“WiFi 感測(cè)技術(shù)”是智能家居的未來嗎?還是僅僅是一種實(shí)驗(yàn)室里的奇思妙想?我花了數(shù)周時(shí)間利用 ESP32 構(gòu)建了一個(gè)人體感應(yīng)裝置，以探究我們是否終于能夠摒棄那些昂貴的傳感器了。

簡(jiǎn)介：“物聯(lián)網(wǎng)的第六感”興起之因

在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，我們一直在尋找理想的入侵檢測(cè)傳感器。光電傳感器價(jià)格低廉，但對(duì)靜止目標(biāo)無(wú)感知能力。毫米波雷達(dá)精度高，但價(jià)格昂貴且集成難度大。攝像頭功能強(qiáng)大，但會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的隱私問題。

但近來，在開源社區(qū)中出現(xiàn)了一種“第四種選擇”：WiFi 感知技術(shù)。它正逐漸受到廣泛關(guān)注。

事情始于我注意到 Espressif Systems 公司的工程師們?cè)诿麨椤癳sp-csi”的一個(gè) GitHub 倉(cāng)庫(kù)中頻繁活躍的身影。這并非只是一個(gè)小的更新;而是對(duì)在標(biāo)準(zhǔn) ESP32 芯片上解鎖信道狀態(tài)信息(CSI)的全面推動(dòng)。幾乎與此同時(shí)，社區(qū)做出了回應(yīng)。我看到了諸如“espectre”這樣的項(xiàng)目出現(xiàn)，它利用 CSI 進(jìn)行頻譜分析。我還看到了研究人員發(fā)布使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行二維室內(nèi)定位的代碼。

這些說法簡(jiǎn)直就像是科幻小說里的情節(jié)。埃斯普西菲公司的文件中甚至還包含了一個(gè)名為“esp-crab”的演示程序，在該程序中他們聲稱僅依靠無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)精確的手指動(dòng)作追蹤。

這引起了我的好奇心。如果這種技術(shù)是真實(shí)存在的，它可能會(huì)使空間感知變得更加普及。我們不再需要價(jià)值 30 美元的雷達(dá)模塊了;只需一個(gè)價(jià)值 5 美元的微控制器就能完成任務(wù)。但它的可靠性如何?是否具有可復(fù)制性?還是說它只是一種脆弱的演示，僅在屏蔽的射頻室中才能正常工作?

為了回答這個(gè)問題，我從工作室里挑選了幾塊 Seeed Studio XIAO ESP32 板子，并決定從零開始搭建一個(gè)房間規(guī)模的傳感陣列。

理論：究竟什么是“犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查”?

在開始構(gòu)建之前，我們需要先弄清楚我們實(shí)際面對(duì)的是什么。我們大多數(shù)人對(duì) RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)都比較熟悉。RSSI 類似于測(cè)量聲音的“音量”;它能告訴你信號(hào)的響度如何，但除此之外就沒什么信息了。它波動(dòng)幅度很大，提供的環(huán)境信息也非常有限。

信道狀態(tài)信息(CSI)則有所不同。如果說接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)代表聲音的“音量”，那么信道狀態(tài)信息則代表聲音的“質(zhì)感”。

在現(xiàn)代的 WiFi(正交頻分復(fù)用)技術(shù)中，數(shù)據(jù)是通過多個(gè)子載波(不同的頻率)同時(shí)傳輸?shù)?。?dāng)這些無(wú)線電波從發(fā)射器(TX)傳送到接收器(RX)時(shí)，它們會(huì)與墻壁、家具以及人體發(fā)生反射。這些反射導(dǎo)致波到達(dá)接收器的時(shí)間略有不同，從而形成了干擾模式。

CSI 能夠獲取每個(gè)子載波的振幅和相位信息。當(dāng)人體在房間內(nèi)移動(dòng)時(shí)，會(huì)改變這些波的反射和散射方式。通過分析在整個(gè)頻率范圍內(nèi)這些變化的“形態(tài)”，理論上我們能夠檢測(cè)出人體的存在、移動(dòng)情況，甚至特定的姿勢(shì)。

第一階段： “你好，世界”與最初的挫敗感

我的探索之旅始于一個(gè)極其簡(jiǎn)單的目標(biāo)：將犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在眼前。

為此任務(wù)，我選擇了 Seeed Studio 的 XIAO ESP32S3 板子。我喜歡這些板子，因?yàn)樗鼈凅w積極小，運(yùn)算能力強(qiáng)大，足以處理相關(guān)計(jì)算，并且易于融入實(shí)際應(yīng)用中。

