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Como usar uma solução pronta para acelerar o desenvolvimento de projetos sofisticados de monitoramento de presença
Contributed By DigiKey's North American Editors
2021-11-03
O monitoramento da presença tem um papel fundamental na automação, saúde, segurança e proteção de edifícios. Embora os desenvolvedores possam reunir soluções adequadas para contagem de pessoas a partir de componentes disponíveis, e desenvolver os algoritmos apropriados, isto pode ser demorado e caro. Em meio a expectativas elevadas para oferecer, de forma mais rápida, soluções com capacidades e recursos mais sofisticados e atualizados, incluindo suporte para requisitos de distanciamento social, é necessária uma abordagem mais simples e rápida.
Este artigo discute o monitoramento de presença e por que ele se tornou uma característica tão crítica. Em seguida, apresenta e descreve como começar com um kit completo, de ponta a ponta, de contagem de pessoas da Analog Devices. Usando o kit, os projetistas podem atender às diversas exigências de uma lista crescente de aplicações sofisticadas baseadas na funcionalidade do monitoramento de presença.
Por que o monitoramento de presença é importante
A capacidade de monitorar o número de indivíduos, sua localização e seu movimento dentro de um edifício está encontrando um papel em expansão em várias aplicações. Dentro dos sistemas de gerenciamento automatizado de edifícios (BMS), a capacidade de acompanhar a utilização das salas e os movimentos dos ocupantes continua sendo fundamental para a realização do pleno benefício de escritórios, salas de reunião e outras áreas comuns. Durante surtos pandêmicos, esta capacidade ajuda a garantir que os ocupantes possam manter a separação segura em espaços fechados.
Mesmo quando os indivíduos retornam aos edifícios de escritórios, a capacidade de monitorar a ocupação das salas ajuda as empresas a limitar o desperdício de energia no número tipicamente alto de espaços não utilizados dos edifícios. As taxas de ocupação de escritórios que já haviam caído para cerca de 68 % em 2019 [a] despencaram durante a pandemia, retornando a apenas cerca de 32 % em meados de 2021 [b].
No entanto, além de otimizar o uso dos espaços dos edifícios e ajudar no distanciamento social, uma medida ativa de ocupação tornou-se essencial para regular o aumento do consumo de energia. De acordo com o World Green Building Council [1], os edifícios e construções contribuem com 39 % de todas as emissões de carbono no mundo inteiro. Mais especificamente, a energia utilizada para iluminar, aquecer e refrigerar edifícios responde por 28 % das emissões mundiais de carbono. (Os 11 % restantes estão relacionados aos custos de carbono do ciclo de vida dos materiais e da construção civil)
Depois de permanecer estável durante a maior parte da última década, as emissões de carbono relacionadas à construção subiram para um recorde em 2019 devido ao aumento da demanda de energia impulsionada por condições climáticas mais extremas. De fato, 2019 provou ser o ano mais quente desde 2016, quando os padrões climáticos globais e o aumento da temperatura global se combinaram em uma "tempestade perfeita" de clima excepcionalmente quente.
Esta tendência de clima mais quente continuou, com 2020 provando ser mais quente que 2019. Como resultado, os três anos mais quentes registrados até agora incluem 2016 (1º), 2020 (2º) e 2019 (3º), de acordo com a Administração Nacional Oceânica e Atmosférica dos EUA (NOAA) [2]. A tendência continua com julho de 2021 registrado como o mês mais quente já registrado no mundo [3]. Com os quatro meses anteriores a julho, cada um deles classificado entre os 10 meses mais quentes já registrados [4], a NOAA prevê que 2021 provavelmente se tornará um dos 10 anos mais quentes já registrados globalmente.
Globalmente, as estratégias nacionais para reduzir as emissões de carbono que afetam o clima consideram a utilização mais eficiente da energia da construção como central para seu planejamento. Para empresas individuais, o consumo reduzido de energia oferece benefícios diretos a seus resultados, bem como ao bem-estar de seus funcionários.
Apesar da crescente importância dos dados básicos de ocupação para minimizar a utilização de energia, a maioria das empresas depende de dados de acesso de crachás ou observação visual — qualquer um dos quais pode fornecer informações precisas e atualizadas sobre a utilização de salas necessárias para o gerenciamento eficaz da energia dos edifícios. É necessário um meio mais eficaz de sensoriamento de presença.
