Sposób wykorzystania gotowych rozwiązań do szybszego opracowywania zaawansowanych projektów monitorowania obecności

Monitorowanie obecności odgrywa kluczową rolę w automatyce budynków, opiece zdrowotnej, bezpieczeństwie i ochronie. Chociaż deweloperzy mogą poskładać odpowiednie rozwiązania do zliczania osób spośród dostępnych komponentów i opracować odpowiednie algorytmy, może to być czasochłonne i kosztowne. W obliczu zwiększonych oczekiwań w zakresie szybszego dostarczania rozwiązań z bardziej wyrafinowanymi i aktualnymi możliwościami i funkcjami, w tym obsługą wymogów zachowania dystansu społecznego, potrzebne jest prostsze i szybsze podejście.

W niniejszym artykule omówiono monitorowanie obecności i to, dlaczego stało się ono tak istotną funkcją. Następnie przedstawiono i opisano sposób rozpoczęcia korzystania z kompleksowego zestawu do liczenia osób firmy Analog Devices. Korzystając z tego zestawu, projektanci mogą spełnić różnorodne wymagania dotyczące rozszerzającej się listy zaawansowanych aplikacji opartych na funkcji monitorowania obecności.

Dlaczego monitorowanie obecności ma znaczenie

Możliwość monitorowania liczby osób, ich lokalizacji oraz ich przemieszczania się w budynku znajduje coraz większą rolę w wielu zastosowaniach. W zautomatyzowanych systemach zarządzania budynkiem (BMS) możliwość śledzenia wykorzystania pomieszczeń i przemieszczania się użytkowników pozostaje podstawą do pełnego wykorzystania zalet biur, sal konferencyjnych i innych wspólnych obszarów. Podczas pandemii ta możliwość pomaga zapewnić zachowanie bezpiecznej odległości między osobami w budynku.

Nawet gdy ludzie wracają do budynków biurowych, możliwość monitorowania obecności w pomieszczeniach pomaga firmom ograniczyć marnowanie energii na zazwyczaj dużej nieużywanej powierzchni w budynkach. Wskaźniki obecności w biurach, które już w 2019 r. wynosiły tylko około 68% [a], gwałtownie spadły podczas pandemii, wracając do zaledwie około 32% w połowie 2021 r. [b].

Poza optymalizacją wykorzystania przestrzeni w budynku i ułatwieniem zachowania dystansu społecznego, aktywny pomiar obecności stał się niezbędny do ograniczenia zużycia energii. Według Światowej Rady Budownictwa Ekologicznego [1] budynki i budownictwo przyczyniają się do 39% całej emisji dwutlenku węgla na świecie. Dokładniej mówiąc, energia wykorzystywana do oświetlania, ogrzewania i chłodzenia budynków odpowiada za 28% światowej emisji dwutlenku węgla. (Pozostałe 11% dotyczy kosztów emisji dwutlenku węgla w całym cyklu życia budynku w odniesieniu do materiałów i konstrukcji).

Poziom emisji dwutlenku węgla związanej z budynkami utrzymywał się na stałym poziomie przez większość ostatniej dekady, natomiast wzrósł do rekordowego poziomu w 2019 r. ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na energię spowodowane bardziej ekstremalnymi warunkami pogodowymi. W rzeczywistości rok 2019 okazał się najgorętszym rokiem od 2016 roku, kiedy to nastąpiła kumulacja globalnych wzorców pogodowych i rosnących temperatur na całym świecie, która przyczyniła się do „idealnej burzy” niezwykle ciepłej pogody.

Ten trend na cieplejszą pogodę trwa nadal, a rok 2020 okazał się cieplejszy niż rok 2019. W rezultacie trzy najcieplejsze lata w historii obejmują obecnie rok 2016 (1.), 2020 (2.) i 2019 (3.), według amerykańskiej Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA) [2]. Trend ten trwa nadal, a lipiec 2021 roku ogłoszono najgorętszym miesiącem na świecie spośród wszystkich odkąd prowadzi się pomiary [3]. W związku z tym, że cztery miesiące poprzedzające lipiec znalazły się w pierwszej dziesiątce najcieplejszych miesięcy w historii [4], NOAA przewiduje, że rok 2021 prawdopodobnie stanie się jednym z 10 najcieplejszych lat, jakie kiedykolwiek zarejestrowano na kuli ziemskiej.