我將 csi_send 示例程序上傳到了一臺(tái) XIAO 計(jì)算機(jī)上，將 csi_recv 程序上傳到了另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。為了簡(jiǎn)化設(shè)置，我只在兩塊電路板上安裝了標(biāo)準(zhǔn)的 FPC(柔性貼片)天線，并將它們平放在我的桌面上，兩者的間距約為 50 厘米。然后，我運(yùn)行了名為 csi_data_read_parse.py 的 Python 腳本，在我的筆記本電腦上顯示數(shù)據(jù)流。

結(jié)果令人沮喪。

我原本期待能看到一個(gè)清晰的正弦波，它會(huì)隨著我的手部動(dòng)作而變化。然而，我看到的卻是一片凌亂的鋸齒狀線條。這張圖表看起來就像雜亂的噪聲。我把手在這些板子上揮動(dòng)——沒有任何變化。我跳上跳下——圖表依舊是一片混亂的模糊景象。

我花了兩天時(shí)間，懷疑可能是固件設(shè)置有誤，或者是 XIAO 硬件不兼容所致。我調(diào)整了參數(shù)，更換了 WiFi 信道，還重寫了 Python 解析器。但這一切都沒有效果。我基本上就是面對(duì)著雜亂的無(wú)線電信號(hào)噪聲。

第二階段：一切皆關(guān)乎物理學(xué)

在重新閱讀相關(guān)文檔并深入研究射頻理論之后，我意識(shí)到自己的錯(cuò)誤并非出在軟件方面，而是源于物理原理。

?天線問題：大多數(shù)開發(fā)板所附帶的 FPC 天線是全向型的，但增益較低。將它們平放在桌子上時(shí)，會(huì)立即在緊挨著天線的桌面附近產(chǎn)生大量反射。我當(dāng)時(shí)是在測(cè)量桌面，而不是整個(gè)房間。

?菲涅爾區(qū)：無(wú)線電波并非以極細(xì)的直線形式傳播;它們是在兩個(gè)天線之間形成的一個(gè)類似足球形狀的區(qū)域中傳播的，這個(gè)區(qū)域被稱為菲涅爾區(qū)。由于我把設(shè)備放在了桌子上，所以該區(qū)域的下半部分被桌子擋住了。

解決辦法：

我搭建了一個(gè)合適的測(cè)試裝置。我把 XIAO 板安裝在三腳架上，將它們抬高至離地面 1.4 米的位置。至關(guān)重要的是，我斷開了 FPC 天線，并安裝了外部偶極子(桿狀)天線。

我重新啟動(dòng)了這個(gè)程序。結(jié)果簡(jiǎn)直是天壤之別。

圖表呈現(xiàn)出了一種穩(wěn)定的節(jié)奏。當(dāng)我靜止不動(dòng)時(shí)，線條是平緩的。而當(dāng)我邁出一步時(shí)，波形便呈現(xiàn)出了一種美妙而獨(dú)特的形態(tài)。我終于能在數(shù)據(jù)中看到“我自己”了。這就是轉(zhuǎn)折點(diǎn)——這項(xiàng)技術(shù)真的奏效了。

第三階段：從數(shù)據(jù)到檢測(cè)(“警報(bào)線”)

既然我已經(jīng)有了干凈的數(shù)據(jù)，我就想用它來做些有用的事情。于是我切換到了 esp-radar/console_test 這個(gè)示例程序。這個(gè)固件包含了 Espressif 公司專有的算法，用于過濾噪聲并做出判斷：“有人在這兒”或者“房間是空的”。

我在客廳里把這兩根三腳架擺放在相距兩米的位置。

這場(chǎng)表演出乎意料地精準(zhǔn)。它就像一條無(wú)形的觸發(fā)線。當(dāng)我直接站在兩個(gè)支架之間時(shí)，串行控制臺(tái)立刻發(fā)出“有移動(dòng)檢測(cè)到”的警報(bào)聲。這感覺太神奇了——一個(gè)沒有鏡頭、沒有活動(dòng)部件、只有空氣的傳感器。

然而，其局限性很快就顯現(xiàn)出來了。如果我站在接收器后方兩米處，它就會(huì)忽略我;如果我坐在地上，它也會(huì)錯(cuò)過我。單個(gè)設(shè)備只能形成一條“檢測(cè)線”，而非“檢測(cè)場(chǎng)”。要監(jiān)測(cè)一個(gè)真實(shí)的房間，我需要更廣泛的覆蓋范圍。

第四階段：構(gòu)建“感知陣列”

為了解決盲點(diǎn)問題，我決定加大規(guī)模。我制定了一個(gè)使用 4 個(gè) Seeed Studio XIAO ESP32 設(shè)備的多設(shè)備陣列方案。