Implementando uma solução de sensoriamento de presença
O projeto e a implementação de uma solução de sensoriamento automático de presença requer experiência em múltiplas áreas a fim de combinar sensores, processadores de baixa potência e conectividade com algoritmos precisos de contagem de pessoas em aplicações completas, capazes de responder instantaneamente à medida que as pessoas entram e saem de espaços internos. Isto leva tempo e recursos para se desenvolver e apoiar. A Analog Devices oferece uma rota mais simples: o ADSW4000 EagleEye, uma plataforma completa baseada em sensores de visão 2D, de baixa potência e baixa largura de banda, projetada especificamente para fornecer dados atualizados para otimizar a utilização do espaço e minimizar o consumo de energia.
O kit compreende o algoritmo de contagem de pessoas de propriedade da Analog Devices, que funciona em um membro da série ADSP-BF707 de processadores de sinais digitais Blackfin (DSPs) da Analog Devices. O ADSW4000 EagleEye fornece dados de utilização para espaços internos separados, permitindo às empresas equilibrar a utilização do espaço de escritórios e o consumo de energia para a máxima utilidade.
Como realiza suas tarefas de análise de imagem e contagem de pessoas apenas no processador Blackfin, o algoritmo EagleEye garante que todas as imagens permaneçam no ADSW4000, de modo que nenhuma informação pessoal identificável saia da plataforma, em conformidade com um conjunto crescente de regulamentos de privacidade mundiais. Na verdade, os resultados gerados pelo processador Blackfin são limitados a um pacote de dados contendo o número de pessoas em uma região de interesse monitorada (ROI), sua localização x,y naquela região, e se estão ou não em movimento.
Para ajudar a acelerar o desenvolvimento de aplicações de alto nível em monitoramento de presença, a Analog Devices integra sua plataforma ADSW4000 EagleEye People Count em seu kit de teste EVAL-ADSW4000KTZ EagleEye. Servindo como uma implementação completa e pronta do sensor para a nuvem de seu algoritmo EagleEye, o kit de teste permite aos usuários implantar imediatamente o monitoramento de presença usando o aplicativo disponível e o painel de controle online baseado em nuvem. Alternativamente, o kit pode servir como base de sistemas personalizados, permitindo que os desenvolvedores se concentrem em suas aplicações de nível mais alto em vez dos detalhes da implementação de seus próprios métodos de contagem de pessoas.
Os subsistemas individuais aceleram a implementação
O kit de teste EagleEye compreende um par de subsistemas, usando um subsistema baseado no DSP Blackfin para gerar dados de contagem de pessoas, e um subsistema separado baseado na unidade microcontroladora (MCU) ADuCM4050 da Analog Devices para lidar com a conectividade e funcionalidade da aplicação de nível mais alto (Figura 1). Como mencionado anteriormente, a funcionalidade crítica de contagem de pessoas está no subsistema EagleEye DSP do kit de teste, que executa o algoritmo ADSW4000 EagleEye.
Figura 1: No kit de teste EagleEye da Analog Devices, um subsistema DSP adquire e processa imagens usando o algoritmo ADSW4000 EagleEye PeopleCount, que executa em um membro da série ADSP-BF707 Blackfin DSP da Analog Devices. (Fonte da imagem: Analog Devices)
Para aquisição de imagens da região de interesse, o subsistema usa um módulo de sensoriamento de visão 2D baseado no ASX340AT3C00XPED0-DPBR da onsemi, um sistema sobre Chip (SoC) CMOS de imagem digital combinado com um filtro infravermelho (IV). Trabalhando com os serviços de estrutura EagleEye da Analog Devices, o algoritmo EagleEye PeopleCount ADSW4000 roda no DSP Blackfin ADSP-BF707, usando a memória flash serial IS25LP512M de 512 megabit (Mbit) da ISSI e a memória de acesso síncrona dinâmica e aleatória (SDRAM) de 1 gigabit (Gbit) com dupla taxa de dados (DDR) e baixa potência MT46H64M16LF da Micron Technology.
