کاربرد تازه و عجیب وای‌فای در خانه هوشمند: شناسایی حضور افراد

وای‌فای معمولاً اجزای خانه هوشمند را به هم متصل می‌کند، اما می‌تواند حضور افراد در خانه را نیز تشخیص دهد. این شگرد نه به ردیابی تلفن همراه وابسته است و نه به بررسی گزارش اتصال‌ها. در عوض، سامانه‌هایی وجود دارند که تغییر امواج رادیویی هنگام گذر از کنار بدن انسان در یک اتاق را زیر نظر می‌گیرند. این ایده دیگر صرفاً نمایشی پژوهشی و محدود به آزمایشگاه نیست. پژوهشگران از وای‌فای برای کاربردهای گوناگونی، از تشخیص فعالیت گرفته تا شناسایی افراد، بهره برده‌اند و روترها نیز در دنیای واقعی به حسگر حرکت تبدیل شده‌اند.

اکنون کاربران Home Assistant نیز می‌توانند با کمک بردهای ارزان‌قیمت ESP32، سامانه ESPHome و نرم‌افزارهایی مانند TOMMY به این فناوری دسترسی پیدا کنند. نتیجه به حسگر حضور mmWave شباهت دارد، اما شیوه کار، گستره پوشش و بده‌بستان‌های آن به‌طرز شگفت‌آوری متفاوت است.

روترتان بی‌سروصدا نفس‌کشیدنتان را زیر نظر داشته است

امواج رادیویی از دیوار، مبلمان و البته بدن شما بازتاب می‌یابند

سیگنال وای‌فای به‌ندرت از مسیری مستقیم و بی‌مانع میان دو دستگاه عبور می‌کند. این سیگنال در راه رسیدن به مقصد از دیوارها، مبلمان و مهم‌تر از همه، افراد بازتاب می‌یابد. در نتیجه، چند مسیر شکل می‌گیرد که سیگنال‌ها را با زمان رسیدن و توان اندکی متفاوت به مقصد می‌رسانند. ورود فرد به چنین محیطی این مسیرها را تغییر می‌دهد، زیرا بدن بخشی از انرژی رادیویی را بازمی‌تاباند، جذب می‌کند و پراکنده می‌سازد. حتی نفس‌کشیدن یا جابه‌جاشدن روی صندلی نیز می‌تواند تغییراتی کوچک اما تشخیص‌پذیر پدید آورد.

سنجه‌ای که این تغییرات را نشان می‌دهد «اطلاعات وضعیت کانال» یا CSI نام دارد. در ESP32، داده‌های CSI پاسخ فرکانسی کانال را در تک‌تک زیرحامل‌های مورد استفاده در انتقال وای‌فای OFDM توصیف می‌کنند. این داده‌ها، از جمله دامنه و اطلاعات کانال مرتبط با فاز، بسیار جزئی‌تر از یک نشانگر ساده قدرت سیگنال‌اند. Espressif رابط‌های برنامه‌نویسی‌ای ارائه کرده است که به تراشه‌های سازگار ESP32 امکان می‌دهند هنگام دریافت بسته‌ها، داده‌های CSI را گردآوری کنند؛ قابلیتی که یک ریزکنترل‌گر ساده وای‌فای را به گره‌ای ابتدایی برای حسگری رادیویی تبدیل می‌کند.

سپس نرم‌افزار می‌تواند این اندازه‌گیری‌ها را در گذر زمان با هم مقایسه کند. الگوی پایدار CSI نشان می‌دهد که محیط نسبتاً بی‌حرکت است، در حالی که تغییر الگو می‌تواند از وجود حرکت خبر دهد. با سخت‌افزار حساس و پردازش مناسب، ریزحرکت‌های تکرارشونده‌ای مانند تنفس می‌توانند به تشخیص حضور فردی بی‌حرکت کمک کنند. این سامانه دستگاه متصلی را که فرد با خود حمل می‌کند شناسایی نمی‌کند؛ بلکه اثر فیزیکی بدن بر یک کانال رادیویی را تشخیص می‌دهد.

CSI همان mmWave نیست؛ نادیده‌گرفتن تفاوتشان دردسرساز می‌شود

رادیوها و فرکانس‌های متفاوت، برداشت‌هایی کاملاً متفاوت از دیوارها

حسگری وای‌فای و mmWave اغلب مشکل یکسانی را در خانه هوشمند حل می‌کنند، اما یکی نیستند. حسگر حضور mmWave راداری ویژه این کار است که معمولاً در فرکانس‌های ۲۴، ۶۰ یا ۷۷ گیگاهرتز کار می‌کند. این حسگر سیگنالی می‌فرستد و بازتاب آن را بررسی می‌کند تا حرکت و، بسته به سخت‌افزار، جزئیاتی مانند فاصله، سرعت و زاویه را برآورد کند. حساسیت آن به حرکت‌های بسیار کوچک باعث می‌شود برای روشن نگه‌داشتن چراغ‌ها هنگامی که فردی پشت میز نشسته است، کاربردی باشد.