Globalnie, w krajowych strategiach ograniczania wpływających na klimat emisji dwutlenku węgla, bardziej efektywne wykorzystanie energii w budynkach traktuje się jako kluczowe. Mniejsze zużycie energii przynosi firmom bezpośrednie korzyści pod kątem wyników finansowych, a także w samopoczucia pracowników.

Pomimo rosnącego znaczenia podstawowych danych o obecności dla minimalizowania zużycia energii, większość firm polega na danych z kart dostępu lub obserwacji wizualnej - żaden z tych sposobów nie jest w stanie dostarczyć dokładnych, aktualnych informacji o wykorzystaniu pomieszczenia, niezbędnych do efektywnego zarządzania energią w budynku. Potrzebne są bardziej efektywne środki wykrywania obecności.

Wdrażanie rozwiązania programowego opartego na przerwaniach

Zaprojektowanie i wdrożenie zautomatyzowanego rozwiązania do wykrywania obecności wymaga specjalistycznej wiedzy w wielu obszarach, aby połączyć czujniki, energooszczędne procesory i łączność z dokładnymi algorytmami zliczania osób w pełne aplikacje, zdolne do natychmiastowej reakcji, gdy ludzie wchodzą do pomieszczeń i z nich wychodzą. Prace rozwojowe i wsparcie wymagają czasu i zasobów. Firma Analog Devices oferuje prostszą drogę: ADSW4000 EagleEye to kompletna, oparta na czujnikach wizyjnych 2D, gotowa platforma o niskiej mocy i małej szerokości pasma, zaprojektowana specjalnie do dostarczania aktualnych danych w celu optymalizacji wykorzystania przestrzeni i minimalizacji zużycia energii.

Zestaw zawiera zastrzeżony algorytm People Count firmy Analog Devices działający na cyfrowych procesorach sygnałowych (DSP) Blackfin serii ADSP-BF707firmy Analog Devices. Zestaw ADSW4000 EagleEye dostarcza dane dotyczące wykorzystania oddzielnych przestrzeni wewnętrznych, umożliwiając firmom zbilansowanie wykorzystania powierzchni biurowej i zużycia energii w celu uzyskania maksymalnej optymalizacji.

Ponieważ zestaw przeprowadza analizę obrazu i zlicza osoby wyłącznie na procesorze Blackfin, algorytm EagleEye gwarantuje, że wszystkie obrazy pozostają w procesorze ADSW4000, więc żadne informacje umożliwiające identyfikację nigdy nie opuszczają platformy, co jest zgodne z rosnącą liczbą ogólnoświatowych przepisów dotyczących prywatności. W rzeczywistości wyniki generowane przez procesor Blackfin są ograniczone do pakietu danych zawierającego liczbę osób w monitorowanym regionie zainteresowania (ROI), ich lokalizację x,y w tym regionie oraz informację, czy są w ruchu.

Aby przyspieszyć rozwój aplikacji wysokiego poziomu do monitorowania obecności, firma Analog Devices zintegrowała platformę ADSW4000 EagleEye People Count w zestawie próbnym EagleEye EVAL-ADSW4000KTZ. Ten zestaw próbny, stanowiący gotową do użycia implementację algorytmu EagleEye typu czujnik-chmura, umożliwia użytkownikom natychmiastowe wdrożenie funkcji monitorowania obecności za pomocą dostępnej aplikacji i internetowego pulpitu nawigacyjnego w chmurze. Zestaw może także służyć jako podstawa do budowy niestandardowych systemów, umożliwiając deweloperom skupienie się na aplikacjach wyższego poziomu, a nie na szczegółach wdrażania własnych metod liczenia osób.

