Cum să utilizați o soluție cu montare directă pentru a accelera dezvoltarea unor modele sofisticate de monitorizare a prezenței

Monitorizarea prezenței are un rol esențial în automatizarea clădirilor, sănătate, siguranță și securitate. Deși dezvoltatorii pot folosi componente disponibile pentru a pune cap la cap soluții adecvate pentru numărarea persoanelor și pot dezvolta algoritmii corespunzători, acest lucru poate necesita mult timp și poate fi costisitor. Pe fondul așteptărilor crescute pentru livrarea mai rapidă a soluțiilor cu funcții și caracteristici mai sofisticate și mai actualizate, inclusiv compatibilitate pentru cerințele de distanțare socială, este nevoie de o abordare mai simplă și mai rapidă.

Acest articol discută despre monitorizarea prezenței și despre motivul pentru care a devenit o caracteristică atât de importantă. Apoi, prezintă și descrie modul în care se poate începe cu un kit cuprinzător și complet de numărare a persoanelor de la Analog Devices. Cu ajutorul kitului, proiectanții pot satisface diversele cerințe pentru o listă din ce în ce mai mare de aplicații sofisticate bazate pe funcționalitatea de monitorizare a prezenței.

De ce contează monitorizarea prezenței

Capacitatea de monitorizare a numărului de persoane, a localizării și a mișcărilor acestora în interiorul unei clădiri are un rol din ce în ce mai important în multiple aplicații. În cadrul sistemelor automatizate de gestionare a clădirilor (BMS), capacitatea de a urmări utilizarea camerelor și mișcările ocupanților rămâne fundamentală pentru a obține toate avantajele birourilor, ale sălilor de ședință și ale altor spații comune. În timpul unor valuri pandemice, această capacitate ajută la asigurarea faptului că ocupanții pot menține o distanță sigură în spațiile interioare.

Chiar și odată cu întoarcerea persoanelor în clădirile de birouri, capacitatea de a monitoriza prezența în încăperi ajută companiile să limiteze risipa de energie cauzată de numărul mare de spații nefolosite. Ratele de ocupare a birourilor, care scăzuseră deja la aproximativ 68% în 2019 [a], s-au prăbușit în timpul pandemiei, revenind la doar aproximativ 32% la mijlocul anului 2021 [b].

Totuși, dincolo de optimizarea utilizării spațiilor din clădiri și dincolo de sprijinirea distanțării sociale, o măsură activă a prezenței a devenit esențială pentru a limita consumul de energie aflat în creștere. Potrivit Consiliului Mondial pentru Clădiri Verzi [1], clădirile și construcțiile contribuie cu 39% din totalul emisiilor de carbon la nivel mondial. Mai precis, energia utilizată pentru iluminarea, încălzirea și răcirea clădirilor reprezintă 28% din emisiile de carbon la nivel mondial. (Restul de 11% se referă la costurile legate de carbon pe durata ciclului de viață al clădirii, în ceea ce privește materialele și construcțiile.)

După ce au rămas stabile în cea mai mare parte a ultimului deceniu, emisiile de carbon legate de clădiri au crescut la un nivel record în 2019, din cauza creșterii cererii de energie determinată de condițiile meteorologice mai dure. De fapt, 2019 s-a dovedit a fi cel mai cald an înregistrat din 2016, când tiparele meteorologice globale și creșterea temperaturilor globale s-au combinat și au format o „furtună perfectă” de vreme neobișnuit de caldă.

Această tendință de vreme mai caldă a continuat, 2020 dovedindu-se a fi mai cald decât 2019. Prin urmare, cei mai calzi trei ani înregistrați până în prezent sunt 2016 (locul 1), 2020 (locul 2) și 2019 (locul 3), potrivit Administrației Naționale Oceanice și Atmosferice a SUA (NOAA) [2]. Tendința continuă, iulie 2021 fiind înregistrată ca fiind cea mai fierbinte lună înregistrată vreodată la nivel mondial [3]. Având în vedere că fiecare dintre cele patru luni care au precedat luna iulie s-a clasat în primele 10 cele mai calde luni înregistrate vreodată [4], NOAA anticipează că anul 2021 va deveni probabil unul dintre primii 10 cei mai călduroși ani înregistrați vreodată la nivel global.

La nivel mondial, în strategiile naționale de reducere a emisiilor de carbon care afectează clima se consideră că utilizarea mai eficientă a energiei în clădiri este esențială pentru planificarea acestora. Pentru companiile individuale, reducerea consumului de energie oferă beneficii directe pentru profitul lor, precum și pentru bunăstarea angajaților lor.

