Home wellness and safety sensor utilizing new material technology for condensed MIMO antenna implementation (WellSafe)

Antall personer med livsstil-relaterte sykdommer eller helseproblemer har vært økende de siste årene. Samtidig ser man at den relative andelen eldre mennesker i samfunnet øker. Dette resulterer i et behov for ny teknologi og løsninger som kan bidra til økt livskvalitet og samtidig holde kostnadene til hjemmebasert omsorg på et akseptabelt nivå. Målet med dette prosjektet er å ta frem en ny type sensor som kan forenkle hverdagen og øke tryggheten for syke og eldre som ønsker å bo lengst mulig i eget hjem. Ideen bak prosjektet er å introdusere en ny sensorløsning basert på avansert elektromagnetisk måling som enkelt kan monteres og benyttes i hjemmet eller omsorgsboliger. Sensoren plasseres i taket eller på et bord og vil gjøre det mulig å lokalisere personer og deres bevegelsesmønstre samt pust- og pulsrate. Ved å i tillegg kombinere informasjon fra sensorer i flere rom, er det også mulig å bygge intelligente system som kan avdekke avvik fra normalen. Dette muliggjøres ved avansert 3D scanning av alle rom som baserer seg på å bruke en matrise av radarsensorer hvor sensorsignalene kan styres i rommet. For å oppnå nødvendig ytelse kreves utvikling av et array miniatyriserte antenner som er fysisk små i forhold til signalets bølgelengde. Planen er å utnytte nye materialer som kan gi elektrisk store antenner som er fysisk små. Elektrisk store antenner bidrar til å opprettholde god signalkvalitet samt forbedret oppløsning, men det er samtidig viktig å begrense fysisk størrelse for å unngå såkalt aliasing eller ambiguiteter. Prosjektet har definert arkitektur og målspesifikasjoner for system og antenneelementer. Det er tatt frem et utvalg fysiske prototyper for uttesting samt bygget første fase prototyper på MIMO system i form av ulike array (ULA + UCA) inkludert nødvendig software. Det er også tatt frem prototype på en sterkt miniatyrisert en-kanal modul som vil ha et stort markedspotensial. Prototypen er basert på antennelement med størrelse 2.8mm x 7mm. Tester viser deteksjonsrekkevidde på 7 meter. Resultater fra prosjektet tas nå over i produktutvikling for lansering høsten 2020.

Virkningen av prosjektet for selskapet har vært betydelig i form av kompetanseoppbygging på miniatyriserte antennedesign og multikanal (MIMO) sensorløsninger. Antenneminiatyriseringen som har vært mulig som følge av prosjektet har også åpnet for helt nye markeder for bedriftens produkter med betydelig potensiale. Prosjektet har også validert konseptløsninger for MIMO radar sensorer som grunnlag for produktutvikling. Prosjektet har også bidratt til kompetansebygging i universitetsmiljø i form ny kunnskap om alternative materialer og metoder knyttet til antenneminiatyrisering og karakteriseringsmetoder. I et større perspektiv har prosjektet hatt betydelig internasjonalt samarbeid og resultatspredning gjennom konferanser / workshops og publikasjoner.

The number of people with life-style related health issues and diseases has been growing significantly the last few years. At the same time the relative share of elderly people in the population is increasing creating a demand for new solutions and technology to maximize quality-of-life and at the same time minimizing costs for the global society. This project proposes a new sensor that will both simplify the everyday life and reduce the cost related to continuous monitoring of elderly or people at risk in their own homes. The idea is to introduce a new device based on advanced microwave sensing that may be easily integrated in private homes or care units. This device will be mounted in the ceiling similar to movement sensors or fire alarms and has the ability to not only perform localization of people and their movement patterns, but also measure respiration and heartrate in real-time. By combining signals from sensors in several room, intelligent and self-learning systems with the ability to report events deviating from the normal expected behavior are possible to realize. This functionality will be enabled by advanced 3D scanning of individual rooms utilizing state-of-the-art RF MIMO beamforming techniques. The ability to render 3D images relies on implementing a MxN matrix of single-channel radar sensors each including a pair of transmit (TX) and receive (RX) antennas, and a Novelda Xethru radar SoC. By synchronizing the individual channels and ensuring a maximum pitch of 1/2 the radar signal wavelength, digital receive beamforming is possible. If the pitch is larger than 1/2 the wavelength aliasing will occur, resulting in ambiguities and false detection. By creation of artificial structures known as metamaterials the electromagnetic properties can be manipulated beyond the choice of base material. The idea is to exploit the metamaterial properties to achieve sufficiently small antennas below 1/4 of the signal wavelength in order to meet product requirements.