語音提示器雷達(dá)感應(yīng)方案從紅外到雷達(dá)的技術(shù)升級(jí)與模組選型指南

語音提示器的應(yīng)用范圍正在從傳統(tǒng)的走廊迎賓、衛(wèi)生間提示擴(kuò)展到病房監(jiān)測(cè)、智能座便器、安防聯(lián)動(dòng)等更復(fù)雜的場(chǎng)景。由于應(yīng)用需求的不斷提升，傳統(tǒng)的紅外（PIR）感應(yīng)方案漸漸地暴露出了無法識(shí)別靜止人體、受到環(huán)境溫度影響、探測(cè)角度固定等問題。微波雷達(dá)技術(shù)由于具備存在檢測(cè)、穿透遮擋、測(cè)距能力等特性，正在成為語音提示器感應(yīng)方案的主流選擇。本文從語音提示器開發(fā)者實(shí)際的需求出發(fā)，對(duì)比紅外與雷達(dá)的技術(shù)上的不同之處，梳理低頻、中頻、高頻這三類雷達(dá)模組的能力邊界，并且給出針對(duì)性的選型建議以及方案。

語音提示器的感應(yīng)技術(shù)迭代

語音提示器的核心的工作邏輯并不是特別的復(fù)雜。在過去的二十多年的時(shí)間里，大多數(shù)的產(chǎn)品所采用的是熱釋電紅外傳感器（PIR）。PIR傳感器是通過檢測(cè)人體紅外輻射的變化來判斷是否有移動(dòng)的人的存在，它的成本是比較低的，接線也比較簡單，在那種人走過就會(huì)響的基礎(chǔ)場(chǎng)景當(dāng)中是夠用的。

但是在實(shí)際的運(yùn)用過程之中，PIR（這是一種方案）存在著三個(gè)無法繞開的技術(shù)方面的限制。一、它僅僅只能檢測(cè)移動(dòng)情況，人站在傳感器前面沒有動(dòng)作，PIR就無法檢測(cè)到人存在，這在衛(wèi)生間有人提示、病房監(jiān)測(cè)這類場(chǎng)景當(dāng)中可是非常致命的缺陷。第二點(diǎn)，PIR的靈敏度會(huì)明顯地受到環(huán)境溫度的影響，尤其是在夏天高溫的環(huán)境當(dāng)中，人體和背景之間的溫差變小，感應(yīng)的距離就會(huì)明顯地變短。第三點(diǎn)，PIR的探測(cè)角度是固定的，通常在100度到120度之間，而且還容易受到空調(diào)出風(fēng)口、暖氣管等熱源的干擾，在安裝調(diào)試的時(shí)候需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)整。

微波雷達(dá)的工作原理是不一樣的。雷達(dá)模組內(nèi)部會(huì)發(fā)射微波信號(hào)，隨后接收人體反射回來的回波。這就意味著即便人坐在那兒一動(dòng)不動(dòng)，雷達(dá)依舊能夠持續(xù)地感知到，而這種場(chǎng)景在一些危險(xiǎn)提示器下非常重要，比如一些危險(xiǎn)地區(qū)，持續(xù)感應(yīng)到有人在就持續(xù)的進(jìn)行語音播報(bào)讓人注意安全趕快撤離，如果附近有安保人員在的話持續(xù)聽到語音提示音就知道有人停留，而傳統(tǒng)的PIR方案，人一直不走也只播報(bào)一次。

低頻、中頻、高頻雷達(dá)的能力差異與適用范圍

當(dāng)下唯創(chuàng)知音的雷達(dá)模組產(chǎn)品線依據(jù)工作頻段可以被劃分成為三類。需要進(jìn)行說明的是，不同的頻段的雷達(dá)在技術(shù)方面的實(shí)現(xiàn)存在著本質(zhì)的區(qū)別，這直接關(guān)系到感應(yīng)能力、功耗、成本以及能夠獲取到的數(shù)據(jù)的豐富程度。開發(fā)者需要依據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求來進(jìn)行選擇，而不能簡單地認(rèn)為哪個(gè)好買就選擇哪個(gè)。

低頻雷達(dá)：專注移動(dòng)檢測(cè)，成本和功耗優(yōu)勢(shì)明顯

低頻雷達(dá)模組的工作頻段低于24GHz，典型的代表包括WT4100B - C01、WT4101A系列（其中包含C01、C04、C04L三個(gè)型號(hào)）、WT4101b系列（包含C04L、C05兩個(gè)型號(hào)），一共有6款。這類模組的共同之處就是僅僅支持移動(dòng)感應(yīng)，不支持存在檢測(cè)，沒有測(cè)距的能力，輸出的方式僅僅只有GPIO電平信號(hào)。