Poszczególne podsystemy przyspieszają wdrożenie

Zestaw próbny EagleEye składa się z pary podsystemów wykorzystujących jeden podsystem oparty na cyfrowym procesorze sygnałowym (DSP) Blackfin do generowania danych dotyczących liczenia osób oraz osobny podsystem oparty na mikrokontrolerze ADuCM4050 firmy Analog Devices do obsługi łączności i działania aplikacji wyższego poziomu (ilustracja 1). Jak wspomniano wcześniej, krytyczna funkcja zliczania osób realizowana jest w podsystemie cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) EagleEye zestawu próbnego, w którym działa algorytm ADSW4000 EagleEye.

Ilustracja 1: w zestawie próbnym EagleEye firmy Analog Devices, podsystem cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) pozyskuje i przetwarza obrazy przy użyciu algorytmu ADSW4000 EagleEye PeopleCount działającego na procesorze DSP Blackfin serii ADSP-BF707 firmy Analog Devices. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Do akwizycji obrazu z obszaru zainteresowania podsystem wykorzystuje moduł czujników wizyjnych 2D oparty na: układzie SoC do obrazów cyfrowych CMOS ASX340AT3C00XPED0-DPBR firmy onsemi połączonym z filtrem podczerwieni. Algorytm EagleEye PeopleCount ADSW4000, współpracując z usługami ramowymi EagleEye firmy Analog Devices, działa na procesorze DSP Blackfin ADSP-BF707 wykorzystującym szeregową pamięć flash 512Mb IS25LP512M firmy ISSIi synchroniczną pamięć dynamiczną 1Gb o dostępie swobodnym (SDRAM) niskiej mocy i podwójnej szybkości przesyłania danych (DDR) MT46H64M16LF firmy Micron Technology.

W tym podsystemie cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) Blackfin ADSP-BF707 jest dobrze przystosowany do obsługi złożonych zadań związanych z akwizycją i przetwarzaniem obrazów wymaganych do liczenia osób. Jego potok przetwarzania sygnału obejmuje wiele sprzętowych jednostek mnożenia i dodawania (MAC) oraz funkcji przetwarzania pojedynczej instrukcji i wielu danych (SIMD).

Działający na procesorze ADSP-BF707 Blackfin algorytm ADSW4000 ADI EagleEye PeopleCount osiąga nawet 90% dokładności zliczania w obszarze docelowym. Co równie ważne, podsystem szybko zwraca wyniki. Przykładowo podsystem potrzebuje zaledwie 300ms od momentu wejścia osoby w obszar zainteresowania (ROI), aby rozpoznać przejście ze stanu braku obecności do stanu obecności. Czas wymagany do zidentyfikowania zmiany stanu obszaru zainteresowania (ROI) z braku obecności na stan obecności jest konfigurowany przez użytkownika, przy czym domyślnym ustawieniem jest pięć minut.

Latencja jest podobnie niska w przypadku generowanych danych o liczbie osób i lokalizacji. Algorytm dostarcza aktualne dane o liczbie osób i lokalizacji w ciągu 1,5 sekundy po przejściu danej osoby do strefy zdefiniowanej przez użytkownika podczas pierwszego uruchamiania. Po wykryciu osoby algorytm potrzebuje tylko 113ms, aby dostarczyć aktualne dane o liczbie osób i ich lokalizacji.

Jak wspomniano wcześniej, platforma EagleEye firmy Analog Devices nie przesyła żadnych przechwyconych obrazów. Zamiast tego cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) używa portu uniwersalnego asynchronicznego nadajniko-odbiornika (UART) w trybie push do przesyłania metadanych o obecności. Ten pakiet metadanych przesyłany w formacie JSON zawiera informacje o stanie obecności (obecność lub brak), liczbie osób, ich lokalizacji w formie współrzędnych x,y oraz z inne dane (tabela 1).