Neste subsistema, o DSP Blackfin ADSP-BF707 é bem adequado para lidar com as complexas tarefas de aquisição e processamento de imagens necessárias para a contagem de pessoas. Seu pipeline de processamento de sinais inclui múltiplas unidades de multiplicação-acumulação (MAC) de hardware com capacidades SIMD (única instrução, múltiplos dados).
Executando no processador Blackfin ADSP-BF707, o algoritmo ADSW4000 ADI EagleEye PeopleCount atinge uma contagem precisa de até 90 % dentro da área-alvo. Igualmente importante, o subsistema retorna os resultados rapidamente. Por exemplo, o subsistema precisa de apenas 300 milissegundos (ms) a partir do momento em que uma pessoa entra em um ROI para identificar que mudou de um estado vago para um estado ocupado. O tempo necessário para identificar uma mudança no estado ROI de ocupado para vago é configurável pelo usuário, com uma configuração padrão de cinco minutos.
A latência é igualmente baixa para a contagem de pessoas e dados de localização gerados. O algoritmo fornece dados atualizados de contagem de pessoas e localização dentro de 1,5 segundos, após um indivíduo se mover para uma zona definida pelo usuário durante o comissionamento. Após detectar um indivíduo, o algoritmo precisa apenas de 113 ms para fornecer dados atualizados de contagem e localização.
Como observado acima, a plataforma EagleEye da Analog Devices não transmite nenhuma imagem capturada. Em vez disso, o DSP usa sua porta do receptor/transmissor universal assíncrono (UART) em modo push para transmitir metadados de ocupação. Transmitido em formato JSON, este pacote de metadados inclui estado de ocupação (ocupado ou vago), contagem de pessoas, localização de pessoas como coordenadas x,y, além de outros dados (Tabela 1).
Tabela 1: O algoritmo EagleEye da Analog Devices mantém a privacidade dos usuários, não transmitindo informações pessoais identificáveis, mas gerando um pacote que inclui os metadados listados aqui. (Fonte da tabela: Analog Devices)
A jusante do subsistema DSP, o subsistema MCU ADuCM4050 funciona no ambiente AWS FreeRTOS, que dá suporte a aplicação EagleEye de alto nível e os serviços de conectividade necessários para o comissionamento de sensores e a comunicação com o serviço associado baseado em nuvem da Analog Devices (Figura 2).
O MCU ADuCM4050 de 32 bits oferece um ambiente de processamento abrangente para aplicações de Internet Industrial das Coisas (IIoT) como o EagleEye da Analog Devices. Para suportar cargas de trabalho de aplicações industriais complexas, o ADuCM4050 baseia-se em um núcleo processador Arm® Cortex®-M4F de 52 megahertz (MHz) com unidade de ponto flutuante (FPU) integrada, unidade de proteção de memória (MPU), acelerador criptográfico de hardware e armazenamento com proteção de chave.
Figura 2: Baseado no ADuCM4050 da Analog Devices, o subsistema MCU do kit de teste EagleEye suporta a aplicação IIoT de nível mais alto e fornece serviços de conectividade localmente e entre o kit e a nuvem ou outros sistemas de gerenciamento de edifícios. (Fonte da imagem: Analog Devices)
Um conjunto de recursos integrados de gerenciamento de energia, incluindo vários modos de energia e capacidades de controle do sinal de clock, permite que o dispositivo funcione com baixo consumo de energia. Como resultado, a MCU requer apenas 41 microamperes por megahertz (μA/MHz) (típico) em modo ativo e 0,65 μA (típico) em modo de hibernação. Durante os períodos inativos, o processador consome apenas 0,20 μA (típico) em seu modo de desligamento com despertar rápido ou apenas 50 nanoamperes (nA) em modo de desligamento completo.
Como iniciar rapidamente a contagem de pessoas
No kit de teste, a Analog Devices combina os subsistemas DSP e MCU com um sensor de câmera, uma lente, LEDs e botões em um invólucro compacto (Figura 3).
Figura 3: Projetado para implantação rápida, a unidade do sensor de visão 2D no kit de teste EagleEye da Analog Devices pode ser facilmente montada acima de uma região de interesse para a contagem de pessoas. (Fonte da imagem: Analog Devices)
Os desenvolvedores podem rapidamente implantar a contagem de pessoas simplesmente montando a unidade sensora em uma sala ou em um espaço interno, diretamente acima de uma região de interesse. O sensor pode usar energia de uma variedade de fontes. Os usuários podem ligar um fio no conector CC da unidade para interligar uma fonte CC de 5,5 a 36 volts, ou alimentá-la através uma fonte de alimentação USB usando um cabo micro USB, ou uma extensão USB ativa para distâncias além de 1 metro (m).