În ciuda importanței din ce în ce mai mari a datelor de bază privind prezența, în ceea ce privește reducerea la minimum a consumului de energie, cele mai multe companii se bazează pe datele de pe cardul de acces sau pe observarea vizuală – niciuna dintre acestea nu poate furniza informații precise și actualizate privind utilizarea încăperilor, necesare pentru un management eficient al energiei în clădiri. Este nevoie de un mijloc mai eficient de detectare a ocupanților.

Implementarea unei soluții de detectare a ocupanților

Proiectarea și punerea în aplicare a unei soluții automatizate de detectare a ocupanților necesită expertiză în mai multe domenii pentru a combina senzorii, procesoarele de mică putere și conectivitatea cu algoritmi preciși de numărare a persoanelor în aplicații complete, capabile să răspundă instantaneu atunci când oamenii intră și ies din spațiile interioare. Dezvoltarea și susținerea acestora necesită timp și resurse. Analog Devices oferă o cale mai simplă: ADSW4000 EagleEye, o platformă completă cu montare directă bazată pe senzori cu vedere 2D, consum redus de energie și lățime de bandă redusă, concepută special pentru a furniza date actualizate pentru a optimiza utilizarea spațiului și a minimiza consumul de energie.

Kitul cuprinde algoritmul brevetat al Analog Devices, People Count, care rulează pe un membru al seriei de procesoare digitale de semnal (DSP) Blackfin ADSP-BF707 de la Analog Devices. ADSW4000 EagleEye oferă date de utilizare pentru spații interioare separate, permițând companiilor să echilibreze utilizarea spațiului de birouri și consumul de energie, pentru utilitate maximă.

Deoarece își execută sarcinile de analiză a imaginilor și de numărare a persoanelor exclusiv pe procesorul Blackfin, algoritmul EagleEye garantează că toate imaginile rămân pe ADSW4000, astfel încât nicio informație de identificare personală nu părăsește platforma, în conformitate cu un număr tot mai mare de reglementări mondiale privind confidențialitatea. De fapt, rezultatele generate de procesorul Blackfin se limitează la un pachet de date care conține numărul de persoane dintr-o regiune de interes (ROI) monitorizată, localizarea x,y a acestora în regiunea respectivă și dacă sunt sau nu în mișcare.

Pentru a ajuta la accelerarea dezvoltării aplicațiilor de monitorizare a ocupanților la nivel înalt, Analog Devices integrează platforma ADSW4000 EagleEye People Count în kitul de testare EVAL-ADSW4000KTZ EagleEye. Fiind o implementare completă la cheie de la senzor la cloud a algoritmului EagleEye, kitul de testare permite utilizatorilor să implementeze imediat monitorizarea prezenței cu ajutorul aplicației disponibile și a tabloului de bord online bazat pe cloud. În mod alternativ, kitul poate funcționa ca bază pentru sisteme personalizate, permițând dezvoltatorilor să se concentreze mai degrabă asupra aplicațiilor de nivel superior, decât asupra detaliilor de implementare a propriilor metode de numărare a persoanelor.

Subsistemele individuale accelerează implementarea

Kitul de testare EagleEye cuprinde o pereche de subsisteme, utilizând un subsistem bazat pe DSP-ul Blackfin pentru a genera date de numărare a persoanelor și un subsistem separat bazat pe unitatea de microcontroler (MCU) ADuCM4050 de la Analog Devices pentru a gestiona conectivitatea și funcționalitatea aplicației de nivel superior (Figura 1). După cum s-a menționat anterior, funcționalitatea esențială de numărare a persoanelor se află în subsistemul DSP EagleEye al kitului de testare, pe care rulează algoritmul EagleEye ADSW4000.

Figura 1: în kitul de testare EagleEye de la Analog Devices, un subsistem DSP achiziționează și procesează imagini folosind algoritmul ADSW4000 EagleEye PeopleCount care rulează pe un membru al seriei de DSP-uri Blackfin ADSP-BF707 de la Analog Devices. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru achiziția de imagini din regiunea de interes, subsistemul utilizează un modul de detectare cu vedere 2D bazat pe sistemul pe cip (SoC) pentru imagini digitale ASX340AT3C00XPED0-DPBR CMOS de la onsemi combinat cu un filtru infraroșu (IR). În colaborare cu serviciile cadru EagleEye de la Analog Devices, algoritmul EagleEye PeopleCount ADSW4000 rulează pe DSP-ul Blackfin ADSP-BF707, utilizând memoria flash serială IS25LP512M de 512 megabiți (Mbit) de la ISSI și memoria sincronă dinamică cu acces aleatoriu (SDRAM) MT46H64M16LF de 1 gigabit (Gbit) de la Micron Technology, cu viteză dublă de transfer de date (DDR) și consum redus de energie.

