- Auch ein Mikrowellen-Bewegungssensor für unter 1 Dollar funktioniert mit nur einer 5-V-Versorgung und einem 1-µF-Entkopplungskondensator und wandelt Bewegungen in etwa 5 m Entfernung in ein 3 Sekunden langes Ausgangssignal um
- Der große SOIC-16-Chip
BISS0001ist ursprünglich für Infrarot-Bewegungssensoren gedacht, übernimmt auf diesem Board aber die Verstärkung und den Vergleich des IF-Signals sowie den Timer - Die HF-Schaltung sieht aus wie ein Oszillator bei etwa 3,18 GHz, wird tatsächlich aber mit etwa 20 MHz gepulst; diese Struktur erzeugt die Empfindlichkeit ähnlich wie bei einem Superregenerativempfänger
- In Innenräumen funktioniert er gut, weil es reichlich stationäre Reflexionen gibt; im Freien, wo die Reflexionsumgebung fehlt, schwankt die Sensorleistung stark
- Durch Entfernen eines Kondensators und eine Zwei-Modul-Konfiguration sind Experimente mit bistatischem Radar und auch Geschwindigkeitsmessungen möglich, als gewöhnlicher Indoor-Bewegungssensor ist die bisherige Ein-Modul-Variante jedoch empfindlicher
Grundanschluss und Detektionssignal
- Dieser Sensor funktioniert sofort, wenn man 5 V an
VIN, Masse anGNDund einen 1-µF-Entkopplungskondensator an3V3anschließt- Bewegt sich eine Person in etwa 5 m Entfernung, steigt der Pin
OUTfür 3 Sekunden auf 3 V
- Bewegt sich eine Person in etwa 5 m Entfernung, steigt der Pin
- Der große SOIC-16-Chip auf dem Board ist ein
BISS0001; laut Datenblatt handelt es sich um einen Chip für Infrarot-Bewegungssensoren - Bewegungs- und Geschwindigkeitsradare senden eine kontinuierliche Trägerwelle aus und mischen anschließend das Empfangssignal mit dem Sendesignal, um ein niederfrequentes IF-Signal zu erzeugen
- Die Reflexion eines bewegten Objekts verschiebt sich gegenüber dem Sendesignal langsam in der Phase und erzeugt eine Schwebungsfrequenz im Bereich weniger Hertz
- Für Bewegungssensoren ist das Erkennen von Änderungen im Millivoltbereich wichtiger als eine genaue Geschwindigkeitsmessung
- In diesem Modul gelangt das IF-Signal auf Pin 14 des
BISS0001; an Pin 16 kommt eine verstärkte Kopie heraus, die sich gut mit dem Oszilloskop betrachten lässt - Bei einer Messung, bei der ein Laptop um etwa 40 cm in Richtung Sensor bewegt wurde, erschienen 8 Peaks
- Eine Änderung der Hin- und Rückwegstrecke um 80 cm entspricht 8 Wellenlängen, daher ergibt sich eine Wellenlänge von etwa 10 cm
- Das liegt nicht weit von der tatsächlichen Wellenlänge von 9,4 cm entfernt
HF-Schaltung und superregenerative Empfangsstruktur
- Auf der rechten Seite des Boards arbeitet der
BISS0001wie Verstärker, Komparator und Timer; die HF-bezogenen Vorgänge finden in den wenigen Bauteilen auf der linken Seite des Boards statt - Auf den ersten Blick ist die HF-Schaltung ein Ein-Transistor-Oszillator, der bei etwa 3,18 GHz arbeitet
- Die S-förmige Leiterbahn am Emitter dient als Mikrowellenresonator und Antenne
- Ein BJT-Transistor treibt sie an, und ein Kondensator, der durch den Resonator und eine parallele Kupferleiterbahn gebildet wird, liefert die Rückkopplung
- Die Ringstruktur auf der Rückseite dient vermutlich dazu, Oszillationen bei anderen Frequenzen zu verhindern
- Der Oszillator ist so instabil, dass schon die Kapazität einer Hand und Bias-Drift ihn um mehrere MHz verschieben können
- Der tatsächliche Betrieb ähnelt eher der Kopplung zweier Oszillatoren, die mit etwa 20 MHz gepulst werden
- Während die Oszillation läuft, ändert sich der Zustand des 33-pF-Kondensators, und die Emitterspannung steigt
- Wenn die Oszillation nicht mehr aufrechterhalten werden kann, entlädt der 220-Ω-Widerstand den Kondensator und startet die Oszillation innerhalb weniger ns neu
- Durch dieses Pulsing arbeitet die Schaltung wie ein Superregenerativempfänger
- Selbst wenn die Transistorverstärkung größer als 1 ist, startet die Oszillation nicht sofort, sondern benötigt einen kleinen Anstoß
- Ein kleines Signal im Resonator wird wiederholt verstärkt, lädt den Kondensator und startet den Zyklus erneut
- Schon sehr wenig HF lässt die Oszillation früher beginnen, sodass die Schaltung wie ein empfindlicher Empfänger reagiert
- Die Auszeit beträgt etwa 15 ns; Reflexionen von stationären Objekten, die weiter als 2,5 m entfernt sind, treffen während des Starts der Oszillation ein