Após montar a unidade de sensor, os usuários podem confirmar visualmente o posicionamento do sensor e o campo de visão desejado (FOV), usando o aplicativo complementar EagleEye PeopleCount disponível na App Store da Apple para tablets iOS, ou no Google Play para tablets Android (Figura 4).
Figura 4: O aplicativo EagleEye PeopleCount da Analog Devices permite uma fácil confirmação da colocação da unidade sensora antes do comissionamento. (Fonte da imagem: Analog Devices)
Depois de verificar o FOV do sensor, os usuários prosseguem com o breve processo de comissionamento do dispositivo. Durante o comissionamento e posteriormente durante a operação, os usuários podem observar os LEDs DSP e MCU incorporados à unidade sensora para monitorar o estado atual dos respectivos subsistemas (Tabela 2).
Tabela 2: LEDs separados incorporados na unidade sensora do kit de teste EagleEye da Analog Devices fornecem uma indicação contínua do estado dos subsistemas DSP e MCU. (Fonte da tabela: Analog Devices)
O aplicativo conduz os usuários através das poucas etapas necessárias para o comissionamento do sensor. Neste processo, os usuários indicam quais áreas o algoritmo deve monitorar dentro do FOV, marcando uma série de máscaras inclusivas, como a máscara do chão (Figura 5, à esquerda). As áreas a serem excluídas são igualmente importantes para uma contagem precisa. Durante o processo de comissionamento, o aplicativo complementar permite aos usuários especificar diferentes máscaras de exclusão, por exemplo, janelas e telas de exibição (Figura 5, à direita).
Figura 5: Durante o comissionamento, os usuários empregam o aplicativo complementar para identificar áreas que o algoritmo EagleEye PeopleCount deve examinar ou ignorar, usando máscaras inclusivas como a máscara do chão (esquerda), e máscaras exclusivas (direita) para janelas ou outras áreas que degradam a precisão da contagem de pessoas. (Fonte da imagem: Analog Devices)
Uma vez montada e comissionada, a unidade sensora começa a transmitir seus metadados para a nuvem da Analog Devices. Ao entrar na nuvem usando as credenciais fornecidas durante o cadastro, os usuários podem examinar uma série de representações gráficas de ocupação (Figura 6).
Figura 6: Depois de montar e colocar em funcionamento a unidade sensora do kit de teste EagleEye da Analog Devices, os usuários podem entrar em um painel de controle on-line na nuvem da Analog Devices para visualizar os dados de ocupação em tempo real. (Fonte da imagem: Analog Devices)
A plataforma tecnológica EagleEye PeopleCount da Analog Devices pode ser integrada em projetos personalizados construídos com o processador Blackfin apropriado e memória flash externa adequada. A Analog Devices também torna o pacote de software EagleEye disponível para clientes cadastrados do kit de teste. Para o subsistema MCU a jusante, os desenvolvedores podem fornecer funcionalidades adicionais, incluindo mais sensores, usando qualquer projeto de plataforma de sistema capaz de executar a interface sensorial EagleEye e fornecer a conectividade necessária. Entretanto, para os desenvolvedores que procuram empregar rapidamente a contagem de pessoas em seus sistemas de gerenciamento de edifícios, o kit de teste EagleEye da Analog Devices oferece uma solução pronta de sensor para nuvem.
Conclusão
Como as empresas pagam um preço significativo pelo consumo de energia do edifício devido à iluminação, aquecimento e refrigeração de escritórios, o gerenciamento eficaz dos recursos dos espaços de escritórios, muitas vezes vazios, está gerando uma necessidade de dados de ocupação mais precisos. Baseado em um algoritmo proprietário executado em um processador de sinal digital de baixa potência, o kit de teste ADSW4000KTZ fornece uma plataforma abrangente de sensor para nuvem para avaliar e implementar o monitoramento de presença, capaz de fornecer os dados de ocupação em tempo real, no nível da sala, necessários para um gerenciamento mais eficaz da energia do edifício.
Referências
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