اكتشف القطط الوحشية داخل الملاجئ باستخدام الرادار النبضي

لديك صندوق مغلق. قد يكون هناك قطة حية بالداخل، لكنك لن تعرف ذلك حتى تفتح الصندوق. بالنسبة لمعظم الناس، يمثل هذا الموقف لغزًا نظريًا يبحث في أسس ميكانيكا الكم. لكن بالنسبة لي، فهي مشكلة عملية ملحة، لأسباب ليس أقلها أن الفيزياء تتجاهل تمامًا القضية الحيوية المتمثلة في مدى انزعاج القطة عند فتح الصندوق. ولكن لحسن الحظ، تأتي الهندسة للإنقاذ، في شكل مستشعر رادار متماسك نبضي جديد صديق للمصنع بقيمة 50 دولارًا أمريكيًا من SparkFun.

ربما ينبغي علي أن أتراجع قليلا. أثناء العمل من المنزل أثناء الوباء، اكتشفنا أنا وزوجتي مستعمرة من القطط الوحشية التي تعيش في الأفنية الخلفية لمنزلنا في مدينة نيويورك. لقد عكسنا نمو المستعمرة من خلال تنفيذ مصيدة الخصية (TNR) على أكبر عدد ممكن من أعضائها، وقمنا بشراء ثلاثة ملاجئ خارجية من Feralvilla لرؤية جيراننا ذوي الفراء خلال فصول الشتاء القاسية في نيويورك. تسمح هذه الملاجئ المعزولة ذات الشكل المكعب تقريبًا للقطط بالدخول عبر فتحة في أرضية مرتفعة. يسمح لنا الغطاء القابل للإزالة في الأعلى باستبدال فراش القش كل بضعة أشهر. من المستحيل رؤية ما بداخل الملجأ دون إزالة الغطاء، مما يعني أنك تخاطر بمفاجأة حيوان مفترس ذي مخالب كان يستمتع بغفوة هادئة قبل لحظات فقط.

العلبة للرادار [left column] مصنوع من خشب الزيزفون (إضافة آذان القطط في الأعلى أمر اختياري). متحكم دقيق [top row, middle column] يعالج النتائج من وحدة الرادار [top row, right column] ويضيء المصابيح [right column, second from top] وفقاً لذلك. بطارية ومفتاح تشغيل/إيقاف [bottom row, left to right] يشكلون مصدر الطاقة.جيمس بروفوست

تستجيب القطط الوحشية للبشر بشكل مختلف عن القطط الأليفة الاجتماعية. إنهم ينظرون إلينا على أننا تهديدات وليس خدمًا متلعثمين. حتى بعد سنوات من التغذية اليومية، فإن معظم القطط في مستعمرتنا لن تسمح لنا بالاقتراب أكثر من متر أو مترين، ناهيك عن المعاناة من اللمس. لديهم مخالب لم يسبق لهم رؤية المقص. وهم لا يحبون أن يتفاجأوا أو يشعرون بأنهم محاصرون. لذا أردت طريقة لمعرفة ما إذا كان الملجأ مشغولاً أم لا قبل لقد فتحت الغطاء للصيانة. وهنا يأتي دور الرادار.

تعتمد وحدة الرادار النبضي المتماسك من SparkFun على مستشعر A121 منخفض التكلفة من Acconer. ويعمل المستشعر، وهو أصغر من ظفر الإصبع، بسرعة 60 جيجاهيرتز، مما يعني أن إشارته يمكن أن تخترق العديد من المواد الشائعة. عندما تمر الإشارة عبر مادة ما، ينعكس بعضها مرة أخرى إلى المستشعر، مما يسمح لك بتحديد المسافات إلى أسطح متعددة بدقة مستوى المليمتر. يمكن وضع الرادار في وضع “كاشف التواجد” – الذي يهدف إلى تحديد ما إذا كان هناك إنسان موجود أم لا – حيث يبحث عن تغييرات في مسافة الانعكاسات لتحديد الحركة.

بمجرد أن رأيت الإعلان عن وحدة SparkFun، بدأت العجلات تدور. إذا كان الرادار قادراً على اكتشاف الإنسان، فلماذا لا يتمكن من اكتشاف القطط؟ بالتأكيد، كان بإمكاني حل مشكلة وجود قطة في الصندوق باستخدام تكنولوجيا أقل تطورًا، على سبيل المثال، عن طريق وضع جهاز استشعار للضغط داخل الملجأ. لكن ذلك كان سيتطلب إعدادًا دائمًا مكتملًا بمقاومة الطقس والطاقة وطريقة ما لإخراج البيانات. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن أقوم بثلاثة تجهيزات، واحدة لكل ملجأ. للحصول على معلومات كنت أحتاجها مرة واحدة فقط كل بضعة أشهر، بدا ذلك كثيرًا بعض الشيء. لذلك طلبت وحدة الرادار، بالإضافة إلى وحدة التحكم الدقيقة IoT RedBoard بقيمة 30 دولارًا. يعمل RedBoard بنفس 3.3 فولت مثل الرادار ويمكنه تكوين الوحدة وتحليل مخرجاتها.