În acest subsistem, DSP-ul ADSP-BF707 Blackfin este foarte potrivit pentru a gestiona sarcinile complexe de achiziție și procesare a imaginilor necesare pentru numărarea persoanelor. Linia sa principală de procesare a semnalelor include mai multe unități hardware de multiplicare-acumulare (MAC) împreună cu capacități de instrucțiune unică, date multiple (SIMD).

Rulând pe procesorul ADSP-BF707 Blackfin, algoritmul ADSW4000 ADI EagleEye PeopleCount atinge o precizie de până la 90% în ceea ce privește numărarea în zona țintă. La fel de important este și faptul că subsistemul returnează rapid rezultatele. De exemplu, subsistemul are nevoie de numai 300 de milisecunde (ms) din momentul în care o persoană intră într-o regiune de interes pentru a identifica faptul că aceasta a trecut de la o stare liberă la una ocupată. Timpul necesar pentru a identifica o schimbare a stării ROI de la ocupat la liber poate fi configurat de către utilizator, setarea implicită fiind de cinci minute.

Latența este la fel de scăzută pentru datele generate în ceea ce privește numărul de persoane și locația. Algoritmul furnizează date actualizate privind numărul de persoane și locația în 1,5 secunde după ce o persoană se deplasează într-o zonă definită de utilizator în timpul punerii în funcțiune. După detectarea unei persoane, algoritmul are nevoie de numai 113 ms pentru a furniza date actualizate privind numărul și locația.

După cum s-a menționat mai sus, platforma EagleEye de la Analog Devices nu transmite nicio imagine capturată. În schimb, DSP-ul utilizează portul său universal de emisie-recepție asincronă (UART) în modul push pentru a transmite metadatele de prezență. Transmis în format JSON, acest pachet de metadate include starea de ocupare (ocupat sau liber), numărul de persoane, locația persoanelor sub formă de coordonate x,y, împreună cu alte date (Tabelul 1).

Tabelul 1: algoritmul EagleEye de la Analog Devices păstrează confidențialitatea utilizatorilor prin faptul că nu transmite informații de identificare personală, ci generează un pachet care include metadatele enumerate aici. (Sursă tabel: Analog Devices)

În aval de subsistemul DSP, subsistemul MCU ADuCM4050 rulează în mediul AWS FreeRTOS, susținând aplicația EagleEye de nivel înalt și serviciile de conectivitate necesare pentru punerea în funcțiune a senzorilor și comunicarea cu serviciul asociat bazat pe cloud de la Analog Devices (Figura 2).

MCU ADuCM4050 pe 32 de biți oferă un mediu de procesare cuprinzător pentru aplicațiile pentru Internetul industrial al lucrurilor (IIoT), cum ar fi EagleEye de la Analog Devices. Pentru a susține sarcinile de lucru complexe ale aplicațiilor industriale, ADuCM4050 se bazează pe un nucleu de procesor Arm®Cortex®-M4F de 52 megahertzi (MHz) cu unitate în virgulă mobilă (FPU) integrată, unitate de protecție a memoriei (MPU), accelerator criptografic hardware și stocare protejată a cheilor.

Figura 2: bazat pe ADuCM4050 de la Analog Devices, subsistemul MCU al kitului de testare EagleEye acceptă aplicația IIoT de nivel superior și oferă servicii de conectivitate la nivel local și între kit și cloud sau alte sisteme de gestionare a clădirilor. (Sursă imagine: Analog Devices)

Un set de caracteristici integrate de gestionare a consumului de energie, inclusiv mai multe moduri de alimentare și capacități de gestionare a ceasului, permit dispozitivului să obțină o execuție cu consum redus de energie. Drept urmare, MCU necesită doar 41 microamperi pe megahertz (μA/MHz) (tipic) în modul activ și 0,65 μA (tipic) în modul de hibernare. În timpul perioadelor inactive, procesorul consumă doar 0,20 μA (tipic) la trezirea în modul de oprire rapidă sau doar 50 de nanoamperi (nA) în modul de oprire completă.

Cum să începeți rapid să numărați oamenii

În kitul de testare, Analog Devices combină subsistemele DSP și MCU cu un senzor de cameră, o lentilă, leduri și butoane într-un pachet compact (Figura 3).

Figura 3: proiectată pentru o implementare rapidă, unitatea senzorului cu vedere 2D din kitul de testare EagleEye de la Analog Devices poate fi montată cu ușurință deasupra unei regiuni de interes pentru numărarea persoanelor. (Sursă imagine: Analog Devices)

Dezvoltatorii pot implementa rapid numărarea persoanelor prin simpla montare a unității senzorului într-o cameră sau într-un spațiu interior, direct deasupra unei regiuni de interes. Senzorul poate utiliza energie din mai multe surse. Utilizatorii pot conecta un cablu la conectorul de curent continuu al unității pentru a alimenta o sursă de curent continuu de la 5,5 până la 36 de volți sau o pot alimenta printr-o sursă de alimentare USB folosind un cablu micro USB sau o extensie USB activă pentru distanțe mai mari de 1 metru (m).