در مقابل، حسگری CSI از سیگنال‌های معمولی وای‌فای در باندهای ۲.۴ یا ۵ گیگاهرتز بهره می‌گیرد. این سیگنال‌های کم‌فرکانس‌تر معمولاً مسافت بیشتری می‌پیمایند و آسان‌تر از موانع رایج عبور می‌کنند؛ بنابراین یک جفت گره می‌تواند آن سوی مبلمان یا دیوار را نیز بسنجد. در نتیجه، نیازی به استقرار در خط دید مستقیم نیست، اما مرزهای محدوده تشخیص نیز دقت کمتری دارند. برای نمونه، فردی که در راهرو قدم می‌زند ممکن است پیوندی را مختل کند که برای پوشش اتاق نشیمن در نظر گرفته شده است. بردهای کنونی ESP32 از نظر آنتن و قابلیت‌های کانال نیز محدودیت دارند؛ ازاین‌رو ادعاهای مربوط به مکان‌یابی دقیق، تشخیص حالت بدن یا شمارش قابل‌اعتماد افراد را نباید هم‌سنگ قابلیت‌های ساده‌تری مانند تشخیص حرکت و حضور دانست.

تامی، انبوه بردهای یدکی ESP32 شما را به حسگر حضور تبدیل می‌کند

دو برد، یک باند و سروری که باید همیشه برخط بماند

TOMMY حسگری CSI را در قالبی عرضه می‌کند که به محصولات معمول خانه هوشمند شباهت دارد. هر ناحیه به دست‌کم دو دستگاه پشتیبانی‌شده ESP32 نیاز دارد که به یک باند وای‌فای متصل باشند و حداقل یک متر از یکدیگر فاصله داشته باشند. دستگاه‌ها بسته‌های کوچکی ردوبدل می‌کنند و گیرنده‌ها داده‌های CSI را از این انتقال‌ها بیرون می‌کشند. سپس سرور TOMMY داده‌ها را به‌صورت یکپارچه تحلیل می‌کند و آن ناحیه را در قالب یک حسگر در اختیار Home Assistant یا سکویی سازگار با Matter قرار می‌دهد.

اگر خانه خود را پیش‌تر با سخت‌افزارهای ESPHome پر کرده‌اید، این قابلیت به‌ویژه سودمند است. TOMMY از خانواده‌های اصلی ESP32، C3، C5، C6، S2 و S3 پشتیبانی می‌کند. هر برد می‌تواند میان‌افزار اختصاصی TOMMY را اجرا کند، اما مؤلفه خارجی ESPHome نیز می‌تواند بدون کنارگذاشتن وظیفه کنونی دستگاه، قابلیت حسگری را به آن بیفزاید. در نتیجه، همه دستگاه‌های هوشمند کنونی مبتنی بر ESP32 را می‌توان بدون افزودن هیچ سخت‌افزار تازه‌ای به گره‌های تشخیص حضور تبدیل کرد.

البته چند نکتهٔ فنی را هم باید در نظر گرفت. ساخت ESPHome باید با ESP-IDF انجام شود، زیرا پشتیبانی از CSI به آن وابسته است و TOMMY نیز گزینه‌های پیکربندی مرتبط در SDK را تغییر می‌دهد. مؤلفهٔ بیرونی آن هنگام همگردانی از سرور محلی TOMMY دریافت می‌شود؛ بنابراین سرور باید در دسترس باشد. در شبکه‌های وای‌فای مش نیز گره‌های متعلق به یک ناحیه باید به یک نقطهٔ دسترسی یکسان وصل شوند؛ کاری که شاید نیازمند مقیدکردن آن‌ها به BSSID مشخصی باشد.

