À l’intérieur d’un capteur radar de mouvement à 1 $
(10maurycy10.github.io)- Même un capteur de mouvement à micro-ondes coûtant moins de 1 dollar fonctionne avec une alimentation 5V et un simple condensateur de découplage de 1µF, et transforme un mouvement dans un rayon d’environ 5 m en un signal de sortie de 3 secondes
- La grande puce SOIC-16
BISS0001, conçue à l’origine pour les capteurs de mouvement infrarouges, sert ici aussi à amplifier et comparer le signal FI, ainsi qu’à gérer la temporisation - Le circuit RF ressemble à un oscillateur d’environ 3,18GHz, mais il est en réalité pulsé à environ 20MHz, une structure qui lui donne la sensibilité d’un récepteur super-régénératif
- En intérieur, les ondes réfléchies stationnaires sont nombreuses, ce qui permet un bon fonctionnement, mais en extérieur, où l’environnement réfléchit moins, les performances du capteur deviennent très instables
- En retirant un condensateur et en utilisant deux modules, il est possible d’expérimenter un radar bistatique et même de mesurer la vitesse, mais pour un capteur de mouvement d’intérieur classique, la méthode à module unique reste plus sensible
Connexions de base et signal de détection
- Ce capteur fonctionne immédiatement si l’on relie 5V à
VIN, la masse àGNDet un condensateur de découplage de 1µF à3V3- Si une personne bouge dans un rayon d’environ 5 m, la broche
OUTpasse à 3V pendant 3 secondes
- Si une personne bouge dans un rayon d’environ 5 m, la broche
- La grande puce SOIC-16 de la carte est le
BISS0001, qui est présenté dans sa fiche technique comme une puce pour capteur de mouvement infrarouge - Les radars de détection de mouvement et de vitesse émettent une porteuse continue, puis mélangent le signal reçu avec le signal émis pour produire un signal FI de basse fréquence
- La réflexion d’un objet en mouvement se décale lentement en phase par rapport au signal émis, créant une fréquence de battement de quelques Hz
- Pour un capteur de mouvement, il est plus important de détecter des variations de l’ordre du millivolt qu’une vitesse précise
- Dans ce module, le signal FI entre sur la broche 14 du
BISS0001, et une copie amplifiée ressort par la broche 16, ce qui facilite son observation à l’oscilloscope - Lors d’une mesure où un ordinateur portable a été déplacé d’environ 40cm vers le capteur, 8 pics sont apparus
- Une variation de trajet aller-retour de 80 cm correspond à 8 longueurs d’onde, ce qui donne une longueur d’onde d’environ 10cm
- C’est assez proche de la longueur d’onde réelle de 9,4cm
Circuit RF et structure de récepteur super-régénératif
- À droite de la carte, le
BISS0001agit comme un amplificateur, comparateur et temporisateur, tandis que les fonctions RF se déroulent dans le petit nombre de composants situés à gauche - Le circuit RF ressemble à première vue à un oscillateur à transistor unique fonctionnant autour de 3,18GHz
- La piste en forme de S sur l’émetteur sert à la fois de résonateur micro-ondes et d’antenne
- Le transistor BJT l’excite, et le condensateur formé par le résonateur et une piste de cuivre parallèle fournit la rétroaction
- La structure en anneau au dos est supposée empêcher les oscillations à d’autres fréquences
- L’oscillateur est instable au point de varier de plusieurs MHz rien qu’avec la capacité de la main ou la dérive de polarisation
- Son fonctionnement réel se rapproche d’un couplage entre deux oscillateurs pulsés à environ 20MHz
- À mesure que l’oscillation se développe, l’état du condensateur de 33pF change et la tension de l’émetteur augmente
- Quand l’oscillation ne peut plus être maintenue, la résistance de 220Ω décharge le condensateur et relance l’oscillation en quelques ns
- Grâce à ce pulsage, le circuit se comporte comme un récepteur super-régénératif
- Même si le gain du transistor dépasse 1, l’oscillation ne démarre pas immédiatement et nécessite une petite excitation
- Un faible signal dans le résonateur est amplifié de manière répétée, charge le condensateur, puis relance le cycle
- La moindre présence de RF fait démarrer l’oscillation plus tôt, ce qui produit une réponse très sensible
- Le temps d’arrêt est d’environ 15ns, et les réflexions d’objets immobiles au-delà de 2,5 m arrivent pendant le redémarrage de l’oscillation
- Ces réflexions stationnaires agissent comme un oscillateur local pour le radar
- Le récepteur super-régénératif détecte le signal de modulation d’amplitude produit par l’interférence entre réflexions stationnaires et mobiles
- En intérieur, où les réflexions sont nombreuses, il existe toujours du RF pour éclairer les objets en mouvement
