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Comment utiliser une solution prête à l'emploi pour accélérer le développement de conceptions sophistiquées de détection de présence
Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de DigiKey
2021-11-03
La détection de présence joue un rôle essentiel dans les domaines de l'immotique, de la santé, de la sûreté et de la sécurité. Bien que les développeurs puissent élaborer des solutions de comptage de personnes à partir de composants disponibles et développer les algorithmes appropriés, cela peut prendre beaucoup de temps et coûter cher. Dans un contexte d'attentes grandissantes en faveur d'une mise à disposition plus rapide de solutions dotées de capacités et de fonctionnalités plus sophistiquées et plus modernes, notamment la prise en charge des exigences de distanciation sociale, une approche plus simple et plus rapide est nécessaire.
Cet article traite de la détection de présence et des raisons pour lesquelles elle a gagné en importance. Il présente ensuite le kit complet de comptage de personnes de bout en bout proposé par Analog Devices et décrit comment l'utiliser. Grâce à ce kit, les concepteurs peuvent répondre aux diverses exigences d'une série croissante d'applications sophistiquées basées sur la fonctionnalité de détection de présence.
Pourquoi la détection de présence est importante
La capacité de surveiller le nombre d'individus, leur emplacement et leurs déplacements à l'intérieur d'un bâtiment joue un rôle croissant dans de nombreuses applications. Dans les systèmes automatisés de gestion des bâtiments (BMS), la possibilité de suivre l'utilisation des salles et les mouvements des occupants reste fondamentale pour tirer pleinement parti des bureaux, salles de réunion et autres espaces communs. Au plus fort de la pandémie, cette capacité a permis de maintenir une distanciation sûre des occupants dans les espaces intérieurs.
Même si les salariés ont depuis repris le chemin du bureau, la possibilité de surveiller le taux d'occupation des pièces aide les entreprises à limiter le gaspillage énergétique lié au nombre généralement élevé d'espaces inutilisés dans les immeubles. Les taux d'occupation des bureaux, qui n'étaient déjà plus que d'environ 68 % en 2019 [a], se sont effondrés pendant la pandémie, ne revenant qu'à environ 32 % à la mi-2021 [b].
Cependant, au-delà de l'optimisation de l'utilisation des espaces dans les immeubles et de la contribution à la distanciation sociale, une mesure active des niveaux d'occupation est devenue essentielle pour freiner l'augmentation de la consommation d'énergie. Selon le World Green Building Council [1], les bâtiments et la construction contribuent à 39 % de toutes les émissions de carbone dans le monde. Plus précisément, l'énergie utilisée pour l'éclairage, le chauffage et la climatisation des bâtiments représente 28 % des émissions mondiales de carbone. (Les 11 % restants concernent les coûts du carbone liés au cycle de vie des bâtiments (matériaux et construction).)
Après être restées stables pendant la majeure partie de la dernière décennie, les émissions de carbone liées au secteur du bâtiment ont atteint un niveau record en 2019, en raison de l'augmentation de la demande d'énergie induite par des conditions météorologiques plus extrêmes. En effet, 2019 s'est avérée être l'année la plus chaude jamais enregistrée depuis 2016, lorsque des phénomènes météorologiques et une hausse des températures à l'échelle planétaire se sont combinés en une « tempête parfaite » de journées exceptionnellement chaudes.
Cette tendance à un temps plus chaud s'est poursuivie, l'année 2020 s'avérant plus chaude que 2019. Par conséquent, les trois années les plus chaudes enregistrées à ce jour sont désormais 2016 (1ère), 2020 (2ème) et 2019 (3ème), selon la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) [2]. La tendance s'est poursuivie avec juillet 2021 reconnu comme le mois le plus chaud jamais enregistré dans le monde [3]. Les quatre mois précédant le mois de juillet ayant tous été classés parmi les 10 mois les plus chauds jamais enregistrés [4], la NOAA prévoit que 2021 sera probablement l'une des 10 années les plus chaudes jamais enregistrées au niveau mondial.
À l'échelle mondiale, les stratégies nationales visant à réduire les émissions de carbone ayant une incidence sur le climat considèrent une utilisation plus efficace de l'énergie dans les bâtiments comme un élément central de leur planification. Pour les entreprises individuelles, la réduction de la consommation d'énergie présente des avantages directs, tant pour leurs résultats financiers que pour le bien-être de leurs employés.
Malgré l'importance croissante des données de base sur les taux d'occupation pour limiter la consommation d'énergie, la plupart des entreprises s'appuient sur les données fournies par les badges d'accès ou sur l'observation visuelle, deux méthodes qui ne peuvent apporter les informations précises et actualisées sur l'utilisation des pièces nécessaires à une gestion efficace de l'énergie dans les bâtiments. Un moyen plus efficace de déterminer les taux d'occupation est donc nécessaire.