- Solche stationären Reflexionen wirken wie der Lokaloszillator des Radars
- Der Superregenerativempfänger detektiert das amplitudenmodulierte Signal, das durch Interferenz zwischen stationären und bewegten Reflexionen entsteht
- In Umgebungen mit vielen Reflexionen, etwa in Innenräumen, ist immer HF vorhanden, die ein bewegtes Objekt beleuchten kann
- Die Leistung hängt stark von der Reflexionsumgebung ab
- In Innenräumen funktioniert er gut
- Im Freien, wo es keine praktischen stationären Reflexionen gibt, funktioniert er häufig überhaupt nicht
Modifikationsversuche und bistatisches Radar
-
Einen Sender durch Entfernen des Pulsings bauen
- Die erste Modifikation besteht darin, den Kondensator zu entfernen, der das 20-MHz-Pulsing erzeugt
- Dadurch wird der Sensor zu einem Sender
- Gibt man fast irgendwo im Oszillator ein Signal hinein, ist Frequenzmodulation möglich
- Durch Ein- und Ausschalten der Versorgung ist auch On-Off-Keying möglich
- Auch ohne den superregenerativen Teil funktioniert das Radar in gewissem Maße
- Der Oszillator selbst konvertiert das Empfangssignal wie ein Mixer nach unten
- Allerdings gibt es keine Verstärkung, sodass das IF-Signal deutlich schwächer wird und die Empfindlichkeit stark sinkt
-
Vor- und Nachteile einer Zwei-Modul-Konfiguration
- Das zweite Experiment ist eine bistatische Radar-Konfiguration, bei der ein unverändertes Modul als Empfänger neben einem modifizierten Sender platziert wird
- Das zurückkommende Signal erscheint deutlich konsistenter, und seltsame Amplitudenänderungen verschwinden ebenfalls
- Da der Empfänger ständig starkes HF-Signal vom Sender erhält, sind entfernte Reflexionssignale schwächer
- Als Indoor-Bewegungssensor ist diese Konfiguration schlechter
- Zum Auslösen ist eine deutliche Bewegung in Richtung des Sensors oder von ihm weg nötig
- Die bisherige Ein-Modul-Variante löst bei nahezu jeder Bewegung aus
- Wenn die beiden Module etwa 1–2 m voneinander entfernt platziert werden, ist die Outdoor-Leistung deutlich besser als mit einem einzelnen Modul
- Die Empfindlichkeit ist im Bereich zwischen den beiden Modulen am höchsten
- Die Gesamtleistung ist nicht wirklich gut, aber deutlich besser als die praktisch nicht vorhandene Outdoor-Leistung eines einzelnen Moduls
-
Verwendung als Geschwindigkeitssensor
- Die bistatische Konfiguration funktioniert gut als Geschwindigkeitssensor
- Durch Anwenden einer FFT auf das IF oder durch Zählen der Nulldurchgänge lässt sich die Geschwindigkeit messen
- Die Geschwindigkeit berechnet sich als
Wellenlänge × Schwebungsfrequenz ÷ 2 - Verwendet man beispielsweise eine Schwebungsfrequenz von 15 Hz und eine Wellenlänge von 9,4 cm, ergibt sich
9,4 cm × 15 Hz ÷ 2 = 70 cm/s = 0,7 m/s
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
2,4-GHz-Wi-Fi-CSI-Radar kann selbst mit einem 20-$-ESP32-Board eine Erkennung durch Wände hindurch ermöglichen: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing und https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
Espressif behauptet, dass selbst kleine Bewegungen wie Atmung oder Kauen von Menschen oder Tieren in statischen Umgebungen erfasst werden können, und dass dies auf der gesamten ESP32-Familie wie ESP32, ESP32-S2 und ESP32-C3 ohne Hardwareänderungen funktioniert.
Wi-Fi-7-AI/NPU-Laptops auf Intel-/Qualcomm-Basis des Modelljahrs 2024 können RF-Radar mit On-Device-Inferenz kombinieren, um menschliche Aktivitäten zu identifizieren.
Verwandte Materialien: 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...
Ich nutze es zu Hause für Anwesenheitserkennung, und mit einem kleinen 3D-gedruckten Gehäuse ist für unter 20 $ eine hochpräzise feste Anwesenheitserkennung möglich, die selbst sitzende, regungslose Personen zuverlässig erfasst.
Ideal für automatische Beleuchtung und Heizungs-/Klimasteuerung.
Ich suche nach einer Möglichkeit, den Herzschlag einer einzelnen Person vollständig nichtinvasiv, also kontaktlos, zu messen, und mit Wi-Fi scheint das möglich zu sein (Paper von 2019 https://arxiv.org/abs/1908.05108).
Es gibt zwar viele Methoden wie Videoanalyse und Wärmebildkameras, aber ein vernünftig bepreistes Fertigprodukt ist schwer zu finden, und der einfachste Schlaf-Tracker unter dem Bett ist in meiner Situation keine Option.
