Passive Electric Field Sensing for Ubiquitous and Environmental Perception
Creators: name: Wilmsdorff, Julian Von
name: :Unav
Publisher: name: Fraunhofer-Gesellschaft
Year: 2021
Subjects: Lead Topic: Individual Health
Lead Topic: Smart City
Research Line: Human computer interaction (HCI)
Electric field sensing
Capacitive sensors
Capacitive proximity sensors
Optimization
Smart environments
Ubiquitous computing
Environmental data

description: Electric Field Sensing plays an important role in the research branches of Environmental Perception as well as in Ubiquitous Computing. Environmental Perception aims to collect data of the surroundings, while Ubiquitous Computing has the objective of making computing available at any time. This includes the integration of sensors to perceive environmental influences in an unobtrusive way. Electric Field Sensing, also referenced as Capacitive Sensing, is an often used sensing modality in these research fields, for example, to detect the presence of persons or to locate touches and interactions on user interfaces. Electric Field Sensing has a number of advantages over other technologies, such as the fact that Capacitive Sensing does not require direct line-of-sight contact with the object being sensed and that the sensing system can be compact in design. These advantages facilitate high integrability and allow the collection of data as required in Environmental Perception, as well as the invisible incorporation into a user's environment, needed in Ubiquitous Computing. However, disadvantages are often attributed to Capacitive Sensing principles, such as a low sensing range of only a few centimeters and the generation of electric fields, which wastes energy and has several more problems concerning the implementation. As shown in this thesis, this only affects a subset of this sensing technology, namely the subcategory of active capacitive measurements. Therefore, this thesis focuses on the mainly open area of Passive Electric Field Sensing in the context of Ubiquitous Computing and Environmental Perception, as active Capacitive Sensing is an open research field which already gains a lot of attention. The thesis is divided into three main research questions. First, I address the question of whether and how Passive Electric Field Sensing can be made available in a cost-effective and simple manner. To this end, I present various techniques for reducing installation costs and simplifying the handling of these sensor systems. After the question of low-cost applicability, I examine for which applications passive electric field sensor technology is suitable at all. Therefore I present several fields of application where Passive Electric Field Sensing data can be collected. Taking into account the possible fields of application, this work is finally dedicated to the optimization of Passive Electric Field Sensing in these cases of application. For this purpose, different, already known signal processing methods are investigated for their application for Passive Electric Field sensor data. Furthermore, besides these software optimizations, hardware optimizations for the improved use of the technology are presented.
description: Electric Field Sensing spielt eine wichtige Rolle in den Forschungsbereichen Environmental Perception und Ubiquitous Computing. Environmental Perception zielt darauf ab, Daten aus der Umgebung zu sammeln, während Ubiquitous Computing das Ziel hat, Computer allgegenwärtig verfügbar zu machen. Dazu gehört auch die Integration von Sensoren, um Umwelteinflüsse auf unauffällige Weise aufzuzeichnen. Electric Field Sensing, auch als Capacitive Sensing bezeichnet, ist eine häufig verwendete Sensormodalität in diesen Forschungsbereichen, beispielsweise um die Anwesenheit von Personen zu erkennen oder um Berührungen und Interaktionen auf interaktiven Oberflächen zu lokalisieren. Die elektrische Feldmessung hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Technologien, wie z. B. die Tatsache, dass die kapazitive Messung keinen direkten Sichtkontakt mit dem zu messenden Objekt erfordert und dass das Messsystem kompakt aufgebaut werden kann. Diese Vorteile erleichtern eine hohe Integrierbarkeit und ermöglichen die Erfassung von Daten, wie sie für die Environmental Perception erforderlich sind, sowie die unsichtbare Einbringung in die Umgebung des Benutzers, wie sie für das Ubiquitous Computing benötigt wird. Dem kapazitiven Sensorprinzip werden jedoch oft Nachteile zugeschrieben, wie z.B. eine geringe Reichweite von nur wenigen Zentimetern und die Erzeugung elektrischer Felder, was Energie verschwendet und weitere Probleme bei der Implementierung mit sich bringt. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, betrifft dies nur eine Teilmenge dieser Sensortechnologie, nämlich die Unterkategorie der aktiven kapazitiven Messung. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf das noch offene Gebiet der passiven elektrischen Feldsensorik im Kontext des Ubiquitous Computing und der Environmental Perception, da die aktive kapazitive Sensorik ein offenes Forschungsfeld ist, dem bereits viel Aufmerksamkeit geschenkt wird. Die Arbeit gliedert sich hierfür in drei Hauptforschungsfragen. Zunächst beschäftige ich mich mit der Frage, ob und wie Passive Electric Field Sensing auf kostengünstige und einfache Weise verfügbar gemacht werden kann. Dazu stelle ich verschiedene Techniken zur Reduzierung der Installationskosten und zur Vereinfachung der Handhabung dieser Sensorsysteme vor. Nach der Frage der kostengünstigen Anwendbarkeit untersuche ich, für welche Anwendungen die passive elektrische Feldsensorik überhaupt geeignet ist. Dazu stelle ich verschiedene Anwendungsfelder vor, in denen Daten mit Passive Electric Field Sensing erhoben werden können. Unter Berücksichtigung der möglichen Einsatzgebiete widmet sich diese Arbeit schließlich der Optimierung von Passive Electric Field Sensing in diesen Anwendungsfällen. Zu diesem Zweck werden verschiedene, bereits bekannte Signalverarbeitungsmethoden auf ihre Anwendbarkeit für Passive Electric Field Sensing Daten untersucht. Darüber hinaus werden neben diesen Software-Optimierungen auch Hardware-Optimierungen für den verbesserten Einsatz der Technologie vorgestellt.