Mise en œuvre d'une solution de détection de présence
La conception et la mise en œuvre d'une solution automatisée de détection de présence nécessitent une expertise dans de nombreux domaines afin de combiner des capteurs, des processeurs à basse consommation et une connectivité avec des algorithmes précis de comptage des personnes dans des applications complètes, capables de réagir instantanément lorsque des personnes entrent et sortent dans des espaces intérieurs. Cela demande du temps et des ressources pour les développer et assurer leur maintenance. Analog Devices propose une approche plus simple : le dispositif EagleEye ADSW4000, une plateforme complète et prête à l'emploi, basée sur un capteur de vision 2D, à basse consommation et à faible bande passante, conçue spécifiquement pour fournir des données actualisées afin d'optimiser l'utilisation des espaces et de minimiser la consommation d'énergie.
Le kit comprend l'algorithme propriétaire de comptage de personnes PeopleCount d'Analog Devices fonctionnant sur un membre de la série ADSP-BF707 de processeurs de signaux numériques (DSP) Blackfin d'Analog Devices. L'EagleEye ADSW4000 fournit des données d'utilisation pour des espaces intérieurs distincts, ce qui permet aux entreprises de trouver un meilleur équilibre entre l'utilisation des bureaux et la consommation d'énergie pour une efficacité maximale.
Parce qu'il effectue ses tâches d'analyse d'images et de comptage de personnes uniquement sur le processeur Blackfin, l'algorithme EagleEye garantit que toutes les images restent sur l'ADSW4000, de sorte qu'aucune information permettant d'identifier une personne ne quitte la plateforme, conformément à un nombre croissant de réglementations internationales en matière de protection de la vie privée. En fait, les résultats générés par le processeur Blackfin se limitent à un ensemble de données concernant le nombre de personnes dans la région d'intérêt (ROI) surveillée, leur position x,y dans cette région, et si elles sont en mouvement ou non.
Pour accélérer le développement d'applications de détection de présence de haut niveau, Analog Devices intègre sa plateforme de comptage de personnes EagleEye ADSW4000 dans son kit d'essai EagleEye EVAL-ADSW4000KTZ. Ce kit d'essai, qui constitue une mise en œuvre clé en main complète (capteur-cloud) de l'algorithme EagleEye, permet aux utilisateurs de déployer immédiatement la fonctionnalité de détection de présence en utilisant l'application disponible et le tableau de bord en ligne basé sur le cloud. Le kit peut également servir de base à des systèmes personnalisés, permettant aux développeurs de se concentrer sur leurs applications de haut niveau, plutôt que sur les détails de la mise en œuvre de leurs propres méthodes de comptage des personnes.
Des sous-systèmes individuels pour accélérer la mise en œuvre
Le kit d'essai EagleEye comprend deux sous-systèmes, l'un basé sur le processeur de signaux numériques (DSP) Blackfin pour générer les données de comptage des personnes, l'autre reposant sur le microcontrôleur (MCU) ADuCM4050 d'Analog Devices pour gérer la connectivité et les fonctionnalités d'application de niveau supérieur (Figure 1). Comme indiqué précédemment, la fonctionnalité déterminante de comptage des personnes se trouve dans le sous-système DSP EagleEye du kit d'essai, qui exécute l'algorithme EagleEye ADSW4000.
Figure 1 : Dans le kit d'essai EagleEye d'Analog Devices, un sous-système DSP acquiert et traite des images à l'aide de l'algorithme de comptage des personnes EagleEye PeopleCount ADSW4000, qui fonctionne sur un membre de la série ADSP-BF707 de DSP Blackfin d'Analog Devices. (Source de l'image : Analog Devices)
Pour l'acquisition d'images de la région d'intérêt, le sous-système utilise un module de détection de vision 2D basé sur le système sur puce (SoC) d'image numérique CMOS ASX340AT3C00XPED0-DPBR d'onsemi, associé à un filtre infrarouge (IR). Utilisant les services de l'infrastructure EagleEye d'Analog Devices, l'algorithme de comptage des personnes EagleEye PeopleCount ADSW4000 fonctionne sur le DSP Blackfin ADSP-BF707 en utilisant la mémoire Flash série de 512 mégabits (Mb) IS25LP512M d'ISSI et la mémoire RAM dynamique synchrone (SDRAM) DDR (à double débit binaire) basse consommation MT46H64M16LF de 1 gigabit (Gb) de Micron Technology.
