信號處理器 (DSP)^*6 和低功耗 CMOS ASIC 整合到一個大小僅有 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。借助這種飛行時間 (ToF) 法，可以準確地檢測到物體的距離。與傳統(tǒng)的超聲波傳感器相比，CH101 具有顯著的小型化特點，可集成到諸如可穿戴標簽和員工工牌等產(chǎn)品中。

超聲波傳感器 CH101

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

“標簽或工牌可同時支持社交距離警報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。當兩個佩戴標簽的員工相距約 1.83 米時，標簽會發(fā)出警告聲。此外，通過集成 BLE，標簽還可以記錄與他人的接觸情況，并將接觸歷史存儲到數(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簽示例
（右）標簽可以檢測到佩戴人員的彼此靠近并會立即發(fā)出警報。

“基于超聲波的傳感器可讓社交距離的誤報率接近零”，Bousaba 表示。由于超聲波通過空氣傳播來測量距離，因此它檢測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)今的工作場所常常利用墻壁或有機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，因此當人員彼此靠近但有這類屏障隔開時，UWB 可能會產(chǎn)生誤報。

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）可能會在人員彼此靠近但有墻壁或玻璃隔開時產(chǎn)生誤報。
（右）超聲波通過空氣確定是否存在接觸，幾乎沒有誤報。

此外，Bousaba 還特別強調(diào)了功耗問題?！癠WB 在工作時會一直搜索其他設(shè)備，這使得它始終處于配對狀態(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，在實際應(yīng)用中，一周內(nèi)（約 40 小時）無需為電池充電。對于擁有大量員工的工廠而言，可最大程度地降低維護成本也是一個關(guān)鍵因素。

Chirp 的超聲波傳感器實現(xiàn)了高精度、小型化和低功耗，因此這項技術(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。“非常高興我們的技術(shù)能有機會造福人類?！?/p>

術(shù)語

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

2   低功耗藍牙 (BLE)：藍牙標準的一部分，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：一項通過接收器接收 RFID（射頻識別）標簽上記錄的信息，以此來實時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)字信號處理器）：一種專門設(shè)計用于處理數(shù)字信號的微處理器（即實現(xiàn)所謂 CPU 功能的芯片）。