إذا كان الرادار قادراً على اكتشاف الإنسان، فلماذا لا يتمكن من اكتشاف القطط؟

كان توصيل الرادار بـ RedBoard أمرًا سهلاً، حيث أن كلاهما يحتوي على واجهات Qwiic ذات 4 أسلاك، والتي توفر الطاقة إلى جانب اتصال I2C التسلسلي بالأجهزة الطرفية. تتيح لي مكتبات Arduino وأمثلة التعليمات البرمجية الخاصة بـ SparkFun اختبار جدوى الفكرة سريعًا عن طريق توصيل وحدة التحكم الدقيقة بجهاز كمبيوتر مضيف عبر USB، ويمكنني عرض النتائج من الرادار عبر شاشة تسلسلية. أظهرت التجارب التي أجريت على قططنا الداخلية (اثنان منشقان عن المستعمرة) أن حركة تنفسها كانت كافية لتحفيز كاشف الوجود، حتى عندما كانت نائمة. وأظهرت الاختبارات الإضافية أن الرادار قادر على اختراق الجدران الخشبية للملاجئ والبطانة المعزولة.

وكانت الخطوة التالية هي جعل الشيء محمولاً. أضفت بطارية ليثيوم صغيرة بقيمة 11 دولارًا وقمت بربط مفتاح التشغيل / الإيقاف في سلك الطاقة الخاص بها. لقد قمت بتوصيل اثنين من مصابيح LED على شكل قطرة صمغية إلى دبابيس الإدخال/الإخراج الخاصة بـ RedBoard وقمت بتعديل نماذج البرامج النصية الخاصة بـ SparkFun لإضاءة مصابيح LED بناءً على مخرجات كاشف التواجد: مؤشر LED أخضر لـ “no cat” وأحمر لـ “cat”. لقد قمت ببناء حاوية من خشب الزيزفون، وقمت بتركيب لوحات الدوائر والبطارية، وقمت بقطع ثقب في الخلف كنافذة لوحدة الرادار. (ملاحظة جانبية: إلى جانب رعاية القطط الوحشية، كان الشيء الآخر الذي جربته خلال الوباء هو الطباعة ثلاثية الأبعاد للمغلفات البلاستيكية للمشاريع. لكنني اكتشفت أن قطع الخشب وحفره ولصقه كان أسرع وأكثر ثباتًا وأكثر تسامحًا عند صنع واحدة- العروض أو النماذج الأولية.)

يرسل مستشعر الرادار نبضات تبلغ 60 جيجاهيرتز عبر جدران وبطانة الملجأ. وعندما يخترق الرادار الطبقات، ينعكس بعض الإشعاع مرة أخرى إلى المستشعر، الذي يكتشفه لتحديد المسافات. ستعكس بعض المواد النبض بقوة أكبر من غيرها، اعتمادًا على سماحيتها الكهربائية. جيمس بروفوست

لقد قمت أيضًا بتعديل البرامج النصية لضبط النطاق الذي يقوم كاشف التواجد بمسحه ضوئيًا. عندما أحمل الكاشف على جدار أحد الملاجئ، فإنه ينظر فقط إلى الانعكاسات القادمة من الفضاء داخل ذلك الجدار والجانب المقابل، على مسافة حوالي 50 سم. نظرًا لأن جميع القطط الموجودة في المستعمرة بالغة، فإنها تشغل ما يكفي من حجم الملجأ لتقاطع أي شعاع رادار من هذا القبيل، طالما أنني لا أضع الكاشف بالقرب من الزاوية.

لقد أجريت اختبارات داخل الملجأ للكاشف المحمول مع إحدى قططنا الداخلية، التي تم رشوتها بالمكافآت للجلوس في الصندوق المفتوح لعدة ثوانٍ في كل مرة. نجح الكاشف في اكتشافه عندما كان بالداخل، على الرغم من أنه عرضة للإيجابيات الكاذبة. سأحاول تقليل هذه الأخطاء عن طريق ضبط عدد كبير من إعدادات التكوين المتاحة للرادار. لكن في هذه الأثناء، تكون الإيجابيات الكاذبة مرغوبة أكثر بكثير من السلبيات الكاذبة: ضوء “لا يوجد قطة” يعني أنه من الآمن بالتأكيد فتح غطاء الملجأ، وأعصابي (والقطط) هي الأفضل لذلك.