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、智能座便器、安防聯(lián)動等更復(fù)雜的場景。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別靜止人體、受到環(huán)境溫度影響、探測角度固定等問題。微波雷達(dá)技術(shù)由于具備存在檢測、穿透遮擋、測距能力等特性，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傳感器是通過檢測人體紅外輻射的變化來判斷是否有移動的人的存在，它的成本是比較低的，接線也比較簡單，在那種人走過就會響的基礎(chǔ)場景當(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、它僅僅只能檢測移動情況，人站在傳感器前面沒有動作，PIR就無法檢測到人存在，這在衛(wèi)生間有人提示、病房監(jiān)測這類場景當(dāng)中可是非常致命的缺陷。第二點(diǎn)，PIR的靈敏度會明顯地受到環(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)的距離就會明顯地變短。第三點(diǎn)，PIR的探測角度是固定的，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)部會發(fā)射微波信號，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不動，雷達(dá)依舊能夠持續(xù)地感知到，而這種場景在一些危險(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)：專注移動檢測，成本和功耗優(yōu)勢明顯

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）、WT4101b系列（包含C04L、C05兩個(gè)型號），一共有6款。這類模組的共同之處就是僅僅支持移動感應(yīng)，不支持存在檢測，沒有測距的能力，輸出的方式僅僅只有GPIO電平信號。

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，其中尾號帶有L的型號（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)用場景是十分明確的，僅僅只需要檢測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)具備檢測以及測距的能力，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)具備存在檢測以及移動檢測的功能，而且還擁有測距的能力，輸出方式又增加了UART串口。

在參數(shù)這一方面，WT4102A系列的移動感應(yīng)距離是從0米到8米，測距的精度是0.WT4102B 系列在感應(yīng)距離上有了進(jìn)一步的提升，具備檢測 0 到 8 米，移動檢測 0 到 12 米，測距精度提升到了 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)測這類場景當(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1到10米，移動檢測1到15米，測距的精度達(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)自動翻開、離開后沖水并播報(bào)）、多人區(qū)域識別等場景方面，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，所對應(yīng)的模組的挑選以及對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景。比如說走廊安全方面的提醒、展廳里面展品的講解、商場導(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：只要檢測到有移動的動作就進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)人離開了感應(yīng)區(qū)域之后就會自己自動地復(fù)位。無需進(jìn)行檢測操作，也無需去測量距離。

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（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、安防區(qū)域入侵檢測這類場景當(dāng)中，要求語音提示器能夠檢測到有人進(jìn)來，并且在人靜止不動的時(shí)候持續(xù)感知有人在場。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)行檢測的時(shí)候，能夠檢測到距離為8米，移動檢測的距離為12米，測距的精度為0.5米，在室內(nèi)場景里是足夠好的。要是產(chǎn)品的供電是依靠電池的話，那就得著重去評估45到55mA的工作電流對于續(xù)航所產(chǎn)生的影響。

在進(jìn)行對接的時(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)置合理的存在檢測延時(shí)（通常 2 到 5 秒），避免人偶爾微動造成頻繁狀態(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。

在自動販賣機(jī)的場景當(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)）。測距精度為0.

其對應(yīng)的接口情況是：存在一個(gè)引腳可以進(jìn)行連接，所對應(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)雜邏輯判斷的場景。PWM方式是通過脈沖寬度來編碼距離信息的，對于主控資源的占用相對較少，比較適合簡單分級觸發(fā)的場景。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)的電壓波動狀況。

雷達(dá)模組對于供電的質(zhì)量是有一定的要求的。在進(jìn)行測試之前，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，或者在方案評估的時(shí)候去測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)動電源的整流橋、變壓器、電感等所覆蓋，不然就會干擾天線正常工作。

多模組同場安裝

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。