寫在前面

藍牙耳機的自動連接，文件的隔空傳送，地鐵的測溫器……這些都屬于空間感知能力的范疇，相關技術的研發使我們的生活愈發的便捷。關于空間感知能力研發與應用的背后，都有哪些技術助力實現，今天我們一起來看一下。

空間感知能力，目前已經成為電子產品需要修煉的新技能。有了它，不僅能夠知道被測對象存在與否，有時還能知道Ta是誰，以及Ta的距離、位置，甚至是運動的軌跡。人們對由此可能衍生出的新應用充滿了期待。

不過，如今有一個更為現實的需求就擺在眼前，這就是在新冠疫情仍然肆虐的今天，如何利用空間感知技術幫助人們確認并保持彼此之間的社交距離。這個需求很容易理解，就是當兩個人的距離小于規定的閾值時（比如2米），檢測設備就會自動提出警告，讓用戶遠離彼此。

如果更細致地描述這樣一個設計需求，相關的要點應該包括下面幾項：

具有足夠的測量精度、視場和范圍，且要盡可能減少誤報情況的發生。

功耗要足夠小，以滿足設備長期使用的需要。

小型化，能夠符合可穿戴的要求，或者是可以集成在一個標簽里，方便攜帶，盡量減少用戶的異物感。

容易獲得，成本足夠低，這其中既包括設備（如標簽）本身的成本，也要考慮配套基礎設施的成本，以及后續的運維成本。

除了簡單的測距，可能還需要有能力獲取其他一些相關的信息，或者對被測對象進行持續的追蹤，以收集足夠的數據對其行為做出準確的分析。

既然需求已經擺在那兒了，各種技術圍繞著“社交距離檢測”這個命題，也是八仙過海，各顯神通，給出了不同的解決方案。想要實現上述的設計構想，目前有哪些技術路徑可走？我們今天就來做一個盤點。

BLE低功耗藍牙

想測量社交距離，大家首先想到的一個技術方案可能就是BLE低功耗藍牙。這其中最主要的一個原因就是，BLE技術的普及度非常高，根據BIG的預測，到2021年預計將有130億臺支持藍牙的物聯網設備投入使用。這就使得BLE方案實施起來極為方便。加上BLE固有的低功耗和安全特性，做鄰近檢測非常適合。

BLE是通過接收信號強度指示器（Received Signal Strength Indicator，簡稱RSSI）的方法來測算距離的，也就是根據兩個設備（或用戶）通信信號強度和距離之間的關系來計算距離，當兩者距離低于某個設定值后，就會觸發后續的動作（如報警）。這樣的BLE應用有不少，移植到社交距離檢測這個新場景中并不難。

不過從原理上講，傳統的RSSI的測量精度有限，通常在3-10米，這對于某些要求較高精度的檢測任務來說，實現起來可能會有些吃力；而且BLE工作使用的2.4GHz頻段非常擁擠，信號間干擾也是一個潛在的問題，這都是BLE方案的短板。值得注意的是，在藍牙5.1規范中，增加了尋向功能，這會令BLE獲得更為精準的定位能力，未來與同領域的其他技術相比，仍然有的一拼。

UWB超寬帶

正是考慮到BLE這類傳統無線技術難以滿足更高測量精度的要求，近年來UWB作為一種新興的空間感知技術快速發展了起來。

UWB基于IEEE在802.15.4a/z標準，使用2ns脈沖信號，通過飛行時間 （ToF） 和到達角 （AoA） 來計算距離和定位，測量精度可以達到10cm以內。此外，與那些運行在2.4GHz頻譜中的窄帶無線方案不同，UWB是工作在6-8GHz頻譜中具有500MHz帶寬的方案，因此具有天生的抗干擾能力，即使在具有挑戰性的射頻環境中，也能提供非常穩定的連接。而且在802.15.4z標準中，UWB在信號的PHY包中添加了加密和隨機數等保護機制，在安全性上也具有更突出的優勢。這些特性疊加在一起，UWB幾乎成了一個“完美”的精準安全測距解決方案。

