Sie haben eine geschlossene Box. Möglicherweise befindet sich darin eine lebende Katze, aber Sie werden es erst erfahren, wenn Sie die Schachtel öffnen. Für die meisten Menschen ist diese Situation ein theoretisches Rätsel, das die Grundlagen der Quantenmechanik untersucht. Für mich hingegen ist es ein dringendes praktisches Problem, nicht zuletzt, weil die Physik die entscheidende Frage, wie nervig die Katze beim Öffnen der Kiste ist, völlig außer Acht lässt. Aber zum Glück kommt die Technik zur Rettung, und zwar in Form eines neuen gepulsten kohärenten Radarsensors von SparkFun für 50 US-Dollar, der einfach zu verwenden und zu bedienen ist.
Vielleicht sollte ich noch ein wenig zurückgehen. Als meine Frau und ich während der Pandemie von zu Hause aus arbeiteten, entdeckten meine Frau und ich eine Kolonie wilder Katzen, die in den Hinterhöfen unseres New Yorker Wohnhauses lebten. Wir kehrten das Wachstum der Kolonie um, indem wir so viele ihrer Mitglieder wie möglich kastrieren, kastrieren und freilassen ließen und drei Feralvilla-Außenunterstände kauften, um unsere pelzigen Nachbarn durch die harten Winter in New York zu begleiten. Diese annähernd kubisch geformten, isolierten Unterstände ermöglichen Katzen den Zutritt durch eine Öffnung in einem Doppelboden. Ein abnehmbarer Deckel oben ermöglicht es uns, die Stroheinstreu alle paar Monate auszutauschen. Es ist unmöglich, in den Unterschlupf zu sehen, ohne den Deckel abzunehmen, was bedeutet, dass man Gefahr läuft, ein Raubtier mit Krallen zu überraschen, das kurz zuvor ein ruhiges Nickerchen gemacht hat.
Die Radarbox [left column] ist aus Lindenholz gefertigt (das Hinzufügen von Katzenohren oben ist optional). Ein Mikrocontroller [top row, middle column] verarbeitet die Ergebnisse des Radarmoduls [top row, right column] und beleuchtet die LEDs [right column, second from top] Folglich. Eine Batterie und ein Ein-/Ausschalter [bottom row, left to right] bilden die Stromversorgung.James Provost
Wildkatzen reagieren anders auf Menschen als sozialisierte Hauskatzen. Sie sehen uns eher als Bedrohung denn als unbeholfene Diener. Selbst nach jahrelanger täglicher Fütterung lassen die meisten Katzen in unserer Nachbarschaftskolonie uns nicht näher als ein oder zwei Meter heran, geschweige denn, dass wir sie berühren. Sie haben Krallen, die nie geschnitten wurden. Und sie mögen es nicht, überrascht zu werden oder das Gefühl zu haben, festzustecken. Also suchte ich nach einer Möglichkeit herauszufinden, ob ein Tierheim besetzt war Vor Zur Wartung habe ich den Deckel geöffnet. Und hier kommt Radar ins Spiel.
Das gepulste kohärente Radarmodul von SparkFun basiert auf dem kostengünstigen A121-Sensor von Acconeer. Der Sensor ist kleiner als ein Fingernagel und arbeitet mit 60 Gigahertz, sodass sein Signal viele gängige Materialien durchdringen kann. Wenn das Signal ein Material durchdringt, wird ein Teil davon zum Sensor zurückreflektiert, sodass Sie Abstände zu mehreren Oberflächen millimetergenau bestimmen können. Das Radar kann in den „Anwesenheitsdetektor“-Modus versetzt werden (der die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Menschen signalisieren soll), in dem es nach Änderungen im Abstand der Reflexionen sucht, um Bewegungen zu erkennen.
Sobald ich die Ankündigung des SparkFun-Moduls sah, begannen sich die Räder zu drehen. Wenn Radar einen Menschen erkennen könnte, warum dann nicht auch eine Katze? Natürlich hätte ich mein Katzen-in-der-Box-Problem auch mit weniger ausgefeilter Technologie lösen können, wie zum Beispiel der Platzierung eines Drucksensors im Inneren des Tierheims. Dazu hätte es aber einer festen Installation mit Wetterschutz, einer Stromversorgung und einer Möglichkeit zur Datenausgabe bedurft. Außerdem hätte ich drei Installationen durchführen müssen, eine für jeden Unterstand. Für Informationen, die ich nur alle paar Monate brauchte, kam mir das etwas viel vor. Also bestellte ich das Radarmodul zusammen mit einem RedBoard IoT-Mikrocontroller für 30 US-Dollar. Das RedBoard arbeitet mit den gleichen 3,3 Volt wie das Radar und kann das Modul konfigurieren und seine Ausgabe analysieren.
