低功耗藍(lán)牙（BLE）與超聲波技術(shù)的對比分析

Chirp超聲波傳感器還可在兩個(gè)標(biāo)簽接近時(shí)實(shí)現(xiàn)低延遲探測。這種情況會在1秒內(nèi)完成，通過超聲波直接進(jìn)行標(biāo)簽間的通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。超聲波傳感器還能提供高達(dá)180度的水平視場探測。如果需要實(shí)現(xiàn)360度探測，則需要兩個(gè)傳感器。

超聲波傳感器可能是實(shí)現(xiàn)社交接觸追蹤和監(jiān)督社交距離的最合適的無線技術(shù)。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，TDK全資子公司Chirp Microsystems(以下簡稱：Chirp)董事長Joseph Bousaba近期在接受EE Times采訪時(shí)表示，MEMS超聲波ToF傳感器追蹤社交接觸“更準(zhǔn)確、更可靠、更省電、更經(jīng)濟(jì)”。

接近探測技術(shù)用于保持社交距離(來源：Chirp)

新冠疫情已持續(xù)數(shù)月，《財(cái)富》全球500強(qiáng)企業(yè)都迫切地期望讓員工回到貨倉和生產(chǎn)車間，因此企業(yè)都在尋找一種能在員工違反社交距離預(yù)防措施或者彼此距離過近時(shí)提醒他們的應(yīng)用或可穿戴設(shè)備。同時(shí)企業(yè)還希望這些可穿戴設(shè)備能夠記錄員工何時(shí)、與誰接觸以及密切接觸的時(shí)長。

社交追蹤領(lǐng)域：無線技術(shù)競相角逐

可實(shí)現(xiàn)社交追蹤的嵌入式器件能被制造成各種形式和形狀。希望實(shí)現(xiàn)此類技術(shù)的公司正在探索選擇，嘗試在包括腕帶、系繩夾、徽章及標(biāo)簽在內(nèi)的各類產(chǎn)品中嵌入無線技術(shù)。

可實(shí)現(xiàn)社交追蹤的無線技術(shù)包括：低功耗藍(lán)牙(BLE)、射頻識別(RFID)跟蹤器、超寬帶(UWB)以及超聲波傳感器，Chirp的MEMS超聲波飛行時(shí)間(ToF)測距傳感器就能實(shí)現(xiàn)該功能。

Bousaba解釋道：“這種功能對器件的主要要求有測距精度高、低功耗、更長的電池壽命、更小的器件尺寸及更高的可靠性。”正是考慮到這些要求，符合支持監(jiān)督社交距離和接觸者追蹤的技術(shù)就只能是超寬帶和超聲波傳感器了。

顯然，精確度是測量社交距離的最大障礙。超聲波可提供小于1 cm測量精度。相比之下，超寬帶的測量精度約為10 cm ~ 20 cm，而低功耗藍(lán)牙的測量精度僅為1 m ~ 2m。Chirp的聯(lián)合創(chuàng)始人、首席技術(shù)官兼工程師David Horsley認(rèn)為，單憑這一點(diǎn)就能說明，低功耗藍(lán)牙并不適合測量社交距離。

針對測量社交距離，低功耗藍(lán)牙還有另一個(gè)致命弱點(diǎn)。起初，低功耗藍(lán)牙被推薦用于追蹤接觸者，是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)已存在于智能手機(jī)中。例如，挪威就采用了一種集中化方法設(shè)計(jì)了一款名為Smittestopp(意思為“傳染停止”)的應(yīng)用來追蹤接觸者。該應(yīng)用可通過手機(jī)內(nèi)置的藍(lán)牙和GPS定位來收集用戶數(shù)據(jù)。挪威數(shù)據(jù)監(jiān)察局(Norwegian data inspectorate)上周針對隱私問題，臨時(shí)禁止了與該應(yīng)用相關(guān)的個(gè)人數(shù)據(jù)處理。

Horsley認(rèn)為，這表明手機(jī)并不是追蹤接觸者的理想設(shè)備。

無線技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)監(jiān)督社交距離和追蹤接觸者?

顯然，普通大眾使用的智能手機(jī)并不能解決數(shù)據(jù)隱私問題。但基于無線技術(shù)的可穿戴設(shè)備究竟將如何在企業(yè)內(nèi)部工作呢?

Horsley解釋道，標(biāo)簽(或徽章)可支持監(jiān)督社交距離和接觸者追蹤。當(dāng)一名員工與另一名員工相距小于6英尺時(shí)，該標(biāo)簽就會點(diǎn)亮或發(fā)出聲音警示。標(biāo)簽還會自動(dòng)記錄兩員工之間的偶遇，并將數(shù)據(jù)存儲在標(biāo)簽中。

標(biāo)簽(或徽章)也可以搭載低功耗藍(lán)牙或ZigBee，在員工輪班結(jié)束時(shí)即可連接到數(shù)據(jù)庫。因此，如果任何員工第二天檢測出新冠病毒(Covid-19)呈陽性，就可以追蹤到與他接觸的所有人。

每個(gè)系統(tǒng)公司都可以設(shè)計(jì)自己的標(biāo)簽(或徽章)。Chirp分享了超聲波標(biāo)簽的參考設(shè)計(jì)

Chirp超聲波標(biāo)簽參考設(shè)計(jì)

上圖為Chirp應(yīng)用MEMS超聲波ToF測距傳感器CH101的超聲波標(biāo)簽參考設(shè)計(jì)。CH101傳感器封裝尺寸為3.5 mm x 3.5 mm，參考設(shè)計(jì)在定制的低功耗混合信號CMOS ASIC上集成了MEMS超聲傳感器和低功耗數(shù)字信號處理器(DSP)。

