ESP-CSI 方案介绍

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方案特点

ESP-CSI（Channel State Information）是乐鑫提供的一项技术，用于获取 Wi-Fi 信道的状态信息。它运用了 ESP 系列芯片的特性，通过解析 Wi-Fi 信道的细节指标，如相位、传播时延、信噪比、信道矩阵、数据速率等，来提供更精细和细致的无线信道信息。为多种高级应用和智能感知技术提供强有力的支持。带来更多的创新和应用可能性。

ESP-CSI 提供了比传统的信号强度（RSSI）更多的信息。RSSI 只是简单地测量信号的强度，而 CSI 则提供了更详细、更丰富的信道信息，包括信号的振幅、相位等。这些信息对于一些高级应用非常有用，比如：室内定位，环境监测，人体感知。

ESP-CSI 在物联网、智能家居、智能城市等领域有着广泛的应用前景，使得设备更智能、更精准地感知和响应周围环境的变化。

方案优势

  • 无需额外硬件成本： ESP-CSI 方案基于 ESP 系列芯片自身的特性实现，无需额外的硬件成本，为开发者提供了经济高效的解决方案。

  • 实时响应： ESP 系列芯片可以在设备本地实时处理和分析 CSI 数据，提供快速响应和高性能。

  • 抗干扰性：CSI 的振幅实质上是一组信道的衰减系数。只要信道本身不发生变化，它对来自电源适配器和其他跳频器等的干扰非常稳健。

  • 更细粒度：不使用综合值（如 RSSI）来测量信道，而是以通道中的子载波为单位采样频率响应，从而在频率域内对信道进行更细粒度的描述。

ESP-CSI 常见应用场景

  • 入侵检测（Intruder Detection）： 利用 ESP-CSI，可以选择高灵敏度的子载波组合和来自非直线传播路径方向的信号，在不同多径传播环境下，提高被动式人员检测的灵敏度并扩展检测范围。这样可以形成的入侵检测系统，为安全应用提供高效的入侵检测解决方案。

  • 定位和测距（Positioning and Ranging）： ESP-CSI 可以借鉴 RSSI 方法，并利用 CSI 作为更丰富的指纹信息（包括多个子载波上的信号振幅和相位信息），或者通过频率选择性衰减模型进行更准确的定位和测距。这有助于在室内或复杂环境中实现更精确的定位和距离测量。

  • 人体活动检测与识别（Human Activity Detection and Recognition）： 利用 ESP-CSI 的高灵敏度，可以识别人体的运动、手势、日常活动。这对于实现智能家居、健康监测和人体交互等应用非常有用。

  • 乐鑫 ESP-CSI 智能人体感知检测方案

芯片 CSI 性能排序

  • ESP32-C5 ＞ ESP32-C6 ＞ ESP32-C3 ≈ ESP32-S3 ＞ ESP32

ESP-CSI 的实现方式

请参考 如何获取 CSI

ESP-CSI 参考资料

ESP-CSI 相关组件

  • esp-radar：ESP-CSI 的人体运动检测组件，可以实现 CSI 数据的获取，人体移动检测。

  • esp-csi-gain-ctrl：射频接收增益补偿控制组件，用于补偿射频接收过程中的自动增益控制，以方便集成到产品中。

共晶振多天线方案

目前算法部署的场景中使用的 CSI 研究的网卡多为多天线网卡，我们设计将两个芯片的共晶振，可以实现类似的效果。esp-crab 提供一种 Wifi-CSI 的射频相位同步解决方案, 该方案包含两种工作模式：1、自发自收模式；2、单发双收模式

共晶振方案原理图及例程

  • 自发自收模式：在该模式下，两片 ESP32-C5 芯片分别发送和接收信号，通过计算接收 Wi-Fi CSI 信号中的相位信息，可以毫米级地感知射频信号路径中的扰动。同时，通过安装铜片控制射频信号的传输路径，也可以调节感知范围，从而为高精度的近距离 Wi-Fi 感知提供技术支持。这种模式使得 Wi-Fi 信号感知更加精细，适用于近距离和复杂环境中的精确感知应用。

自发自收幅度效果 自发自收相位效果

  • 单发双收模式：此模式下，一片 ESP32-C5 芯片负责发送信号，而 esp-crab 的两片 ESP32-C5 芯片则负责接收信号。通过分散部署发送端和接收端，可以在大范围空间内实现 Wi-Fi 感知。esp-crab 获取的共晶振 Wi-Fi CSI 信息能够满足前沿研究中的 Wi-Fi 感知性能需求，并且可以直接对接成熟的高级算法，进一步提升无线感知系统的精度和应用价值。该模式为大范围、复杂环境下的无线感知和定位提供了强大的技术支撑。

单发双收相位效果

运动检测算法

我们设计了一个多天线共晶振开发板，用于采集和实时处理 CSI 数据。该板搭载了一块 ESP32-C3 和一块 ESP32-S3。ESP32-C3 通过天线开关连接到三个板载定向天线，而 ESP32-S3 连接到一个天线插座，以提供更灵活的天线类型和信号传输路径选择。在操作过程中，ESP32-C3 持续发送空中数据包（例如 ESP-NOW），而 ESP32-S3 负责从经环境反射的 ESP32-C3 发送的空中数据包中获取 CSI。两颗芯片间通过时钟缓冲器连接，以消除由两颗芯片间时钟不同步引起的相对频率偏移。这样，运行在 ESP32-S3 上的检测算法可以进一步利用 CSI 数据中的相位信息进行检测。动作检测算法的计算结果和阈值将实时显示在屏幕上，并用红色突出显示动作检测结果。

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