Сижу я тут намедни в опенспейсе. Работаю. Ну вот понадобилось мне срочно. На улице — почти ночь, никого, кроме меня, нет. Тишина… И тут выключается свет. Едрит-мадрид, я чуть ёжика не родил. А оказалось, владелец опенспейса для борьбы с клиентами, забывающими выключать свет, поставил датчики присутствия — пока люди есть, свет горит, как все ушли — выключится автоматически. А тут я сижу думаю, не двигаюсь, ну вот он свет и выключил.
Вот эта ситуация — классика. Датчики присутствия, которые должны включать свет, когда кто-то заходит, и выключать, когда все ушли, иногда ведут себя странно. И вот тут возникает вопрос: а как они вообще понимают, что в комнате кто-то есть? Инфракрасные — это понятно, все про них слышали. А есть ли что-то ещё?
Инфракрасные — просто и дёшево
Начнём с классики. Пассивный инфракрасный датчик, или PIR — тот самый, который чаще всего стоит в подъездах и офисах. Работает он до безобразия просто: улавливает тепловое излучение от человеческого тела. Внутри стоит пироэлектрический сенсор, а перед ним — линза Френеля, которая разбивает пространство на секторы. Когда вы проходите мимо, вы пересекаете эти секторы, и датчик фиксирует изменение. Всё, сигнал пошёл.
Проблема в том, что PIR реагирует именно на движение и изменение тепла. Если вы сидите неподвижно, датчик вас просто не видит. Он думает: «Ага, теплового пятна нет, движения нет, значит, все ушли». И выключает свет. Вот та самая история из опенспейса. Ещё PIR может срабатывать от обогревателя, от солнечных лучей, от тёплого ветра из окна — в общем, от всего, что меняет температуру в комнате. Так что инфракрасный датчик — это дёшево и сердито, но для «умного дома» его одного маловато.
Ультразвуковые — как летучая мышь
Дальше — ультразвуковые датчики. Это активная технология: датчик посылает звуковые волны высокой частоты (обычно 30–50 кГц, человек их не слышит) и слушает, как они отражаются от объектов в комнате. Если волны отражаются от чего-то движущегося, датчик понимает: «О, там кто-то есть». Работает это примерно как эхолокация у летучих мышей, только в промышленных масштабах.
Ультразвук хорош тем, что ему плевать на температуру и на то, во что вы одеты. Он видит движение даже за лёгкими препятствиями, например, за стеклом или тонкой перегородкой. Но есть и минусы: он может срабатывать от домашних животных, от штор, которые колышутся от сквозняка, и даже от робота-пылесоса. А ещё некоторые люди (и животные) подсознательно слышат этот ультразвук и он их раздражает. Так что в спальне такой датчик лучше не ставить.
Микроволновые — доплеровский радар
Микроволновые датчики — это уже серьёзнее. Они работают по принципу доплеровского радара: излучают электромагнитные волны высокой частоты и анализируют, как меняется отражённый сигнал от движущихся объектов. Если объект движется, частота отражённой волны меняется — это и есть эффект Доплера. Датчик это улавливает и говорит: «Ага, шевелятся».
Микроволновый датчик присутствия может «видеть» сквозь тонкие стены и перегородки, ему не нужна прямая видимость. Он чувствителен даже к очень слабым движениям — например, к дыханию. Но именно из-за этой чувствительности он может срабатывать от движения за стеной (соседи, лифт, деревья за окном). И ещё один момент: некоторые люди относятся к микроволновому излучению настороженно, хотя мощность таких датчиков в сотни раз ниже, чем у микроволновки.
Миллиметровый радар — самый точный
А вот это — уже топчик. Миллиметровый радар (mmWave) работает на частотах 60 ГГц и выше. Он использует FMCW-модуляцию (частотно-модулированное непрерывное излучение): посылает «чирпы» — короткие импульсы, частота которых меняется, и анализирует отражённый сигнал. Это позволяет измерять не только расстояние до объекта, но и его скорость, и даже угол прихода сигнала.
Главная фишка: миллиметровый радар видит микродвижения. Он может засечь, как поднимается и опускается ваша грудная клетка, когда вы дышите. Он видит, как бьётся сердце (по микросмещениям тела). Он понимает, что вы сидите на диване и читаете книгу, даже если вы вообще не шевелитесь. Кстати, именно на миллиметровом радаре работает датчик присутствия от Яндекса: он сканирует пространство и «видит» человека, даже если тот почти не двигается.
Минус у миллиметрового радара один — цена. Он дороже инфракрасного и ультразвукового. Но если вам нужно, чтобы свет не выключался, пока вы сидите за рабочим столом, — это ваш выбор.
Wi-Fi CSI — датчик без датчика
А теперь — самое интересное. Оказывается, датчик присутствия не обязательно должен быть отдельной железкой. Можно использовать… Wi-Fi. Технология называется Wi-Fi CSI (Channel State Information). Суть в том, что Wi-Fi-роутер постоянно обменивается сигналами с устройствами в доме. Эти сигналы отражаются от стен, мебели, людей. Если в комнате кто-то есть, характеристики сигнала меняются. Система анализирует эти изменения (амплитуду и фазу сигнала на разных поднесущих частотах) и делает вывод: «В комнате кто-то есть».
Причём Wi-Fi CSI может улавливать даже дыхание — по микродвижениям грудной клетки, которые влияют на радиоволны. И для этого не нужен никакой дополнительный сенсор — достаточно обычного роутера и специального софта. Звучит как магия, но это работает. Правда, точность пока ниже, чем у миллиметрового радара, и зависит от количества устройств в сети.
Другие методы — ToF, камеры, тепловизоры
Есть ещё time-of-flight (ToF) датчики — они измеряют время, за которое свет (или инфракрасный импульс) долетает до объекта и возвращается. Это позволяет строить карту глубины и понимать, где находится человек. Тепловизоры улавливают тепловое излучение и могут видеть людей даже в полной темноте, но они дорогие и могут вызывать вопросы с приватностью.
Камеры с компьютерным зрением — тоже вариант. Они могут распознавать позы, считать количество людей, определять, сидит человек или стоит. Но тут вступает в игру конфиденциальность: не всем нравится, когда в комнате стоит камера, которая постоянно смотрит. Поэтому в умном доме камеры для датчиков присутствия используют реже, чем радары.
Что в итоге?
Датчики присутствия — это не одна технология, а целый спектр решений. Инфракрасные — дёшево и просто, но видят только движение. Ультразвуковые — видят движение, но могут раздражать животных. Микроволновые — чувствительные, но могут ошибаться от соседей за стеной. Миллиметровые радары — точные, видят даже дыхание, но дорогие. Wi-Fi CSI — вообще без сенсора, но пока не так точны.
И вот сидишь ты такой, читаешь всё это, и думаешь: «Ну и как выбрать?» А ответ простой: под задачу. Для коридора хватит инфракрасного. Для офиса, где люди сидят неподвижно, — миллиметровый радар. Для умного дома с зонированием — тоже радар, как у Яндекса. А для сигнализации, где главное — засечь движение, можно и микроволновый.
Так что датчик присутствия — это не панацея, он достаточно часто ошибается. Поэтому для важных ситуаций — например, для хорошей сигнализации, датчиков ставят несколько, и разных принципов действия. Ну а для самых простых моментов — например, для подъездных лампочек, хватит и инфракрасного.