Dans ce sous-système, le processeur DSP Blackfin ADSP-BF707 est bien adapté pour gérer les tâches complexes d'acquisition et de traitement d'images nécessaires au comptage des personnes. Son pipeline de traitement des signaux comprend de multiples unités matérielles de multiplication-accumulation (MAC) ainsi que des capacités SIMD (Single Instruction/Multiple Data, instruction unique/données multiples).
Exécuté sur le processeur Blackfin ADSP-BF707, l'algorithme de comptage des personnes EagleEye PeopleCount ADSW4000 d'ADI atteint un niveau de précision de 90 % dans la zone cible. Autre point tout aussi important, le sous-système renvoie les résultats rapidement. Par exemple, le sous-système n'a besoin que de 300 millisecondes (ms) à partir du moment où une personne pénètre dans une région d'intérêt (ROI) pour identifier que cette dernière est passée d'un état vacant à un état occupé. Le temps nécessaire pour identifier un changement d'état de la région d'intérêt, passant d'occupé à vacant, est configurable par l'utilisateur, avec un réglage par défaut de cinq minutes.
La latence est également faible pour les données de localisation et de comptage de personnes générées. L'algorithme fournit des données actualisées de comptage et de localisation des personnes dans un délai de 1,5 seconde après qu'un individu se soit déplacé dans une zone définie par l'utilisateur lors de la mise en service. Après avoir détecté un individu, l'algorithme n'a besoin que de 113 ms pour fournir des données actualisées de comptage et de localisation.
Comme indiqué précédemment, la plateforme EagleEye d'Analog Devices ne transmet aucune image capturée. Au lieu de cela, le processeur DSP utilise son port émetteur-récepteur universel asynchrone (UART) en mode « push » pour transmettre les métadonnées d'occupation. Transmis au format JSON, ce paquet de métadonnées comprend l'état d'occupation (occupé ou vacant), le nombre de personnes, la localisation des personnes sous forme de coordonnées x et y, ainsi qu'un certain nombre d'autres données (Tableau 1).
Tableau 1 : L'algorithme EagleEye d'Analog Devices préserve la vie privée des utilisateurs en ne transmettant pas d'informations permettant de les identifier personnellement, mais en générant un paquet qui comprend les métadonnées énumérées ici. (Source du tableau : Analog Devices)
En aval du sous-système DSP, le sous-système MCU (microcontrôleur) ADuCM4050 fonctionne dans l'environnement AWS FreeRTOS, qui prend en charge l'application EagleEye de haut niveau et les services de connectivité requis pour la mise en service du capteur et la communication avec le service cloud associé d'Analog Devices (Figure 2).
Le microcontrôleur 32 bits ADuCM4050 offre un environnement de traitement complet pour les applications de l'Internet industriel des objets (IIoT) comme EagleEye d'Analog Devices. Pour gérer les charges de travail complexes des applications industrielles, l'ADuCM4050 s'appuie sur un cœur de processeur Arm® Cortex®-M4F cadencé à 52 mégahertz (MHz) avec unité en virgule flottante (FPU) intégrée, unité de protection de la mémoire (MPU), accélérateur cryptographique matériel et stockage de clés protégé.
Figure 2 : Basé sur le dispositif ADuCM4050 d'Analog Devices, le sous-système MCU du kit d'essai EagleEye prend en charge l'application IIoT de niveau supérieur et fournit des services de connectivité localement et entre le kit et le cloud ou d'autres systèmes de gestion de bâtiments. (Source de l'image : Analog Devices)
Grâce à un ensemble de fonctionnalités intégrées de gestion de l'alimentation, notamment des modes d'alimentation multiples et des capacités de gestion d'horloge, le dispositif peut fonctionner à basse consommation. Par conséquent, le microcontrôleur ne nécessite que 41 microampères par mégahertz (μA/MHz) (typ.) en mode actif et 0,65 μA (typ.) en mode de veille prolongée. Pendant les périodes d'inactivité, le processeur ne consomme que 0,20 μA (typ.) dans son mode d'arrêt à réactivation rapide ou seulement 50 nanoampères (nA) en mode d'arrêt complet.
Comment commencer rapidement à compter les personnes
Dans le kit d'essai, Analog Devices combine les sous-systèmes DSP et MCU avec un capteur de caméra, une lentille, des LED et des boutons dans un boîtier compact (Figure 3).