Tabela 1: algorytm EagleEye firmy Analog Devices chroni prywatność użytkowników, nie przesyłając informacji umożliwiających identyfikację osób, a zamiast tego generuje pakiet zawierający wymienione tutaj metadane. (Źródło tabeli: Analog Devices)

Za podsystemem cyfrowego procesora sygnałowego (DSP), znajduje się podsystem mikrokontrolera ADuCM4050, który działa w środowisku AWS FreeRTOS, obsługując aplikację EagleEye wysokiego poziomu i usługi łączności wymagane do uruchomienia czujnika i komunikacji z usługą chmurową powiązaną z Analog Devices (ilustracja 2).

32-bitowy mikrokontroler ADuCM4050 stanowi kompleksowe środowisko przetwarzania do zastosowań przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), takich jak EagleEye firmy Analog Devices. Aby obsługiwać złożone obciążenia zastosowań przemysłowych, mikrokontroler ADuCM4050 opiera się na rdzeniu procesorowym ARM® Cortex®-M4F 52MHz ze zintegrowaną jednostką zmiennoprzecinkową (FPU), jednostką ochrony pamięci (MPU), sprzętowym akceleratorem kryptograficznym i zabezpieczoną pamięcią kluczy.

Ilustracja 2: oparty na mikrokontrolerze ADuCM4050 firmy Analog Devices podsystem mikrokontrolera zestawu próbnego EagleEye obsługuje aplikacje przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) wyższego poziomu i zapewnia usługi łączności lokalnie oraz między zestawem a chmurą lub innymi systemami zarządzania budynkiem. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Zestaw zintegrowanych funkcji zarządzania energią, w tym wiele trybów zasilania i możliwości bramkowania zegara, umożliwia urządzeniu osiągnięcie niskiego zużycia energii. W rezultacie mikrokontroler wymaga tylko 41μA/MHz (wartość typowa) w trybie aktywnym i 0,65μA/MHz (wartość typowa) w trybie hibernacji. W okresach nieaktywności procesor zużywa tylko 0,20μA (wartość typowa) w trybie szybkiego wybudzania lub tylko 50nA w trybie pełnego wyłączenia.

Jak szybko zacząć liczyć ludzi

W kompaktowej obudowie zestawu próbnego firma Analog Devices zmieściła podsystemy cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) i mikrokontrolera z czujnikiem kamery, obiektywem, diodami LED i przyciskami (ilustracja 3).

Ilustracja 3: czujnik wizyjny 2D zaprojektowany do szybkiego wdrożenia w zestawie próbnym EagleEye firmy Analog Devices można łatwo zamontować nad obszarem zainteresowania w celu liczenia osób. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Deweloperzy mogą szybko wdrożyć funkcję liczenia osób, po prostu montując czujnik w pokoju lub przestrzeni wewnętrznej, bezpośrednio nad obszarem zainteresowania. Czujnik może korzystać z zasilania z różnych źródeł. Użytkownicy mogą poprowadzić przewód do złącza prądu stałego urządzenia, podłączając źródło prądu stałego o napięciu od 5,5 do 36V lub zapewnić źródło zasilania USB, używając kabla microUSB lub aktywnego przedłużacza USB w przypadku odległość powyżej 1m.

Po zamontowaniu czujnika użytkownicy mogą wizualnie potwierdzić położenie czujnika i żądane pole widzenia (FOV) za pomocą dołączonej aplikacji EagleEye PeopleCount dostępnej w sklepie Apple App Store dla tabletów z systemem iOS i w sklepie Google Play dla tabletów z systemem Android (ilustracja 4).

Ilustracja 4: aplikacja EagleEye PeopleCount firmy Analog Devices umożliwia łatwe potwierdzenie umieszczenia czujnika przed uruchomieniem. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Po zweryfikowaniu pola widzenia czujnika użytkownicy przystępują do krótkiego procesu pierwszego uruchomienia urządzenia. Podczas pierwszego uruchomienia, a także później podczas pracy, użytkownicy mogą obserwować diody procesora i mikrokontrolera LED wbudowane w czujnik, aby monitorować bieżący stan odpowiednich podsystemów (tabela 2).