تراشه‌های ارزان حرکت را می‌بینند؛ فقط مدل‌های تازه‌تر نشستن بی‌حرکت شما را تشخیص می‌دهند

تشخیص حضور بی‌حرکت به C6 یا C5 و شکیبایی فراوان نیاز دارد

فقط ESP32-C5 و C6 می‌توانند حضور بی‌حرکت را تشخیص دهند. مدل اصلی ESP32 و مدل‌های C3، S2 و S3 تنها حرکت را شناسایی می‌کنند؛ بنابراین بهتر است به‌عنوان نقاط پایانیِ حسگر حرکت به کار روند، نه جایگزینی مستقیم برای یک حسگر موج میلی‌متری خوب. به‌گفتهٔ TOMMY، مدل ESP32-C6 در باند ۲٫۴ گیگاهرتز می‌تواند از دو یا چند دستگاه پشتیبانی کند؛ اما چیدمان بهینه، استفاده از ESP32-C5 تازه‌تر و دوبانده در فرکانس ۵ گیگاهرتز همراه با چهار دستگاه یا بیشتر است. توسعه‌دهنده برای تشخیص حضور بی‌حرکت، توپولوژی مشی را پیشنهاد می‌کند که در آن تقریباً همهٔ دستگاه‌ها برای پوشش کامل‌تر سیگنال می‌فرستند؛ زمان نگه‌داشت نیز بهتر است حدود ۱۰ ثانیه باشد.

محل استقرار نیز اهمیت دارد، زیرا ناحیهٔ TOMMY فضای میان گره‌هایش را پوشش می‌دهد و مرز اتاق‌ها برایش معنایی ندارد. پیوندهای بیشتر بی‌گمان پوشش را بهتر می‌کنند، اما ممکن است آشفتگی‌های ناشی از حیوانات خانگی، پنکه‌ها، پرده‌ها یا افراد پشت دیوار را نیز دریافت کنند. TOMMY ذاتاً نمی‌داند یک آشفتگی رادیویی را انسان پدید آورده است؛ ازاین‌رو تنظیم آستانه‌ها و چیدمان فیزیکی گره‌ها همچنان بخشی از فرایند نصب است.

هوشمندانه و منطقی؛ اما بی‌تردید نه قاتل حسگرهای موج میلی‌متری

هستهٔ بسته، وقفه‌های نسخهٔ آزمایشی و سروری که با مرکز تماس می‌گیرد

بزرگ‌ترین مزیت این راهکار، استفادهٔ دوباره از سخت‌افزارهای موجود است. چند برد ESP32 یا دستگاه‌هایی که از پیش ESPHome را اجرا می‌کنند، می‌توانند بدون نصب دوربین یا ماژول رادار در تک‌تک اتاق‌ها، روشنایی و سامانه‌های گرمایش، تهویه و سرمایش را بر پایهٔ حضور افراد خودکار کنند. داده‌های حسگری در شبکهٔ محلی شما می‌مانند و سرور را می‌توان در قالب برنامه‌ای برای Home Assistant یا محفظهٔ Docker روی Linux اجرا کرد. بااین‌حال، هستهٔ اصلی آن کدبسته است؛ هرچند یکپارچه‌سازی Home Assistant متن‌باز عرضه می‌شود. نسخهٔ آزمایشی رایگان در هر بازهٔ دو‌دقیقه‌ای، تشخیص را یک دقیقه متوقف می‌کند. نسخهٔ پولی نیز با مجوزی یک‌باره فروخته می‌شود، اما سرور برای اعتبارسنجی مجوز همچنان به دسترسی اینترنت نیاز دارد.

ازاین‌رو CSI وای‌فای بیش از آنکه جایگزینی همگانی باشد، مکملی جذاب برای حسگرهای PIR و موج میلی‌متری است. وقتی اتاق به پوششی دقیقاً مهارشده یا فاصله‌سنجی جزئی نیاز دارد، موج میلی‌متری همچنان انتخاب خوبی است. اما اگر پوشش گسترده، گره‌های پنهان، تشخیص از پشت دیوار، هزینهٔ اندک سخت‌افزار و استفادهٔ دوباره از ESPHome اهمیت بیشتری داشته باشند، حسگری با وای‌فای منطقی‌تر است. هیچ ابزار آشکاری هم اتاق را زیر نظر نمی‌گیرد؛ همان رادیوهایی که هم‌اکنون داده‌های حسگرها و فرمان‌های خودکارسازی را جابه‌جا می‌کنند، خود به حسگر بدل می‌شوند. با انتظاراتی واقع‌بینانه و چیدمانی سنجیده، وای‌فای می‌تواند به خانهٔ هوشمند بگوید نه‌فقط دستگاه‌هایی به شبکه وصل‌اند، بلکه کسی واقعاً آنجا حضور دارد.

منبع: این مطلب ترجمه و بومی‌سازی مقاله‌ای از MakeUseOf به قلم Yadullah Abidi است. مشاهده مقاله اصلی