Siehe auch: https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
Das erinnert mich an den HB100-Teardown, aber hier gibt es wenigstens ein IC, sodass man sich etwas sicherer fühlt, auch wenn man die Funktionsweise nicht genau versteht: https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...
Die PCB selbst ist die Schlüsselkomponente, und nicht nur die Patch-Antenne, sondern auch mehrere RF-Filter, der lokale Oszillator und der Mischer sind größtenteils als ungewöhnlich geformte PCB-Traces umgesetzt.
Abgesehen von der PCB gibt es nur fünf Bauteile auf der Platine, und ein Doppler-Radarmodul mit fünf passiven Bauteilen gebaut zu haben, ist einfach bewundernswert.
Etwas am Rande, aber ich frage mich, ob solche Geräte für Menschen sicher sind.
Ich habe ein paar LD2410, und eines davon würde ich gern mit ESPHome im Schlafzimmer verwenden; nach etwas Recherche scheint die Ausgangsleistung sehr niedrig und damit wohl sicher zu sein.
Trotzdem schläft man damit die ganze Nacht, während das Radar auf uns gerichtet ist, daher hätte ich gern möglichst viel Feedback dazu.
Abgesehen von Ionisation gibt es im Wesentlichen nur dann einen Mechanismus, der Menschen schaden kann, wenn dem Körper viel Leistung zugeführt wird; man kann dabei an Soldaten denken, die vor einem Radarsender stehen und dadurch aufgewärmt werden.
Grob überschlagen liegt der mittlere Strom laut Datenblatt https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf bei 79 mA an 5 V, das heißt, das Gerät verbraucht etwa 0,4 W.
Nimmt man davon konservativ an, dass tatsächlich 10–50 % abgestrahlt werden, dann sind das 40–200 mW, und selbst wenn davon 1/4 absorbiert würde, läge die zusätzlich im Gewebe absorbierte Leistung nur bei etwa 10–50 mW.
Das ist für die Sicherheitsbetrachtung schon eine bewusst hohe Schätzung; die von anderen erwähnte Absorption im Mikrowatt-Bereich erscheint plausibler.
Der Grundumsatz eines erwachsenen menschlichen Körpers in Ruhe liegt bei etwa 100 W und ist damit 500–2500-mal höher als die von einem Millimeterwellenradar absorbierte Leistung.
Solange die Absorption nicht ausschließlich auf sehr spezifische und empfindliche Bereiche wie die Augen konzentriert wird, kann man das praktisch als Hintergrundrauschen betrachten.
Aus einer anderen Perspektive kann man es mit der RF- und Wärmestrahlung eines Mobiltelefons vergleichen, das man stundenlang in der Tasche trägt.
Wendet man das Standardgesetz der Energieabschwächung E~R^(-2) an, fällt es schon in kurzem praktischem Abstand zur Antenne auf den Mikrowatt-Bereich ab.
Ob jemand im Bett liegt, erkenne ich mit einem Gewichtssensor, und für Bewegung im Schlafzimmer nutze ich einen klassischen PIR.
Vielleicht ist das übervorsichtig, aber ich wollte weder auf mich selbst noch auf schlafende Kinder 12 Stunden am Tag Radar richten.
Den Wi‑Fi-AP im Obergeschoss behandle ich ähnlich: Er steht nur im Flur und läuft nicht mit maximaler Leistung.
https://www.microwavenews.com
USB-C-Millimeterwellenradar, das sich in die Heimautomatisierung einbinden lässt, gibt es bereits.
Es kostet etwa 11–20 Dollar und bietet ziemlich viele Funktionen.
Wenn du es selbst bauen willst, schau dir an, was gerade rund um ESPHome passiert. Suche einfach nach „esp home mm wave“.
LD2410(B) ist ebenfalls eine Option und arbeitet über UART.
Mit rund $5 ist es etwas teurer, bietet aber mehr Konfigurationsmöglichkeiten.
Andernfalls ist es ziemlich umständlich, und selbst dann funktioniert es bei mir nicht zuverlässig, wenn ich 4–5 m entfernt still sitze; dann wird fälschlich erkannt, dass ich weggegangen bin.
Auch der RP2040 MCU im Pi Pico kostet $1, also ist es wirklich eine großartige Zeit für günstige Hacks.
Mehr Details gibt es unter https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516
Die meisten dieser billigen Sensoren gefallen mir nicht besonders.
Oft können sie bewegte Menschen nicht von einem rotierenden Ventilator oder vom Wind bewegten Vorhängen unterscheiden.
Man kann zwar einiges konfigurieren, aber es wirkt nicht ausreichend.
Es gibt vermutlich teurere Alternativen, doch solche Produkte sind oft noch geschlossener oder stärker eingeschränkt.
Die Wiener-Funktion ist gut.
Es gab auch analoge Anwendungen, und im Zweiten Weltkrieg war sie streng geheim.
Heute wird sie auch für die Kommunikation zwischen Mobiltelefonen und eNodeB verwendet.