從參數(shù)方面來看，低頻系列的感應(yīng)距離統(tǒng)一為0到5米，工作電壓在4到15V之間，工作電流在6到8mA之間。模塊的尺寸處于15x15mm以及16x16mm這兩種規(guī)格，其中尾號(hào)帶有L的型號(hào)（比如WT4101A - C04L、WT4101B - C04L）的厚度僅僅只有1.2mm，是為超薄設(shè)備所設(shè)計(jì)的低高度版本。

這類模組所適合的應(yīng)用場(chǎng)景是十分明確的，僅僅只需要檢測(cè)有人走過來就可以了，并不需要知道人處于多遠(yuǎn)的位置，也不需要知道人是否還在停留。這類應(yīng)用所涉及的典型產(chǎn)品包含走廊安全提示器、展廳展品語音講解、商場(chǎng)廣告機(jī)觸發(fā)等相關(guān)情形。把 GPIO 輸出直接和語音芯片的觸發(fā)引腳進(jìn)行連接，三根線（即VCC、GND、OUT）就能夠完成硬件方面的對(duì)接，整個(gè)物料清單的成本是非常低的。

中頻雷達(dá)具備檢測(cè)以及測(cè)距的能力，可以覆蓋多數(shù)中等復(fù)雜度的需求。

中頻雷達(dá)工作在24GHz頻段，有WT4102A系列的C01、C01L以及WT4102B系列的C01、C02，總共4款。和低頻系列最大的一個(gè)區(qū)別之處在于，中頻模組同時(shí)具備存在檢測(cè)以及移動(dòng)檢測(cè)的功能，而且還擁有測(cè)距的能力，輸出方式又增加了UART串口。

在參數(shù)這一方面，WT4102A系列的移動(dòng)感應(yīng)距離是從0米到8米，測(cè)距的精度是0.WT4102B 系列在感應(yīng)距離上有了進(jìn)一步的提升，具備檢測(cè) 0 到 8 米，移動(dòng)檢測(cè) 0 到 12 米，測(cè)距精度提升到了 0.它們的工作電壓都是處于4到12V這個(gè)范圍之內(nèi)的，模塊的尺寸是23x14mm。

中頻模組的 UART 串口輸出是關(guān)鍵的升級(jí)之處。通過串口主控或者語音芯片可以獲取到目標(biāo)的距離、運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)更加靈活的播報(bào)邏輯。比如說檢測(cè)到有人進(jìn)入到5米范圍之內(nèi)的時(shí)候播送歡迎語，進(jìn)入到1米范圍之內(nèi)的時(shí)候切換為詳細(xì)的引導(dǎo)。當(dāng)人處于區(qū)域之中靜止不動(dòng)的時(shí)候就持續(xù)地去進(jìn)行上報(bào)存在狀態(tài)，當(dāng)人離開了之后就延遲那么一小會(huì)兒再把系統(tǒng)復(fù)位。在像衛(wèi)生間有人/無人提示、智能門禁迎賓、病房監(jiān)測(cè)這類場(chǎng)景當(dāng)中，這是必須要的。

需要注意的是，中頻模組的工作電流（45 到 55mA）明顯高于低頻系列（6 到 8mA）。要是產(chǎn)品是采用電池來供電的，就需要去評(píng)估續(xù)航時(shí)間是否可以滿足需求，或者去考慮間歇供電的策略。

高頻雷達(dá)具備毫米波高精度感知的功能，適用于復(fù)雜多目標(biāo)的場(chǎng)景。

高頻雷達(dá)的工作頻段是在24GHz之上，屬于毫米波傳感這一范疇，目前存在著WT4102B-C03以及WT4102B-C03 BOX這兩款產(chǎn)品。前者是標(biāo)準(zhǔn)的貼片封裝，尺寸是23x14x1.2mm，后者是獨(dú)立的外殼封裝，方便不需要貼片安裝的場(chǎng)合直接固定使用。

從規(guī)格書所給出的數(shù)據(jù)來看，WT4102B - C03系列的感應(yīng)距離是所有模組當(dāng)中最遠(yuǎn)的：存在檢測(cè)1到10米，移動(dòng)檢測(cè)1到15米，測(cè)距的精度達(dá)到0.3米。輸出的方式可是最為全面的，而且還可以支持GPIO、UART以及PWM這三種不同的方式。工作電流比中頻系列還要更低，是10到15mA，工作電壓也是4到12V。

