WLAN hat einen seltsamen neuen Smart-Home-Anwendungsfall: Menschen erkennen

Wi-Fi verbindet normalerweise Ihr Smart Home, aber es kann auch erkennen, ob sich jemand darin befindet. Der Trick besteht nicht darin, ein Telefon zu verfolgen oder Verbindungsprotokolle zu überwachen. Stattdessen gibt es Systeme, die beobachten können, wie ein menschlicher Körper die durch einen Raum laufenden Funkwellen verändert. Diese Idee ist auch kein Forschungsbeispiel mehr, das nur im Labor durchgeführt wird. Forscher haben Wi-Fi für alles von der Aktivitätserkennung bis zur Identifizierung von Menschen verwendet, und Router werden in der realen Welt bereits zu Bewegungssensoren.

Und jetzt wird es für Home Assistant-Nutzer durch günstige ESP32-Boards, ESPHome und Software wie TOMMY zugänglich. Das Ergebnis ähnelt einem mmWave-Präsenzsensor, aber sein Betriebsmodell, seine Reichweite und seine Kompromisse sind überraschend unterschiedlich.

Ich habe meinen 60-Dollar-Raspberry Pi durch einen 5-Dollar-ESP32 ersetzt und mein Smart Home hat es nie bemerkt

Kleinere Platine, dasselbe intelligente Zuhause.

Ihr Router hat Ihnen leise beim Atmen zugesehen

Radiowellen prallen von Wänden, Möbeln und, unangenehmerweise, von dir ab

Ein Wi-Fi-Signal nimmt selten einen sauberen, direkten Weg zwischen zwei Geräten. Auf dem Weg zu seinem Ziel prallt es an Wänden, Möbeln und, noch wichtiger, an Menschen ab. Das erzeugt mehrere Pfade, die zu leicht unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Stärken ankommen. Das Betreten dieser Umgebung verändert diese Pfade, weil der Körper einen Teil dieser Funkenergie reflektiert, absorbiert und streut. Sogar Atmen oder das Bewegen auf einem Stuhl kann kleine, aber bemerkbare Veränderungen erzeugen.

Die Metrik, die dies abbildet, wird als Channel State Information oder CSI bezeichnet. Auf einem ESP32 beschreibt CSI die Frequenzantwort des Kanals über die einzelnen Unterträger, die von einer OFDM-Wi-Fi-Übertragung verwendet werden. Sie liefert weitaus detailliertere Informationen als ein einfacher Signalstärkedisplay, einschließlich amplituden- und phasenbezogener Kanaldaten. Espressif stellt APIs bereit, die es kompatiblen ESP32-Chips ermöglichen, CSI zu sammeln, wann immer Pakete empfangen werden, wodurch ein ansonsten einfacher Wi-Fi-Mikrocontroller zu einem grundlegenden Funkerkennungsknoten wird.

Dann kann die Software diese Messungen über die Zeit vergleichen. Ein stabiles CSI-Muster deutet darauf hin, dass die Umgebung relativ ruhig ist, während ein sich änderndes Muster Bewegung anzeigen kann. Mit empfindlicher Hardware und geeigneter Verarbeitung können wiederkehrende Mikrobewegungen wie Atmung die Erkennung einer stationären Anwesenheit unterstützen. Das System identifiziert nicht ein angeschlossenes Gerät, das von jemandem getragen wird; es erkennt die physische Auswirkung eines Körpers auf einen Funkkanal.

CSI ist kein mmWave, und so zu tun, als ob, endet schlecht

Verschiedene Radios, verschiedene Frequenzen, sehr unterschiedliche Meinungen über Wände

Wi-Fi-Sensorik und mmWave lösen oft dasselbe Smart-Home-Problem, aber sie sind nicht dasselbe. Ein mmWave-Präsenzsensor ist ein zweckgebautes Radar, das in der Regel bei 24, 60 oder 77 GHz arbeitet. Es sendet ein Signal aus und untersucht seine Reflexionen, um Bewegung und, abhängig von der vorhandenen Hardware, Details wie Reichweite, Geschwindigkeit und Winkel abzuschätzen. Seine Empfindlichkeit gegenüber winzigen Bewegungen macht ihn nützlich, um das Licht einzuschalten, während jemand an einem Schreibtisch sitzt.

CSI-Sensortechnik verwendet hingegen gewöhnliche Wi-Fi-Signale in den 2,4-GHz- oder 5-GHz-Bändern. Diese niederfrequenten Signale reisen in der Regel weiter und dringen leichter durch gängige Hindernisse, sodass ein Knotenpaar auch Möbel oder Wände überwachen kann. Das macht eine Sichtlinienplatzierung überflüssig, erhöht aber auch die Ungenauigkeit der Grenzen. Eine Person, die in einem Flur geht, kann eine Verbindung stören, die für das Wohnzimmer vorgesehen ist. Aktuelle ESP32-Boards haben außerdem begrenzte Antennen- und Kanalfähigkeiten, sodass Aussagen über exakte Lokalisierung, Haltungserkennung oder zuverlässige Personenzählung anders behandelt werden sollten als einfache Bewegungs- und Belegungsdetektion.

