3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網: ．超音波距離感測器為社交距離監測和接觸者追蹤，帶來精確度

Proximity Sensor and Contact Tracing Solution for Covid-19 social distancing - Abeeway & Actility

用於 Covid-19 社交距離的接近感測器，和接觸者追踪解決方案 - Abeeway & Actility

確保安全的社交距離，是 COVID-19 時代工人碰到的難題之一。超音波測距感測器，可以以釐米精度，測量工人之間的距離，並提醒處於最小距離限制內的人員。

隨著世界努力應對 COVID-19 的影響，企業和政府正在尋求安全，重啟全球商業和當地經濟的方法，以減輕該病毒的財務影響。這將涉及許多人返回工作場所。然而，隨著 COVID-19 的持續爆發，和第二波的威脅仍然存在，繼續保持社交距離和接觸者追蹤的必要性，將成為任何安全重新開放企業和營運設施計劃的重要因素。

在許多辦公室、工廠和其他工作場所，人們需要移動，以進行工作活動，保持安全的實體距離，成為一個動態問題，因為工人之間的距離不斷變化。一些工人會比其他工人移動得更快，並且工作場所內，會出現自然交通瓶頸，導致與其他工人的實體距離更近。在保持同事和訪客之間推薦的距離，並跟蹤確實發生的接觸的情況下，即使是一天中的時間，也會變得更加相關。

對於大多數商業領袖來說，這些考慮幾乎是全新的。雖然建築物的設計是為了支持穩定的人流，但很少有建築師，能想像到公共區域、出入口、走廊，或其他開放空間，需要如此低的交通密度。這座建築無論多麼智慧，都不太可能提供必要的技術，來支持社交距離。需要新的解決方案，來提供答案。

「新常態」一詞，現在用於描述社會需要考慮的預防措施，以限制或預防 COVID-19 等傳染病的威脅。許多科學家認為，在未來的某個時候，另一種病毒的爆發是不可避免的；沒有人可以肯定地說，它可能有多麼嚴重或普遍。因此，新常態是準備好佈署的預防措施。對於攻擊呼吸系統的病毒，例如 COVID-19，保持實體距離，是防止其傳播的有效方法，而接觸者追蹤，是在確定爆發後，遏制傳播的有效方法。

社交距離測距

社交距離是一種相對非侵入性的措施，目的在透過在人與人之間，保持一定距離，來防止空氣傳播病毒的傳播。雖然在非正式情況下，可以使用猜測來保持社交距離，但在繁忙的工作場所中，採用技術來實施嚴格的社交距離，是首選方法。它提供了一個自動化的「永遠在線上」系統，可以保護所有工作人員，同時盡可能不讓用戶注意到。

理想情況下，這些系統還應追蹤和記錄，有關哪些人相互接觸的數據（圖 1）。當爆發疫情時，此數據很有用，可告知人們他們與隨後被診斷為 COVID-19，或其他傳染病呈陽性的人，有密切接觸。為了使接觸者追蹤系統有效，需要有某種方式，來捕獲和共享有關被監控人員的數據，同時又不侵犯他們的隱私。

1. 接近檢測需要智慧數據處理。

對於大多數商業領袖來說，這些考慮幾乎是全新的。雖然建築物的設計是為了支持穩定的人流，但很少有建築師能想像到公共區域、出入口、走廊，或其他開放空間，需要如此低的交通密度。這座建築無論多麼智慧，都不太可能提供必要的技術，來支持社交距離。需要新的解決方案，來提供答案。

「新常態」一詞，現在用於描述社會需要考慮的預防措施，以限制或預防 COVID-19 等傳染病的威脅。許多科學家認為，在未來的某個時候，另一種病毒的爆發，是不可避免的；沒有人可以肯定地說，它可能有多麼嚴重或普遍。因此，新常態是準備好佈署的預防措施。

對於攻擊呼吸系統的病毒，例如 COVID-19，保持實體距離，是防止其傳播的有效方法，而接觸者追蹤是在確定爆發後，遏制傳播的有效方法。

社交距離測距

社交距離是一種相對非侵入性的措施，目的在透過在人與人之間，保持一定距離，來防止空氣傳播病毒的傳播。雖然在非正式情況下，可以使用猜測來保持社交距離，但在繁忙的工作場所中，採用技術來實施嚴格的社交距離，是首選方法。