0.3米的測(cè)距精度意味著語音提示器可以區(qū)分人在1米處和人在2米處，從而觸發(fā)完全不同的語音內(nèi)容。在自動(dòng)販賣機(jī)（遠(yuǎn)端播放廣告、近處展示產(chǎn)品詳情）、智能座便器（靠近時(shí)自動(dòng)翻開、離開后沖水并播報(bào)）、多人區(qū)域識(shí)別等場(chǎng)景方面，它是有實(shí)際意義的。

而且高頻模組里面內(nèi)置了Cortex M0+ MCU以及配套的FLASH，屬于完整的SoC系統(tǒng)，能夠通過串口指令去調(diào)整感應(yīng)距離、延時(shí)等參數(shù)，和上位機(jī)軟件搭配起來方便地進(jìn)行調(diào)試。對(duì)于需要進(jìn)行精細(xì)調(diào)校的項(xiàng)目而言，這一個(gè)方面的能力是挺有用的。

按照應(yīng)用場(chǎng)景來選型：三個(gè)典型需求的模組搭配建議

在實(shí)際的項(xiàng)目溝通過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)語音提示器的需求大致可以歸為三類。每一種類型的技術(shù)有著不同的要求，所對(duì)應(yīng)的模組的挑選以及對(duì)接的方式也各不相同。

需求一：人來就播走了就停

這是比較常見的語音提示器的場(chǎng)景。比如說走廊安全方面的提醒、展廳里面展品的講解、商場(chǎng)導(dǎo)購的播報(bào)這類情況都算是人工智能語音應(yīng)用的實(shí)例。它所具備的技術(shù)方面的要求那可并不復(fù)雜：只要檢測(cè)到有移動(dòng)的動(dòng)作就進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)人離開了感應(yīng)區(qū)域之后就會(huì)自己自動(dòng)地復(fù)位。無需進(jìn)行檢測(cè)操作，也無需去測(cè)量距離。

推薦的模組是WT4101A - C04（標(biāo)準(zhǔn)的貼片）或者WT4101B - C05（貼片）。要是外殼的空間比較緊張的話，那就選擇WT4101A-C04L或者WT4101B-C04L（厚度是1.2mm）。

對(duì)接的時(shí)候雷達(dá)的OUT引腳是和語音芯片的觸發(fā)IO進(jìn)行連接的，是采用三線制的。低頻模組的輸出延時(shí)一般是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的，建議把它和語音芯片的忙信號(hào)（BUSY）進(jìn)行配合使用，不要讓上一段語音還沒有播完就觸發(fā)下一段。

需求二：需要持續(xù)知道人在不在

在衛(wèi)生間有人無人的狀態(tài)提示、病房患者監(jiān)測(cè)、安防區(qū)域入侵檢測(cè)這類場(chǎng)景當(dāng)中，要求語音提示器能夠檢測(cè)到有人進(jìn)來，并且在人靜止不動(dòng)的時(shí)候持續(xù)感知有人在場(chǎng)。這類需求用低頻模組是沒辦法達(dá)成的，得要換成中頻或者高頻才行。

推薦模組WT4102B - C01或者WT4102B - C02。在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，能夠檢測(cè)到距離為8米，移動(dòng)檢測(cè)的距離為12米，測(cè)距的精度為0.5米，在室內(nèi)場(chǎng)景里是足夠好的。要是產(chǎn)品的供電是依靠電池的話，那就得著重去評(píng)估45到55mA的工作電流對(duì)于續(xù)航所產(chǎn)生的影響。

在進(jìn)行對(duì)接的時(shí)候，采用的是UART串口的方式來進(jìn)行連接的。雷達(dá)通過串口持續(xù)地去上報(bào)目標(biāo)的狀態(tài)，主控的MCU解析完畢之后決定語音芯片播送什么樣的內(nèi)容。建議設(shè)置合理的存在檢測(cè)延時(shí)（通常 2 到 5 秒），避免人偶爾微動(dòng)造成頻繁狀態(tài)切換。

在進(jìn)行內(nèi)容的制作以及發(fā)布的時(shí)候，需要依據(jù)不同的距離狀況來播放不一樣的內(nèi)容。

在自動(dòng)販賣機(jī)的場(chǎng)景當(dāng)中，位于遠(yuǎn)處播放廣告語，在近處播放產(chǎn)品介紹，在智能座便器的場(chǎng)景當(dāng)中，依據(jù)目標(biāo)以及傳感器的距離來選擇不同的語音內(nèi)容，在多區(qū)域?qū)в[系統(tǒng)的場(chǎng)景當(dāng)中，根據(jù)目標(biāo)與傳感器的距離來選擇不同的語音內(nèi)容。那么這就需要模組具備較高的測(cè)距精度以及多種輸出方式。

推薦的模組是WT4102B - C03（采用貼片安裝方式）或者WT4102B - C03 BOX（擁有獨(dú)立的外殼，無需進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)）。測(cè)距精度為0.