TOMMY verwandelt deinen Stapel Ersatz-ESP32s in einen Anwesenheitssensor

Zwei Bretter, eine Band und ein Server, der online bleiben muss

TOMMY verpackt CSI-Erfassung in etwas, das einem durchschnittlichen Smart-Home-Produkt ähnelt. Eine Zone benötigt mindestens zwei unterstützte ESP32-Geräte im gleichen WLAN-Band, die mindestens einen Meter voneinander entfernt aufgestellt sind. Die Geräte tauschen kleine Pakete aus, und die Empfänger extrahieren CSI aus diesen Übertragungen. Der Server von TOMMY analysiert dann die Daten gemeinsam und stellt die Zone Home Assistant oder einer Matter-kompatiblen Plattform als Sensor zur Verfügung.

Wenn Sie Ihr Zuhause bereits mit ESPHome-Hardware ausgestattet haben, ist dies besonders nützlich. TOMMY unterstützt die ursprünglichen ESP32-, C3-, C5-, C6-, S2- und S3-Familien. Ein Board kann dedizierte TOMMY-Firmware ausführen, aber die externe ESPHome-Komponente kann Sensorik hinzufügen, ohne die bestehende Funktion des Geräts zu entfernen. Das bedeutet, dass alle Ihre vorhandenen ESP32-basierten Smart-Geräte in Präsenz-Erkennungsknoten umgewandelt werden können, ohne neue Hardware hinzuzufügen.

Es gibt jedoch technische Haken. Der ESPHome-Build muss ESP-IDF verwenden, da die CSI-Unterstützung davon abhängt, und TOMMY ändert die entsprechenden SDK-Konfigurationsoptionen. Die externe Komponente wird während der Kompilierung vom lokalen TOMMY-Server heruntergeladen, sodass dieser Server verfügbar sein muss. Im Mesh-Wi-Fi müssen Knoten, die zu einer Zone gehören, mit demselben Zugangspunkt verbunden sein, was erfordern kann, sie an eine bestimmte BSSID zu binden.

Billige Chips erkennen Bewegung, nur neuere bemerken, dass du still sitzt

Stationäre Präsenz benötigt ein C6 oder C5 und viel Geduld

Nur der ESP32-C5 und C6 können stationäre Anwesenheit erkennen. Der ursprüngliche ESP32, C3, S2 und S3 beschränken sich auf Bewegungserkennung, was sie besser als bewegungssensitive Endpunkte einsetzbar macht, statt als direkte Ersatz für einen guten mmWave-Sensor. TOMMY listet den ESP32-C6 im 2,4-GHz-Band als in der Lage, zwei oder mehr Geräte zu unterstützen, und den neueren, dualen ESP32-C5 im 5-GHz-Band mit vier oder mehr Geräten als die optimale Konfiguration. Für stationäre Anwesenheit empfiehlt der Entwickler eine Mesh-Topologie, bei der fast jedes Gerät sendet, um eine umfassendere Abdeckung zu erreichen, und eine Haltezeit von etwa 10 Sekunden.

Auch die Platzierung ist wichtig, da eine TOMMY-Zone den Raum zwischen ihren Knoten abdeckt, unabhängig von den Raumgrenzen. Sicher, mehr Verbindungen verbessern die Abdeckung, aber sie können auch Störungen durch Haustiere, Ventilatoren, Vorhänge oder Personen hinter einer Wand aufnehmen. TOMMY erkennt nicht von selbst, dass eine Funkstörung von einem Menschen verursacht wurde, daher bleiben das Anpassen der Schwellenwerte und das physische Anordnen der Knoten Teil der Installation.

Clever, logisch und definitiv kein mmWave-Killer

Geschlossene Quelle, Testunterbrechungen und ein Server, der nach Hause telefoniert

Der größte Vorteil hier ist die Wiederverwendbarkeit. Ein paar ESP32-Boards oder Geräte, die bereits ESPHome ausführen, können belegungsabhängige Beleuchtungs- und HVAC-Automatismen hinzufügen, ohne dass Kameras oder ein Radarmodul in jedem Raum erforderlich sind. Die Sensordaten bleiben in Ihrem lokalen Netzwerk, und der Server kann als Home Assistant App oder Linux Docker-Container betrieben werden. Er ist jedoch im Kern Closed-Source, obwohl die Home Assistant-Integration Open Source ist. Die kostenlose Testversion pausiert die Erkennung für eine Minute von jeweils zwei, und die kostenpflichtige Version verwendet eine Einmal-Lizenz, während der Server weiterhin Internetzugang zur Lizenzüberprüfung benötigt.

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Dieser winzige Chip leistet zu viel.

Das macht Wi-Fi CSI zu einer faszinierenden Ergänzung zu PIR und mmWave, statt zu einem universellen Ersatz. mmWave ist immer noch eine gute Wahl, wenn ein Raum eine genau kontrollierte Abdeckung oder detaillierte Abstandsmessung benötigt. Wi-Fi-Sensing macht mehr Sinn, wenn breite Abdeckung, versteckte Knoten, Wände-durchdringende Erkennung, niedrige Hardwarekosten und Wiederverwendung von ESPHome wichtiger sind. Nichts nimmt den Raum sichtbar wahr. Dieselben Funkgeräte, die bereits Ihre Sensordaten und Automatisierungsbefehle übertragen, werden zum Sensor. Mit realistischen Erwartungen und sorgfältiger Platzierung kann Wi-Fi einem Smart Home nicht nur mitteilen, dass es angeschlossene Geräte gibt, sondern auch, dass tatsächlich jemand anwesend ist.