它提供了一個自動化的「永遠在線上」系統，可以保護所有工作人員，同時盡可能不讓用戶注意到。

理想情況下，這些系統還應追蹤和記錄，有關哪些人相互接觸的數據（圖 1）。當爆發疫情時，此數據很有用，可告知人們他們與隨後被診斷為 COVID-19，或其他傳染病呈陽性的人有密切接觸。為了使接觸者追蹤系統有效，需要有某種方式來捕獲和共享，有關被監控人員的數據，同時又不侵犯他們的隱私。

這些增強的社交距離技術，幾乎完全使用無線技術，來實現某種形式的點對點測距，以進行接近度檢測，以及用於安全共享資訊的通信回程。在眾多可能的方法中，三種最受關注：超寬頻 (UWB)、超音波和藍牙技術（圖 2）。

2. 可用於提供接近檢測技術的比較。

由於其無處不在，特別是在手機中，許多開發人員一直在探索，如何使用藍牙，來提供基於接收信號強度指示 (RSSI) 的接近檢測，和安全數據傳輸。已經進行了試驗，以開發使用藍牙固有功能的應用，例如廣播其身份，以啟動與其區域內的其他行動電話的配對。值得注意的是，蘋果和谷歌合作開發了，一個基於藍牙的曝光通知系統。

雖然這種類型的系統，具有利用大多數人已經擁有的硬體的優勢，但藍牙可以提供的範圍，精度約為兩米。換句話說，使用藍牙進行距離測量的潛在誤差範圍，大於推薦的社交距離範圍，使其無法成為基於無線的社交距離應用的安全選擇。

在精度方面，UWB 的性能遠優於藍牙，可提供約 10 釐米的接近測量精度。然而，藍牙和 UWB 的另一個明顯弱點 —— 在其他情況下，這可能是一個優勢 —— 是它們的信號，可以穿過門和牆壁等物體。通常，用戶希望他們的無線通信，盡可能遠地穿過建築物等障礙物，但是當它用於社交聯繫人追蹤時，這會導致錯誤觸發。

例如，兩個人可能坐在相鄰的房間裡，隔著一堵牆，但彼此之間的距離不到兩米。藍牙和 UWB 都會將此檢測，為鄰近侵權。藍牙的範圍精度較差，意味著位於建築物不同樓層的用戶，也可能會記錄錯誤的接觸。

第三種無線技術選項是超音波。使用飛行時間 (ToF) 原理，超音波感測器，可以提供幾毫米範圍內的精度，遠遠超過使用任何其他形式的無線技術所達到的精度。 ToF 是一種基於超波脈衝引，從一個人傳播到另一個人，所需時間的簡單技術。在已知音速下，使用這一原理，可以將飛行時間，轉換為距離的準確度量。

由於超音波是由空氣攜帶的，與電磁波不同，超音波只有在兩個人之間，有暢通無阻的空氣通道時，才能在兩個人之間傳播。這意味著如果人們被門、牆、窗或天花板隔開，超音波不會返回誤報（圖 3）。

3. 射頻 (RF) 技術很容易穿過牆壁，在接近檢測中產生錯誤觸發（左）。超音波從保護屏障上反彈，沒有記錄任何接觸，防止誤報（右）。

例如，傳統的超音換能器，通常為 1 cm3，比用於實現藍牙或 UWB 的整合電路和天線的體積大得多。雖然尺寸在汽車上的停車感測器等應用中不是問題，但這可能會妨礙，超音波在許多其他應用中的使用，例如工人佩戴的智慧標籤，以提供接近檢測。然而，相對較新的基於 MEMS 的超音波收發器的發展，意味著它們現在足夠小 (0.02 cm3)，可以用於可穿戴技術，例如社交距離監控標籤。

社交距離標籤，另一個關鍵的要求是功耗和電池壽命。在這裡，超音波收發器的功率，比 UWB 和其他射頻技術，低幾個數量級，這使得超音波標籤的電池更小，充電間隔時間更長。

