Je hebt een gesloten doos. Er zit misschien een levende kat in, maar dat weet je pas als je de doos opent. Voor de meeste mensen is deze situatie een theoretische puzzel die de grondbeginselen van de kwantummechanica op de proef stelt. Voor mij is het echter een urgent praktisch probleem, niet in de laatste plaats omdat de natuurkunde de cruciale vraag van hoe geïrriteerd de kat zal zijn als de doos wordt geopend volledig terzijde schuift. Maar gelukkig komt de techniek te hulp, in de vorm van SparkFun’s nieuwe, op maat gemaakte pulse coherente radarsensor van $ 50.
Misschien moet ik me wat terugtrekken. Terwijl ik tijdens de pandemie vanuit huis werkte, ontdekten mijn vrouw en ik een kolonie wilde katten die in de achtertuinen van ons blok in New York woonden. We keerden de groei van de kolonie om door trap-neuter-return (TNR) uit te voeren op zoveel mogelijk van haar leden en kochten drie buitenverblijven in Feralvilla om onze harige buren door de strenge winters in New York te loodsen. Deze geïsoleerde kubusvormige schuilplaatsen zorgen ervoor dat katten via een opening in de verhoogde vloer naar binnen kunnen. Dankzij de afneembare bovenhoes kunnen we het strostrooisel om de paar maanden vervangen. Het is onmogelijk om in de schuilplaats te kijken zonder de afdekking te verwijderen, wat betekent dat je het risico loopt een klauwroofdier te verrassen dat even daarvoor een rustig dutje aan het doen was.
Radarbehuizing [left column] is gemaakt van lindehout (het toevoegen van kattenoren bovenop is optioneel). Microcontroller [top row, middle column] verwerkt de resultaten van de radarmodule [top row, right column] en laat de LED’s branden [right column, second from top] overeenkomstig. Batterij en aan/uit schakelaar [bottom row, left to right] de stroomvoorziening vormen.James Provoost
Wilde katten reageren anders op mensen dan gesocialiseerde huisdieren. Ze zien ons als bedreigingen, niet als onhandige dienaren. Zelfs na jarenlang dagelijks voeren laten de meeste katten in de kolonie van ons blok ons niet dichterbij komen dan een meter of twee, laat staan dat we een aanraking krijgen. Ze hebben klauwen die nog nooit een machinegeweer hebben gezien. En ze houden er niet van om verrast te worden of zich gevangen te voelen. Dus ik wilde een manier vinden om erachter te komen of de schuilplaats bezet was voor Ik heb het deksel geopend voor onderhoud. En dat is waar radar in beeld komt.
De SparkFun Pulse Coherent Radar Module is gebaseerd op de goedkope A121-sensor van Acconeer. De sensor is kleiner dan een vingernagel en werkt op 60 gigahertz, wat betekent dat het signaal door veel gangbare materialen kan dringen. Terwijl het signaal door het materiaal gaat, wordt een deel teruggekaatst naar de sensor, waardoor u afstanden tot meerdere oppervlakken tot op de millimeter nauwkeurig kunt bepalen. De radar kan in een ‘aanwezigheidsdetector’-modus worden gezet – bedoeld om aan te geven of er een mens aanwezig is of niet – waarin hij zoekt naar veranderingen in de reflectieafstand om beweging te identificeren.
Zodra ik de aankondiging voor de SparkFun-module zag, begonnen de wielen te draaien. Als radar een mens kan detecteren, waarom dan geen kat? Natuurlijk had ik mijn kat-in-de-doos-probleem kunnen oplossen met minder geavanceerde technologie door bijvoorbeeld een druksensor in het asiel te plaatsen. Maar daarvoor zou een permanente opstelling nodig zijn, samen met weerbestendigheid, stroomvoorziening en een manier om de gegevens te extraheren. Daarnaast zou ik drie installaties moeten uitvoeren, één voor elke schuilplaats. Ik had de informatie maar eens in de paar maanden nodig, dat leek me een beetje veel. Dus bestelde ik de radarmodule, samen met een IoT RedBoard-microcontroller van $ 30. Het RedBoard werkt op dezelfde 3,3 volt als de radar en kan de module configureren en de output ervan analyseren.
Als radar een mens kan detecteren, waarom dan geen kat?
Het aansluiten van de radar op het RedBoard was eenvoudig, omdat beide een Qwiic 4-draads interface hebben, die stroom levert, samen met een I2C seriële verbinding voor randapparatuur. Dankzij de Arduino-bibliotheken en voorbeeldcode van SparkFun kon ik snel de haalbaarheid van het idee testen door de microcontroller via USB op de hostcomputer aan te sluiten, en ik kon de resultaten van de radar zien via de seriële monitor. Experimenten met onze binnenkatten (twee overlopers uit de kolonie) toonden aan dat de beweging van hun ademhaling voldoende was om de aanwezigheidsdetector te activeren, zelfs als ze diep sliepen. Verdere tests toonden aan dat de radar de houten wanden en geïsoleerde bekleding van de schuilplaats kon binnendringen.
De volgende stap was om het ding draagbaar te maken. Ik heb een kleine lithiumbatterij van $ 11 toegevoegd en een aan/uit-schakelaar op de voedingskabel aangesloten. Ik heb twee gumdrop-LED’s op de I/O-pinnen van het RedBoard aangesloten en het voorbeeldscript van SparkFun aangepast om de LED’s te laten oplichten op basis van de uitvoer van de aanwezigheidsdetector: een groene LED voor “geen kat” en een rode LED voor “kat”. Ik heb een lindehouten behuizing gemaakt, de planken en de batterij gemonteerd en een gat in de achterkant gemaakt als venster voor de radarmodule. (Opmerking: Naast de zorg voor wilde katten, was een ander ding dat ik tijdens de pandemie probeerde het 3D-printen van plastic behuizingen voor projecten. Maar ik ontdekte dat het zagen, boren en lijmen van hout sneller, strakker en veel vergevingsgezinder was bij het maken ervan. offline of prototypes.)
De radarsensor zendt pulsen van 60 gigahertz door de muren en bekleding van de schuilkelder. Terwijl de radar de lagen binnendringt, wordt een deel van de straling teruggekaatst naar de sensor, die deze detecteert om afstanden te bepalen. Sommige materialen zullen de puls sterker reflecteren dan andere, afhankelijk van hun elektrische permittiviteit. James Provoost
Ook heb ik de scripts aangepast om het bereik aan te passen waarover de aanwezigheidsmelder scant. Als ik de detector tegen de muur van de schuilplaats houd, kijkt hij alleen naar de reflecties die uit de ruimte binnen die muur en de andere kant komen, op een afstand van ongeveer 50 centimeter. Naarmate alle katten in de kolonie volwassen zijn, nemen ze voldoende schuilruimte in beslag om een dergelijke radarstraal af te snijden, tenzij ik de detector in de buurt van een hoek plaats.
Ik heb draagbare detectortests uitgevoerd in het asiel met een van onze huiskatten, omgekocht met snoepjes, om een paar seconden per keer in de open bak te blijven zitten. De detector heeft hem met succes opgemerkt wanneer hij zich binnen bevond, hoewel hij gevoelig is voor valse positieven. Ik zal proberen deze fouten te verminderen door de vele beschikbare configuratie-instellingen voor de radar aan te passen. Maar in de tussentijd hebben valse positieven veel de voorkeur boven valse negatieven: het ‘geen kat’-lampje betekent dat het absoluut veilig is om het deksel van de schuilplaats te openen, en mijn zenuwen (en de katten) zijn er beter door.