其對(duì)應(yīng)的接口情況是：存在一個(gè)引腳可以進(jìn)行連接，所對(duì)應(yīng)的類型是：GPIO。UART 方式可以獲取精確的距離值以及目標(biāo)狀態(tài)，比較適合需要復(fù)雜邏輯判斷的場(chǎng)景。PWM方式是通過脈沖寬度來編碼距離信息的，對(duì)于主控資源的占用相對(duì)較少，比較適合簡單分級(jí)觸發(fā)的場(chǎng)景。在產(chǎn)品開發(fā)的初期運(yùn)用上位機(jī)軟件去調(diào)校感應(yīng)距離的閾值以及延時(shí)的參數(shù)，以此來尋找到最為適合實(shí)際使用環(huán)境的配置。

實(shí)際工程中的幾個(gè)關(guān)鍵注意事項(xiàng)

在與客戶的技術(shù)支持進(jìn)行溝通交流的時(shí)候，存在著好幾個(gè)問題不斷地反復(fù)出現(xiàn)，值得在此專門進(jìn)行提及。

供電的紋波情況，是指在電力傳輸過程中所出現(xiàn)的電壓波動(dòng)狀況。

雷達(dá)模組對(duì)于供電的質(zhì)量是有一定的要求的。在進(jìn)行測(cè)試之前，先來了解一下這個(gè)電源適配器的相關(guān)情況。要是語音提示器采用開關(guān)電源來供電，那么電源的紋波過大就有可能致使雷達(dá)出現(xiàn)誤報(bào)的情況。建議在雷達(dá)供電的引腳附近添加LC濾波電路，或者在方案評(píng)估的時(shí)候去測(cè)量電源有沒有符合要求的紋波情況。

安裝位置與遮擋物

微波信號(hào)能夠穿透亞克力、塑料、木材這類非金屬材料，但是卻無法穿透金屬。產(chǎn)品外殼要是使用了金屬件，得讓金屬件不在雷達(dá)天線的正前方。雷達(dá)的天線輻射面需要避免被大電流電路，例如驅(qū)動(dòng)電源的整流橋、變壓器、電感等所覆蓋，不然就會(huì)干擾天線正常工作。

多模組同場(chǎng)安裝

要是同一個(gè)空間里安裝了好幾個(gè)雷達(dá)語音提示器（比如一條走廊上每隔幾米就有一個(gè)），規(guī)格書建議安裝的間距大于2米。距離過近可能會(huì)致使相鄰模組之間產(chǎn)生串?dāng)_，從而引發(fā)誤報(bào)的情況。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮在有限的空間范圍內(nèi)，如何讓這些模塊相互兼容并且協(xié)同工作。

要是語音提示器同時(shí)具備WiFi、藍(lán)牙、NB-IoT等無線通訊模塊，那么得留意雷達(dá)和這些模塊之間的安裝間距。規(guī)格書會(huì)建議與路由器、無線熱點(diǎn)這類大功率的無線設(shè)備保持1米以上。在軟件層面，可以添加抗干擾的策略，比如說先進(jìn)行多次檢測(cè)確認(rèn)之后再觸發(fā)語音。

PCB鋪銅處理

在貼片安裝的雷達(dá)模組的場(chǎng)合之下，建議將PCB上模組下方區(qū)域的銅皮進(jìn)行鏤空處理，以避免金屬銅層對(duì)天線的輻射方向圖以及感應(yīng)距離產(chǎn)生影響。這一點(diǎn)在PCB設(shè)計(jì)階段就得予以考慮，不然后期改板的成本就會(huì)比較高。

關(guān)于本文與作者

本文章由深圳唯創(chuàng)知音電子有限公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)撰寫而成。公司提供語音芯片以及傳感模組和屏幕驅(qū)動(dòng)IC，主要研發(fā)方向是人機(jī)交互，月產(chǎn)能超過3000萬片，累積擁有超過90項(xiàng)核心技術(shù)專利，服務(wù)超過30,000家企業(yè)客戶。