După montarea unității senzorului, utilizatorii pot confirma vizual poziționarea senzorului și câmpul de vizualizare (FOV) dorit cu ajutorul aplicației EagleEye PeopleCount, disponibilă în Apple App Store pentru tabletele iOS sau în Google Play pentru tabletele Android (Figura 4).

Figura 4: aplicația EagleEye PeopleCount de la Analog Devices permite o confirmare ușoară a amplasării unității senzorului înainte de punerea în funcțiune. (Sursă imagine: Analog Devices)

După ce utilizatorii verifică FOV-ul senzorului, aceștia continuă cu procesul scurt de punere în funcțiune a dispozitivului. În timpul punerii în funcțiune și, ulterior, în timpul funcționării, utilizatorii pot observa ledurile DSP și MCU încorporate în unitatea senzorului pentru monitorizarea stării curente a subsistemelor respective (Tabelul 2).

Tabelul 2: ledurile separate încorporate în unitatea de senzori a kitului de testare EagleEye de la Analog Devices oferă o indicație continuă a stării subsistemelor DSP și MCU. (Sursă tabel: Analog Devices)

Aplicația îi ghidează pe utilizatori prin cei câțiva pași necesari pentru punerea în funcțiune a senzorului. În acest proces, utilizatorii indică ce zone ar trebui monitorizate de algoritm în cadrul FOV-ului, prin marcarea unei serii de măști inclusive, cum ar fi masca de podea (Figura 5, stânga). Zonele care trebuie excluse sunt la fel de importante pentru o numărătoare exactă. În timpul procesului de punere în funcțiune, aplicația însoțitoare permite utilizatorilor să specifice diferite măști de excludere, de exemplu, ferestre și ecrane (Figura 5, dreapta).

Figura 5: în timpul punerii în funcțiune, utilizatorii folosesc aplicația însoțitoare pentru a identifica zonele pe care algoritmul EagleEye PeopleCount ar trebui să le examineze sau să le ignore, folosind măști de includere, cum ar fi masca de podea (stânga), și măști de excludere (dreapta) pentru ferestre sau alte zone care diminuează precizia numărării persoanelor. (Sursă imagine: Analog Devices)

Odată montată și pusă în funcțiune, unitatea senzorului începe să transmită metadatele către cloud-ul Analog Devices. Prin conectarea la cloud cu ajutorul datelor furnizate în timpul înregistrării, utilizatorii pot examina o serie de reprezentări grafice ale prezenței (Figura 6).

Figura 6: după montarea și punerea în funcțiune a unității senzorului din kitul de testare EagleEye de la Analog Devices, utilizatorii se pot conecta la un tablou de bord online în cloud-ul Analog Devices pentru a vizualiza datele de ocupare în timp real. (Sursă imagine: Analog Devices)

Platforma tehnologică EagleEye PeopleCount de la Analog Devices poate fi încorporată în proiecte personalizate construite cu procesorul Blackfin corespunzător și cu memoria flash externă adecvată. De asemenea, Analog Devices pune la dispoziție pachetul software EagleEye pentru clienții de kituri de testare înregistrați. Pentru subsistemul MCU din aval, dezvoltatorii pot furniza funcționalități suplimentare, inclusiv mai mulți senzori, utilizând orice model de platformă de sistem capabilă să ruleze interfața senzorului EagleEye și să asigure conectivitatea necesară. Cu toate acestea, pentru dezvoltatorii care doresc să utilizeze rapid numărarea persoanelor în sistemele lor de gestionare a clădirilor, kitul de testare EagleEye de la Analog Devices oferă o soluție la cheie de la senzor la cloud.

Concluzie

Pe măsură ce companiile plătesc prețul unui consum semnificativ de energie în clădiri din cauza iluminatului, încălzirii și răcirii birourilor, gestionarea eficientă a resurselor din spațiile de birouri, adesea vacante, determină necesitatea unor date mai precise privind gradul de ocupare. Bazat pe un algoritm brevetat care rulează pe un procesor de semnal digital de mică putere, kitul de testare ADSW4000KTZ oferă o platformă completă de la senzor la cloud pentru evaluarea și implementarea monitorizării prezenței, capabilă să furnizeze date în timp real, la nivel de cameră, privind gradul de ocupare, necesare pentru o gestionare mai eficientă a energiei în clădiri.

Referințe

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/