Figure 3 : Conçu pour un déploiement rapide, le capteur de vision 2D du kit d'essai EagleEye d'Analog Devices peut être facilement installé au-dessus d'une région d'intérêt pour le comptage de personnes. (Source de l'image : Analog Devices)
Les développeurs peuvent rapidement déployer le comptage de personnes en installant simplement l'unité de détection dans une pièce ou un espace intérieur, directement au-dessus d'une région d'intérêt. Le capteur peut utiliser l'énergie provenant de diverses sources. Les utilisateurs peuvent raccorder un fil au connecteur CC de l'unité pour alimenter une source CC de 5,5 à 36 volts, ou l'alimenter en fournissant une source d'alimentation USB à l'aide d'un câble micro-USB, ou une extension USB active pour les distances supérieures à 1 mètre (m).
Après avoir installé l'unité de détection, les utilisateurs peuvent confirmer visuellement le positionnement du capteur et le champ de vision (FOV) souhaité à l'aide de l'application EagleEye PeopleCount disponible sur l'App Store d'Apple pour les tablettes iOS, ou sur Google Play pour les tablettes Android (Figure 4).
Figure 4 : L'application EagleEye PeopleCount d'Analog Devices permet de confirmer facilement l'emplacement de l'unité de détection avant la mise en service. (Source de l'image : Analog Devices)
Après avoir vérifié le champ de vision du capteur, les utilisateurs procèdent à une brève mise en service du dispositif. Pendant la mise en service et plus tard en cours de fonctionnement, les utilisateurs peuvent observer les voyants LED du processeur DSP et du microcontrôleur (MCU) intégrés à l'unité de détection pour surveiller l'état actuel de ces deux sous-systèmes (Tableau 2).
Tableau 2 : Des LED distinctes intégrées à l'unité de détection du kit d'essai EagleEye d'Analog Devices fournissent une indication continue de l'état des sous-systèmes DSP et MCU. (Source du tableau : Analog Devices)
L'application guide les utilisateurs à travers les quelques étapes nécessaires à la mise en service du capteur. Lors de ce processus, les utilisateurs indiquent les zones que l'algorithme doit surveiller à l'intérieur du champ de vision en sélectionnant une série de masques inclusifs, tels que le masque d'étage (Figure 5, à gauche). Les zones à exclure sont tout aussi importantes pour effectuer des comptages précis. Pendant le processus de mise en service, l'application associée permet aux utilisateurs de spécifier différents masques d'exclusion, par exemple des fenêtres et des écrans d'affichage (Figure 5, à droite).
Figure 5 : Pendant la mise en service, les utilisateurs se servent de l'application associée pour identifier les zones que l'algorithme EagleEye PeopleCount doit examiner ou ignorer, en utilisant des masques inclusifs tels que le masque d'étage (à gauche), et des masques exclusifs (à droite) pour les fenêtres ou d'autres zones qui dégradent la précision du comptage des personnes. (Source de l'image : Analog Devices)
Une fois installée et mise en service, l'unité de détection commence à transmettre ses métadonnées au cloud d'Analog Devices. En se connectant au cloud à l'aide des informations d'identification fournies lors de l'inscription, les utilisateurs peuvent examiner une série de représentations graphiques relatives à l'occupation (Figure 6).
Figure 6 : Après avoir installé et mis en service l'unité de détection du kit d'essai EagleEye d'Analog Devices, les utilisateurs peuvent se connecter à un tableau de bord en ligne dans le cloud d'Analog Devices pour visualiser les données d'occupation en temps réel. (Source de l'image : Analog Devices)
La plateforme technologique EagleEye PeopleCount d'Analog Devices peut être intégrée dans des conceptions personnalisées élaborées avec le processeur Blackfin approprié et une mémoire Flash externe adaptée. Analog Devices met également le progiciel EagleEye à la disposition des clients enregistrés du kit d'essai. Pour le sous-système MCU en aval, les développeurs peuvent fournir des fonctionnalités supplémentaires, notamment un nombre plus important de capteurs, en utilisant n'importe quelle conception de plateforme système capable d'exécuter l'interface sensorielle EagleEye et de fournir la connectivité requise. Pour les développeurs qui cherchent à intégrer rapidement le comptage de personnes dans leurs systèmes de gestion des bâtiments, le kit d'essai EagleEye d'Analog Devices offre toutefois une solution clé en main du capteur vers le cloud.
Conclusion
Alors que les entreprises paient la facture d'une importante consommation d'énergie dans les bâtiments pour l'éclairage, le chauffage et la climatisation des bureaux, la gestion efficace des ressources des espaces de bureaux souvent vacants nécessite des données plus précises sur les taux d'occupation. Basé sur un algorithme propriétaire fonctionnant sur un processeur de signaux numériques basse consommation, le kit d'essai ADSW4000KTZ fournit une plateforme capteur-cloud complète pour l'évaluation et le déploiement de la détection de présence, capable de fournir en temps réel, au niveau de la pièce, les données d'occupation nécessaires à une gestion énergétique plus efficace des bâtiments.
Références
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