- Les performances dépendent fortement de l’environnement réfléchissant
- En intérieur, le fonctionnement est bon
- En extérieur, où il n’y a pas de réflexions stationnaires favorables, il arrive souvent qu’il ne fonctionne pas du tout
Expériences de modification et radar bistatique
-
Fabriquer un émetteur en supprimant le pulsage
- La première modification consiste à retirer le condensateur qui génère le pulsage à 20MHz
- Le capteur se transforme alors en émetteur
- On peut appliquer une modulation de fréquence pratiquement n’importe où dans l’oscillateur
- Une modulation on-off keying est aussi possible en coupant puis rétablissant l’alimentation
- Même sans la partie super-régénérative, le radar continue à fonctionner dans une certaine mesure
- L’oscillateur lui-même effectue la conversion descendante du signal reçu comme un mélangeur
- En revanche, sans gain, le signal FI devient beaucoup plus faible et la sensibilité chute fortement
-
Avantages et inconvénients d’une configuration à deux modules
- La deuxième expérience utilise une configuration de radar bistatique avec un émetteur modifié placé à côté d’un module non modifié servant de récepteur
- Le signal de retour apparaît de façon bien plus cohérente et les variations d’amplitude étranges disparaissent
- Comme le récepteur reçoit en permanence un signal RF fort provenant de l’émetteur, les réflexions lointaines deviennent plus faibles
- Pour un capteur de mouvement en intérieur, cette configuration est moins bonne
- Il faut un mouvement assez important en direction du capteur ou à l’opposé pour déclencher
- La méthode classique à module unique se déclenche avec presque n’importe quel mouvement
- Si l’on espace les deux modules d’environ 1 à 2m, les performances en extérieur deviennent bien meilleures qu’avec un module unique
- La sensibilité est maximale dans la zone située entre les deux modules
- On ne peut pas dire que les performances globales soient excellentes, mais c’est nettement mieux que les performances extérieures pratiquement nulles d’un module unique
-
Utilisation comme capteur de vitesse
- La configuration bistatique fonctionne bien comme capteur de vitesse
- Il est possible de mesurer la vitesse en appliquant une FFT à la FI ou en comptant les passages par zéro
- La vitesse se calcule par
longueur d’onde × fréquence de battement ÷ 2 - Par exemple, avec une fréquence de battement de 15Hz et une longueur d’onde de 9,4cm, on obtient
9.4cm × 15Hz ÷ 2 = 70cm/s = 0.7m/s
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Le radar Wi-Fi CSI 2,4 GHz permet de détecter à travers les murs même avec une carte ESP32 à 20 $ : https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing et https://www.cnx-software.com/2022/08/08/esp-wifi-csi-detects...
Espressif affirme que, dans un environnement statique, il peut capter de petits mouvements comme la respiration ou la mastication d’une personne ou d’un animal, et qu’il fonctionne sur toute la gamme ESP32 — ESP32, ESP32-S2, ESP32-C3, etc. — sans modification matérielle
Les ordinateurs portables IA/NPU Wi-Fi 7 de 2024, basés sur Intel/Qualcomm, peuvent combiner un radar RF et l’inférence on-device pour identifier l’activité d’une personne
Ressources liées : DIY Radio Telescope: Building a Camera That Can See WiFi (2019) https://www.youtube.com/watch?v=g3LT_b6K0Mc, Wi-Fi devices set to become object sensors by 2024 via IEEE 802.11bf standard (2021) https://news.ycombinator.com/item?id=40458766, How automotive radar measures the velocity of objects (2024) https://news.ycombinator.com/item?id=40768959, How Wi-Fi sensing of movement became usable (2024) https://www.technologyreview.com/2024/02/27/1088154/wifi-sen...
Je l’utilise chez moi pour de la détection de présence ; avec un petit boîtier imprimé en 3D, on obtient pour moins de 20 $ une détection de présence très précise, qui repère bien quelqu’un même assis sans bouger
Idéal pour l’éclairage automatique et le contrôle du chauffage/de la climatisation
Je cherche une méthode totalement non invasive, c’est-à-dire sans contact, pour mesurer le rythme cardiaque d’une personne, et cela semble possible avec le Wi-Fi (article de 2019 https://arxiv.org/abs/1908.05108)
Cela dit, même s’il existe de nombreuses approches comme l’analyse vidéo ou les caméras thermiques, il est difficile de trouver un produit fini à prix raisonnable, et le traqueur de sommeil le plus simple à placer sous le lit n’est pas une option dans mon cas
Référence : https://github.com/Marsrocky/Awesome-WiFi-CSI-Sensing#vital-...