該傳感器可實(shí)現(xiàn)多種超聲波信號處理功能，為客戶提供靈活的工業(yè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，適用于包括距離測定、存在/接近傳感、目標(biāo)探測/躲避以及位置跟蹤等在內(nèi)的廣泛用例場景。

超寬帶(UWB)、低功耗藍(lán)牙(BLE)與超聲波技術(shù)的對比分析

在眾多用于監(jiān)督社交距離和接觸者追蹤的無線技術(shù)中，Chirp的MEMS超聲波技術(shù)的優(yōu)勢是什么?四種無線技術(shù)的對比分析

四種測距技術(shù)的比較

如上圖所示，值得關(guān)注的指標(biāo)為尺寸和功耗。由于超寬帶需要天線，因此基于超寬帶的解決方案最終均比低功耗藍(lán)牙和小型超聲波的器件尺寸更大。

當(dāng)然，功耗是更重要問題;當(dāng)用于監(jiān)督社交距離時(shí)，超寬帶與超聲波的表現(xiàn)也揭示了這兩種技術(shù)之間的另一個(gè)明顯區(qū)別：當(dāng)標(biāo)簽未配對時(shí)，設(shè)備仍然處于配對階段;這意味著，由于超寬帶標(biāo)簽需要持續(xù)搜索其他配對設(shè)備，必須處于接收模式，該模式本身就會消耗大量的電池電量;而超聲波標(biāo)簽則沒有這個(gè)顧慮。

Bousaba解釋說，這類似于手機(jī)用戶在距離信號塔太遠(yuǎn)時(shí)的體驗(yàn)。不停地搜索其他設(shè)備會很快耗盡電池，這是因?yàn)榻邮掌鞅仨毐３珠L時(shí)高負(fù)載運(yùn)行，以確保在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。通常情況下，在配對階段，超寬帶將消耗400 mw，而超聲波傳感器僅需400 µW。

此外，Chirp超聲波傳感器還可在兩個(gè)標(biāo)簽接近時(shí)實(shí)現(xiàn)低延遲探測。Bousaba表示，這種情況會在1秒內(nèi)完成，通過超聲波直接進(jìn)行標(biāo)簽間的通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。超聲波傳感器還能提供高達(dá)180度的水平視場探測。如果需要實(shí)現(xiàn)360度探測，則需要兩個(gè)傳感器。

超聲波“接近零”的誤報(bào)率

Bousaba表示，真正讓基于超聲波的sColutions聲名大噪的是它創(chuàng)造了“接近零的誤報(bào)率”。例如，使用屏障將兩個(gè)用戶隔開，超聲波就會在屏障上反射，并且不受材料的影響。除非有穿過屏障的通道能夠讓空氣流通，否則不會記錄任何社交接觸。

另一方面，對于超寬帶中基于射頻的解決方案來說，它對于障礙物具有良好的穿透特性。Chirp認(rèn)為，超寬帶設(shè)備會使在實(shí)體墻或玻璃隔墻兩邊的用戶形成社交接觸誤報(bào)，這將可能導(dǎo)致員工的非必要隔離和心理壓力。

當(dāng)然，超寬帶可以通過在障礙物上添加標(biāo)簽或建立網(wǎng)關(guān)，來減少這種誤報(bào)。但Bousaba解釋，在基礎(chǔ)設(shè)施上增加任何設(shè)備，都會增加測量的復(fù)雜性和額外的安裝成本。

公眾能否接受社交距離監(jiān)督和接觸者追蹤?

Horsley警示，雖然產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為用于監(jiān)督社交距離和接觸者追蹤的無線技術(shù)是“必要的”，但我們并不確定這項(xiàng)技術(shù)能否被大眾所廣泛接受。

盡管如此，在產(chǎn)業(yè)界，Chirp已經(jīng)吸引了大批客戶。Bousaba說，一些最初對超聲波傳感器持懷疑態(tài)度的客戶，在極端場景測試了該產(chǎn)品，結(jié)果令人非常滿意。Chirp希望其超聲波傳感器開始取代超寬帶設(shè)備。

一些超寬帶標(biāo)簽的價(jià)格超過了199美元，相比之下，基于Chirp超聲波傳感器的標(biāo)簽價(jià)格將低于100美元。即便是100美元的單價(jià)，為每位員工貼上標(biāo)簽也是一項(xiàng)重大投資，尤其是一些肉類包裝公司，甚至都沒有花錢來檢測他們自己員工的健康狀況。

Bousaba表示：“我們的大多數(shù)客戶都是《財(cái)富》全球500強(qiáng)企業(yè)。”鑒于這些公司希望盡快在工廠和倉庫啟用監(jiān)督社交距離和接觸者追蹤，Chirp表示將在7月推出其超聲波ToF測距傳感器的解決方案。

Horsley補(bǔ)充道：“時(shí)間在這里至關(guān)重要。”他指出，加州大學(xué)伯克利分校(University of California Berkele)就有意為9月重返校園的學(xué)生提供標(biāo)簽。Horsley就是在加州大學(xué)伯克利分校獲得了博士學(xué)位，如今，他已是伯克利分校傳感器和執(zhí)行器中心(BSAC)的聯(lián)合主任。

在新冠肺炎大流行的背景下，目前還沒有疫苗和有效的治療方法，因此人們正在積極尋求可能改善社會和經(jīng)濟(jì)危機(jī)的技術(shù)。

無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)督社交距離和接觸者追蹤，但這并不是最重要的，也不是最終目標(biāo)。Horsley認(rèn)為，“至少我們很高興能有機(jī)會利用自己的技術(shù)為社會出一份力”。