智慧接近標籤設計的注意事項

如上所述，接近標籤需要做的，不僅僅是檢測物體的接近程度。它還必須能夠以低協議開銷快速與其他標籤建立通信通道，以便交換其他重要資訊。此外，它需要能夠同時管理多個頻道，因為不能保證在任何時候，只有兩個人會靠近。

就其本身而言，超音波換能器無法提供這種級別的功能，但 MEMS 技術的主要優勢之一，是它能夠與傳統 CMOS 技術整合。 TDK Chirp Microsystems 生產的 CH101 和 CH201 超音波 MEMS 收發器，將 MEMS 換能器和低功耗混合信號，整合電路整合在一個每邊 3.5 毫米的封裝中。

收發器封裝內的整合電路具有片上微處理器，可促進超音波測量，並允許精確控制傳輸，和接收階段的時序。在此應用中，需要精確計時，因為標籤只對從其視場 (FOV) 內的其他標籤，接收信號感興趣，並且不得受到用戶環境迴聲，產生的假陽性接近事件的影響。

在實踐中，實現這一點的方式，是將發送和接收階段在時間上分開。當標籤使用超音波收發器，搜索附近的標籤時，它會首先發射，等待來自環境的任何迴聲消退，然後偵聽來自附近標籤的回覆。如果沒有找到回覆，標籤將在重複該過程之前的隨機時間，間隔內偵聽其他標籤。一旦檢測到另一個標籤，標籤就可以使用另一種形式的射頻通信（例如藍牙）建立安全連接，以交換彼此的數據。

基本資訊稱為聯繫記錄，包括遇到的每個標籤的 ID、距離和指示聯繫時間和持續時間的時間戳。出於隱私原因，標籤上無需儲存個人身份資訊 (PII)，或個人健康資訊 (PHI)，並且標籤永遠不必記錄佩戴者的位置數據。透過定期將標籤的聯繫人記錄，與受感染的 ID 數據庫進行比較，標籤的佩戴者 —— 以及在工作場所環境中，佩戴者的經理 —— 可以被告知可能的暴露。

例如，圖 4 詳細介紹了一種用於估計用戶暴露量的算法。在上圖中，受感染個體在 t0 時出現的症狀，可用於估計其具有傳染性的時間段，並分配基本的傳播概率。在中心，暴露於感染者標籤的第二個用戶的標籤，在相對較遠的距離有長時間的暴露，在很近的距離有較短的暴露時間。在底部，基於已知的聯繫窗口估計第二用戶生病的概率（P+）。如果 P+ 變得足夠高，則第二個用戶的標籤應通知用戶和中央機構該用戶感染 COVID-19 的風險很高。

4. 接近標籤數據用於評估追蹤應用中暴露的威脅。

標籤可以包括其他技術以實現更智慧的功能，例如基於 MEMS 的運動感測器，使其能夠檢測標籤何時移動，從而開始感知周圍環境。這將允許標籤在不使用時保持節電模式，從而延長電池壽命。

當標籤處於活動狀態時，六軸 MEMS 運動感測器與三軸磁力計的融合，將使標籤能夠計算其航向，從而確定用戶之間的相對角度。這使聯繫人記錄，能夠包括有關聯繫人是否是面對面的資訊（這增加了傳播的可能性）。包括 USB 通信和板載數據儲存，也可能很有用，以便標籤僅在連接到 PC ，或連接到無線接入點時，才提供其資訊。

超音波收發器，可以具有非常寬的視野，可達 180 度。然而，空氣中的超音波會被佩戴者的身體阻擋。因此，如果標籤作為徽章或掛繩佩戴，則單個感測器將僅覆蓋佩戴者前方的半球形區域。要實現 360 度全覆蓋，需要第二個收發器覆蓋用戶身後的區域（圖 5）。今天提供的感測器支持這種可擴展性，通常透過提供兩線接口（如 I2C）以及驅動程序來允許主機微控制器管理具有兩個、三個、四個，甚至更多收發器的系統。