值得一提的是，目前在很多UWB空間感知解決方案中，考慮到作用范圍、功耗等要求，它往往是和BLE搭配使用的——比如在社交距離檢測中，BLE通常是處于打開的狀態，對鄰近區域進行掃描和探測，當發現目標對象后再激活UWB進行精準的測距和定位。

在市場上，開發者已經可以很方便地獲得這種包含UWB+BLE的商用解決方案。考慮到目前手機內置UWB功能已經成為了潮流，因此未來用戶和市場對基于UWB的方案的接受度會不斷提升，該方案獲得和使用的門檻也會進一步降低。

超聲波

實際上在測距這件事上，上述這些無線解決方案只能算是后來者，超聲波技術才是這個領域當之無愧的“老司機”。但是具體到社交距離檢測這個應用中，傳統的超聲波傳感器雖然精度高（可以達到厘米級），但是其體積大，且視場只有180°，功耗上的表現也不算出眾。如果想在新的空間感知領域獲得一席之地，就必須有所創新。

針對這樣的需求，TDK集團旗下的Chirp Microsystems公司開發出了一款超聲波飛行時間（ToF）傳感器CH101，它將壓電超聲波換能器（PMUT）、DSP和低功耗CMOS ASIC整合到一個大小僅為3.5mm × 3.5mm的芯片上，通過PMUT發射超聲波脈沖并接收從物體反射的回波來計算距離，精度可以達到1cm。

與傳統的超聲波傳感器相比，CH101外形極為緊湊，可集成到可穿戴標簽、員工工牌等產品中。而且其運行功耗只有0.7mW——普通UWB芯片接收模式下的功耗約為400mW——這樣的低功耗特性，使得一個小型近距離感應標簽充電一次就能連續工作數天。如果需要支持360°的視場，用兩個傳感器就能實現。

可以說，CH101微型超聲波傳感器在尺寸、準確性、功耗等方面，與其他技術方案相比，都具有明顯的優勢。而且與無線方案相比，它還具有更低的誤報率，這是因為無線技術可能會穿透墻壁或玻璃隔斷，在人員彼此靠近但有物理隔離的情況下產生誤報，而超聲波傳感器則不存在這個問題。

由此可見，憑借對于傳統超聲波技術的改造，低功耗超聲傳感器也是社交距離檢測的一個重要技術選項。

地磁方案

上文也提到過，除了精準測量兩個設備（用戶）之間的距離，在確保安全社交時，還有一個需求就是要對用戶建立持續、全局性的監測和洞察，這樣才能在出現感染者時，對其可能的密切接觸者進行科學的評估和篩選。實現這一功能，就需要將單純的測距，擴展為室內定位。

如果是用無線通信技術來實現室內定位和用戶追蹤，為了提高精度就必須增加信標的數量，如果要擴大覆蓋區域，還需要安裝更多的的無線收發器和中繼器，成本無疑會成為一個大問題。

為此，TDK開發了一套基于地磁信息的VENUE位置信息解決方案。其方法是，先為指定區域內（如辦公樓）創建地磁圖，然后利用用戶手機內置的地磁傳感器提供的信息，再與智能手機中的加速度計和陀螺儀等慣性傳感器的信息相融合，進而對用戶進行精準定位，定位的精度大約為2米——這對于追蹤感染人員的接觸者來說已經足夠了。

由于無需安裝新的設備和終端，而是充分利用用戶手機中已有的傳感器，因此基于地磁的解決方案部署和實施的便利性是個大優勢。這樣一來，用戶只需攜帶安裝有特殊應用程序的智能手機，并將他們所在樓層的位置和移動軌跡與匿名身份識別信息結合在一起，即可實現監測。同時，地磁方案也可以和BLE、Wi-Fi無線通信方案進行融合，以獲取更全面的數據，提升洞察力。

而且基于這些數據，不僅可以識別直接接觸者，還能夠根據用戶的行動軌跡、位置和停留的時長形成可視化的熱圖，直觀地對他們的感染風險進行判斷。

文末互動

社交距離的檢測，其實只是諸多空間感知應用中的一個場景，而對它的探索，恰恰可以使得人們對于空間感知技術和應用的理解更為深入，也為新技術向其他領域的滲透和移植積累更大的勢能。

原文標題：注意！你的社交距離……

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