Wenn Radar einen Menschen erkennen könnte, warum dann nicht auch eine Katze?
Das Anschließen des Radars an das RedBoard war ein Kinderspiel, da beide über 4-Draht-Qwiic-Schnittstellen verfügen, die sowohl Strom als auch eine serielle I2C-Verbindung zu den Peripheriegeräten bereitstellen. Mithilfe der Arduino-Bibliotheken und des Beispielcodes von SparkFun konnte ich die Machbarkeit der Idee schnell testen, indem ich den Mikrocontroller über USB an einen Host-Computer anschloss, und ich konnte die Radarergebnisse über einen seriellen Monitor anzeigen. Experimente mit unseren Wohnungskatzen (zwei Abtrünnige aus der Kolonie) zeigten, dass ihre Atembewegung ausreichte, um den Präsenzmelder auszulösen, selbst wenn sie tief und fest schliefen. Weitere Tests zeigten, dass das Radar die Holzwände und die isolierte Auskleidung der Schutzräume durchdringen konnte.
Der nächste Schritt bestand darin, das Gerät tragbar zu machen. Ich habe eine kleine 11-Dollar-Lithiumbatterie hinzugefügt und einen Ein-/Ausschalter in das Stromkabel integriert. Ich habe zwei Gumdrop-LEDs an die Ein-/Ausgangspins des RedBoards angeschlossen und die Beispielskripte von SparkFun geändert, um die LEDs basierend auf dem Ausgang des Belegungssensors zum Leuchten zu bringen: eine grüne LED für „keine Katze“ und eine rote für „Katze“. Ich baute ein Lindenholzgehäuse, montierte die Platinen und die Batterie und schnitt ein Loch in die Rückseite als Fenster für das Radarmodul. (Hinweis: Neben der Pflege von Wildkatzen habe ich während der Pandemie auch versucht, Plastikhüllen für Projekte in 3D zu drucken. Aber ich habe herausgefunden, dass das Schneiden, Bohren und Kleben von Plastikholz bei der Herstellung von Einzelstücken schneller, stabiler und viel fehlerverzeihender ist oder Prototypen.)
Der Radarsensor sendet 60-Gigahertz-Impulse durch die Wände und die Verkleidung des Schutzraums. Wenn das Radar die Schichten durchdringt, wird ein Teil der Strahlung zum Sensor zurückreflektiert, der sie erkennt und daraus Entfernungen ermittelt. Abhängig von ihrer elektrischen Permittivität reflektieren einige Materialien den Impuls stärker als andere. James Provost
Ich habe auch die Skripte geändert, um die Reichweite des Präsenzmelders anzupassen. Wenn ich den Detektor an die Wand eines Schutzraums halte, erkennt er nur Reflexionen, die aus dem Raum innerhalb dieser Wand und von der gegenüberliegenden Seite in einem Abstand von etwa 50 Zentimetern kommen. Da alle Katzen in der Kolonie ausgewachsen sind, nehmen sie ausreichend Raum in einem Unterschlupf ein, um einen solchen Radarstrahl zu durchqueren, vorausgesetzt, dass ich den Detektor nicht in der Nähe einer Ecke platziere.
Ich habe einen Tierheimtest mit dem Handdetektor an einer unserer Wohnungskatzen durchgeführt und sie davon überzeugt, mehrere Sekunden lang mit Leckerlis in der offenen Box zu bleiben. Dem Detektor gelang es, ihn jedes Mal zu erkennen, wenn er drinnen war, obwohl er anfällig für Fehlalarme war. Ich werde versuchen, diese Fehler zu reduzieren, indem ich die Vielzahl der für das Radar verfügbaren Konfigurationsparameter anpasse. Aber in der Zwischenzeit sind falsch-positive Ergebnisse weitaus erstrebenswerter als falsch-negative Ergebnisse: Ein „keine Katze“-Licht bedeutet, dass es absolut sicher ist, den Deckel des Tierheims zu öffnen, und meinen (und denen der Katzen) Nerven geht es besser.