雷达猫咪探测器

学术 2024-11-20 15:30 北京

加入我们假如你真想知道盒子里有什么。

假设你有一个封闭的盒子，里面可能有一只活着的猫，但你不打开盒子就无法确认。对于大多数人来说，这种情形是探索量子力学基础的理论难题。不过对我来说，这是一个紧迫的实际问题，因为物理学完全回避了一个至关重要的问题：盒子打开时猫会有多恼怒。但幸运的是，工程学可以解决这个问题，方法是花50美元在SparkFun购买一个制造者友好的新型脉冲相干雷达传感器。

也许我应该再解释一下。在疫情期间，我和妻子居家办公，在纽约市街区的后院里发现了一群野猫。通过尽可能多地结扎放养（TNR），我们想要控制这群野猫的数量。我们还买了3个Feralvilla户外猫窝，好让我们毛茸茸的邻居能够度过纽约的寒冬。这些猫窝像一个个方正的盒子，猫可以从侧面的开口进入。通过顶部可打开的盖子，我们每隔几个月更换一次稻草寝具。如果不打开盖子，就看不到猫窝内部，这意味着你可能会吓到一个有爪子的捕食者，就在几分钟以前，它还在安静地打盹。

野猫对人的反应与家养的宠物猫不同。它们将我们视为威胁，而不是笨拙的“铲屎官”。即使经过多年的日常喂养，我们街区的大多数野猫也不会让我们接近它们一两米内的范围，更不用说让我们摸了。它们的爪子从来没有剪过，也不喜欢被惊吓到或者感觉被围困。因此，我需要找到一种方法，能够让我在打开猫窝的盖子前，看看里面是否有猫。这就需要雷达发挥作用了。

SparkFun的脉冲相干雷达模块以Acconeer的低成本A121传感器为基础。这种传感器比指甲盖还小，工作频率为60千兆赫，这意味着，它的信号可以穿透许多普通材料。信号穿过材料时，其中一些会被反射回传感器，这样你就能够以毫米级的精度确定与多个表面的距离。雷达可以设置成“存在探测器”模式，通过反射距离的变化来识别运动，用于标记是否有人在场。

我看到有关SparkFun模块的公告时，就意味着已经项目开始了。雷达既然能探测到人，为什么不能探测到猫呢？当然，我可以用不那么复杂的技术来解决“盒子里是否有猫”的问题，比如在猫窝放一个压力传感器。但这需要一个永久性的装置，要防风防雨、要有电源，还要有一些获取数据的方法；这样的装置我需要安装三个，每个庇护所一个。对于每隔几个月才需要一次的信息来说，这些工作似乎太多了。所以我订购了雷达模块，以及一个30美元的物联网RedBoard微控制器。RedBoard的运行电压与雷达的3.3伏电压一样，可以配置模块并解析输出。

将雷达与RedBoard连接非常容易，因为这两者都有Qwiic 4线接口，可以提供电源并与外设的I2C串行连接。借助SparkFun的Arduino库和示例代码，可通过USB将微控制器与主机连接，而且可通过串行监视器来查看雷达的探测结果，这使我可以立即测试这个想法的可行性。我们对家养猫（从夜猫群体中跑出来的两只猫）进行的实验表明，它们呼吸的动作足以触发存在探测器，即使在它们睡着时也可以。进一步的测试表明，雷达可以穿透猫窝木质壁板和保暖膜。

下一步是让它变得便携。我增加了一块11美元的小锂电池，并在它的电源线上连接了一个通断开关。我将两个软糖LED连接到了RedBoard的输入/输出引脚上，并修改了SparkFun的示例脚本，可根据存在探测器的输出点亮LED：绿色LED表示没有猫，红色表示有猫。我用椴木做了一个外壳，并安装了电路板和电池，还在背面开了一个洞，作为雷达模块的窗口。（注：除了照顾野猫外，我在疫情期间尝试的另一件事是为这个项目打印3D塑料外壳。但我发现，通过切割、钻孔和粘合木料制作外壳更快、更坚固，而且在制作一次性产品或原型时容许的改动更多。）

此外，我还修改了脚本以调整探测器扫描的范围。我将探测器靠在猫窝的板壁上时，它只能观察来自板内和对面空间的反射，距离约为50厘米。由于这个群体里的所有猫都是成年猫，它们在猫窝内占据了足够大的空间，只要我不把探测器放在靠近角落的位置，它们就会与雷达波束相交。

我用家里的一只猫进行了便携式探测器的室内测试，我用食物贿赂它，让它每次在打开的盒子里呆几秒钟。每一次，探测器都成功发现了它，但也容易出现假阳性误报。我将尝试调整雷达参数设置，减少这些错误。不过这种情况下，假阳性比假阴性更合我意：“无猫”的灯意味着打开庇护所的盖子绝对是安全的，这对我的神经（和猫的神经）来说更好。

作者：Stephen Cass

IEEE Spectrum

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