我使用了一個(gè)針對(duì) XIAO 生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化的修改版代碼庫(kù)。該代碼允許多個(gè)接收器向中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。

布局策略：

我將這些設(shè)備布置起來，形成了一個(gè)感知區(qū)域的網(wǎng)格狀布局：

?發(fā)射器(TX)：位于房間的東北角。

?接收器 1(RX1)：位于西南角(與之相對(duì)的對(duì)角位置)。它覆蓋了主要的步行通道。

?接收器 2 及 3：置于相鄰墻壁的中間位置。

這種布局確保了無(wú)論我在房間中的位置如何，我都會(huì)干擾到至少一對(duì)設(shè)備的菲涅爾波帶區(qū)域。

用戶界面：

該項(xiàng)目包含一個(gè)托管在主 ESP32 上的簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。我在手機(jī)上打開了其 IP 地址。該界面很簡(jiǎn)單：有一個(gè)顯示“存在”、“清除”或“移動(dòng)”的狀態(tài)指示器，還有一個(gè)顯示信號(hào)變化情況的滾動(dòng)圖表。

我走進(jìn)房間。狀態(tài)隨即切換到了“運(yùn)動(dòng)”模式。

我走到那個(gè)拐角處，那里通常是視線盲區(qū)。狀態(tài)顯示仍為“存在”。

我坐在沙發(fā)上，保持了相對(duì)靜止的姿勢(shì)。系統(tǒng)停頓了一秒鐘，但狀態(tài)仍顯示為“在線”。

成功了。我成功地把整個(gè)客廳都改造成了一個(gè)傳感器系統(tǒng)。

結(jié)論：這是否已準(zhǔn)備好投入實(shí)際應(yīng)用?

在與這款“WiFi 信號(hào)陣列”共處一周之后，我對(duì)它的優(yōu)缺點(diǎn)有了清晰的認(rèn)識(shí)。雖然其“酷炫程度”令人驚嘆，但實(shí)際情況卻并非如此簡(jiǎn)單明了。

1. 電力消耗問題

這是最大的難題。與 Zigbee 或 LoRa 傳感器不同，這些傳感器通常 99%的時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，而 CSI 傳感器則需要 WiFi 無(wú)線電設(shè)備始終保持全功率工作狀態(tài)，每秒要發(fā)送數(shù)百次數(shù)據(jù)包。

小 ESP32 設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)熱。這些設(shè)備不能用電池供電，因?yàn)閹追昼妰?nèi)電池就會(huì)耗盡。你需要將 USB-C 數(shù)據(jù)線鋪設(shè)到房間的每個(gè)角落，這樣一來就破壞了“隱形”的美感，除非你把插座布置得恰到好處。

2. “校準(zhǔn)的困境”

這個(gè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境非常敏感。如果我把咖啡桌挪動(dòng)一下，反射的圖案就會(huì)發(fā)生變化。如果我打開窗戶，圖案也會(huì)隨之改變。

要使系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要經(jīng)歷一個(gè)“校準(zhǔn)”階段，在此期間房間必須完全空無(wú)一物。如果添加了一件新家具，通常就需要重新校準(zhǔn)基準(zhǔn)值。與僅能正常工作的 PIR 傳感器相比，這種關(guān)系需要進(jìn)行頻繁的維護(hù)。

3. 復(fù)雜性與準(zhǔn)確性

我的四設(shè)備組合系統(tǒng)在檢測(cè)精度方面達(dá)到了約 80% 的水平，而我的商用 24GHz 微波雷達(dá)的精度則略低一些。

諷刺的是，為了獲得更高的精度，你需要更多的設(shè)備(更多的接收端節(jié)點(diǎn))。但增加更多的設(shè)備會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)擁堵，并使校準(zhǔn)過程變得更加繁瑣。這就是所謂的“邊際效益遞減定律”。

4. 未被發(fā)掘的潛力：深度學(xué)習(xí)

我所搭建的這套系統(tǒng)運(yùn)用的是基本的統(tǒng)計(jì)邏輯(如果差異值大于閾值，則為人類)。而真正的未來則在于深度學(xué)習(xí)。

理想情況下，我們會(huì)將這些 CSI 數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樹莓派或英偉達(dá) Jetson 上。有了足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，人工智能就能學(xué)會(huì)“波形 A”代表“行走”，而“波形 B”代表“坐在沙發(fā)上”。然而，這會(huì)大幅增加成本和所需的技術(shù)技能，使其超出了簡(jiǎn)單的家庭自動(dòng)化DIY范疇。

本文編譯自hackster.io