Tabela 2: oddzielne diody LED wbudowane w czujnik zestawu próbnego EagleEye firmy Analog Devices zapewniają ciągłą sygnalizację stanu podsystemów procesora i mikrokontrolera. (Źródło tabeli: Analog Devices)

Aplikacja prowadzi użytkowników przez kilka kroków wymaganych do uruchomienia czujnika. W tym procesie użytkownicy wskazują, które obszary algorytm powinien monitorować w polu widzenia, wybierając szereg masek włączających, takich jak maska podłogi (ilustracja 5, po lewej). Dla dokładności obliczeń równie ważne są obszary do wyłączenia. Podczas procesu pierwszego uruchomienia aplikacja towarzysząca umożliwia użytkownikom określanie różnych masek wyłączających, na przykład okien i ekranów monitorów (ilustracja 5, po prawej).

Ilustracja 5: podczas pierwszego uruchomienia użytkownicy korzystają z aplikacji towarzyszącej, aby zidentyfikować obszary, które algorytm EagleEye PeopleCount powinien zbadać lub zignorować, używając masek włączających, takich jak maska podłogi (po lewej) i masek wyłączających (po prawej) do okien lub innych obszarów, które obniżałyby dokładność liczenia osób. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Zamontowany i uruchomiony czujnik zaczyna przesyłać metadane do chmury Analog Devices. Logując się do chmury przy użyciu danych uwierzytelniających podanych podczas rejestracji, użytkownicy mogą sprawdzić szereg graficznych reprezentacji obecności (ilustracja 6).

Ilustracja 6: po zamontowaniu i uruchomieniu czujnika zestawu próbnego EagleEye firmy Analog Devices użytkownicy mogą zalogować się do internetowego pulpitu nawigacyjnego w chmurze Analog Devices, aby wyświetlić dane o obecności w czasie rzeczywistym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Platforma technologiczna EagleEye PeopleCount firmy Analog Devices może być osadzona w niestandardowych projektach zbudowanych z odpowiednim procesorem Blackfin i odpowiednią zewnętrzną pamięcią flash. Dla zarejestrowanych nabywców zestawów próbnych firma Analog Devices udostępnia również pakiet oprogramowania EagleEye. W dalszym podsystemie mikrokontrolera deweloperzy mogą wdrażać dodatkowe funkcje, w tym większą liczbę czujników, przy użyciu dowolnej platformy systemowej zdolnej do obsługi interfejsu sensorycznego EagleEye i zapewnienia wymaganej łączności. Jednak dla deweloperów, którzy chcą szybko wdrożyć funkcję liczenia osób w swoich systemach zarządzania budynkiem, zestaw próbny EagleEye firmy Analog Devices stanowi gotowe rozwiązanie czujnik-chmura.

Podsumowanie

Ponieważ firmy płacą cenę znacznego zużycia energii w budynkach za oświetlenie biurowe, ogrzewanie i chłodzenie, aby efektywnie zarządzać zasobami w często pustych powierzchniach biurowych, istnieje potrzeba pozyskiwania dokładniejszych danych o obecności. Oparty na zastrzeżonym algorytmie działającym na cyfrowym procesorze sygnałowym niskiej mocy zestaw próbny ADSW4000KTZ stanowi kompleksową platformę czujnik-chmura do oceny i wdrażania funkcji monitorowania obecności, zdolną do dostarczania w czasie rzeczywistym danych o obecności na poziomie pomieszczenia, umożliwiając bardziej efektywne zarządzanie energią w budynku.

Bibliografia:

1. https://www.worldgbc.org/news-media/WorldGBC-embodied-carbon-report-published
2. https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/202107/supplemental/page-1
3. https://www.noaa.gov/news/its-official-july-2021-was-earths-hottest-month-on-record
4. https://www.noaa.gov/topic-tags/monthly-climate-report

1. https://www.us.jll.com/en/space-utilization
2. https://www.kastle.com/safety-wellness/getting-america-back-to-work/