Cela me rappelle l’article de démontage du HB100, mais ici il y a au moins un circuit intégré, ce qui est un peu plus rassurant même sans bien comprendre le principe de fonctionnement : https://www.allaboutcircuits.com/news/teardown-tuesday-hb100...
Le PCB lui-même est le composant essentiel, et non seulement les antennes patch, mais aussi plusieurs filtres RF, l’oscillateur local et même le mélangeur sont en grande partie réalisés avec des pistes de PCB aux formes inhabituelles
En dehors du PCB, il n’y a que cinq composants sur la carte ; réussir à fabriquer un module radar Doppler avec cinq composants passifs force l’admiration
C’est un peu à côté du sujet, mais je me demande si ce genre d’appareil est sûr pour les humains
J’ai quelques LD2410, et j’aimerais en utiliser un avec ESPHome dans la chambre ; d’après mes recherches, la puissance de sortie est très faible et ça semble sûr
Mais comme il s’agit quand même de dormir toute la nuit avec un radar pointé vers nous, j’aimerais avoir autant de retours que possible
En dehors de l’ionisation, le seul mécanisme pouvant nuire aux humains est le transfert d’une forte puissance au corps ; pensez par exemple à un soldat qui se réchauffe en se tenant devant un émetteur radar
En faisant un calcul approximatif, la fiche technique https://fcc.report/FCC-ID/2AD56HLK-LD2410B-P/6620025.pdf indique un courant moyen de 79 mA sous 5 V, soit environ 0,4 W consommés
Si l’on estime prudemment que 10 à 50 % de cette puissance est réellement émise, cela donne 40 à 200 mW ; même en supposant qu’un quart soit absorbé, la puissance supplémentaire absorbée par les tissus serait de l’ordre de 10 à 50 mW
C’est une estimation très conservatrice du point de vue de la sécurité ; l’absorption de l’ordre du microwatt évoquée par quelqu’un d’autre paraît plus plausible
Le corps d’un adulte au repos consomme environ 100 W de puissance de base, soit 500 à 2 500 fois plus que la puissance absorbée depuis un radar à ondes millimétriques
Tant que l’absorption n’est pas concentrée sur une zone très spécifique et sensible, comme les yeux, on peut considérer cela comme du bruit de fond
Autre point de comparaison : les RF et la chaleur rayonnée par un téléphone portable qu’on garde dans sa poche pendant des heures
En appliquant la loi d’atténuation standard de l’énergie E~R^(-2), on tombe à des niveaux de l’ordre du microwatt dès qu’on se trouve à une distance pratique de l’antenne
Pour savoir si quelqu’un est dans le lit, j’utilise un capteur de poids, et pour les mouvements dans la chambre, un PIR traditionnel
C’est peut-être un excès de prudence, mais je ne voulais pas pointer un radar 12 heures par jour vers des enfants endormis ni vers moi-même
De même, le point d’accès Wi-Fi de l’étage est placé uniquement dans le couloir et je ne l’utilise pas à pleine puissance
https://www.microwavenews.com
Il existe déjà des radars à ondes millimétriques USB-C compatibles avec la domotique
Ils coûtent environ 11 à 20 dollars et sont assez riches en fonctionnalités
Si vous voulez en fabriquer un vous-même, regardez ce qui se fait côté ESPHome. Il suffit de chercher “esp home mm wave”
Le LD2410(B) est aussi une option, et fonctionne en UART
Il est un peu plus cher, autour de 5 $, mais offre davantage d’options de configuration
Sinon, c’est assez pénible ; et même dans mon cas, si je reste assis immobile à 4 ou 5 m, il ne fonctionne pas très bien et considère que je suis parti
Le MCU RP2040 du Pi Pico coûte aussi 1 $, c’est vraiment une bonne époque pour faire du hack à bas coût
On trouve plus de détails sur https://github.com/jdesbonnet/RCWL-0516
Je n’aime pas beaucoup la plupart de ces capteurs bon marché
Ils ont souvent du mal à distinguer une personne en mouvement d’un ventilateur qui tourne ou d’un rideau qui bouge avec le vent
On peut les configurer dans une certaine mesure, mais cela ne semble pas suffisant
Il existe sans doute des options plus chères, mais elles sont souvent plus fermées ou plus limitées
La fonction de Wiener est très bien
Elle a aussi eu des applications analogiques et était top secret pendant la Seconde Guerre mondiale
Aujourd’hui, elle est aussi utilisée dans les communications entre les téléphones portables et les eNodeB