Ingenieure auf dem Gebiet der Allgemeinbeleuchtung konzentrieren sich auf die Entwicklung kompakter, intelligenter und energieeffizienter Systeme, die durch Hinzufügen der Funktion der automatischen Abschaltung erreicht werden könnten, wenn keine menschliche Anwesenheit erkannt wird. Heutzutage basieren diese intelligenten Sensoren meist auf der PIR-Technologie (Passiv-Infrarot), die gut geeignet ist, um menschliche Bewegungen über einen großen Bereich in einem großen Erfassungsbereich zu erfassen, aber bei kleinen Bewegungen nicht effektiv ist und auch nicht zwischen Objekten unterscheiden kann die sich nähern und entfernen. Radarsensoren können viele der Funktionen ausführen, die PIR-Sensoren nicht können, aber ihr Funktionsprinzip basiert auch auf Bewegung, und obwohl sie normalerweise in der Lage sind, kleine Bewegungen zu erkennen, können sie keine stationären Objekte erkennen. Da die Richtungserkennung auf das Hinein- und Herauszoomen beschränkt ist, ist es oft nicht einfach oder nicht möglich, spezielle Funktionen wie das Zählen von Personen, die einen Raum betreten oder verlassen, auszuführen. Personen, die sich in einem Büro aufhalten, ohne sich wahrnehmbar zu bewegen, gelten mit diesen Geräten als nicht anwesend. Der GridEye-Sensor von Panasonic basiert auf einem Matrixdetektor und fungiert als Wärmebildkamera mit niedriger Auflösung, wodurch er sich ideal für die Anwesenheitserkennung eignet. Durch die Auswertung des Wärmebildes mit einem mikroprozessorbasierten Hostsystem können komplexere Beobachtungen gemacht werden. Durch die Integration dieses Sensors in ein Gebäudeautomations- oder intelligentes Beleuchtungssystem können Probleme mit PIR- oder Radarsensoren vermieden werden. Dieser Technologieartikel bietet einen Vergleich der oben genannten Technologien.
PIR-Sensoren
Der Passiv-Infrarot-Sensor (oder PIR) erkennt Änderungen im Wärmefluss, die durch die Bewegung des menschlichen Körpers verursacht werden, der mit der Umgebung in Kontakt steht und seine Temperatur ändert. Die Strahlung bewegt sich im Infrarotbereich mit einer maximalen Wellenlänge von 9,4 µm, die die pyroelektrischen Materialien des PIR-Sensors erfassen und als Antwort Energie erzeugen. Pyroelektrische Elemente zeigen ferroelektrisches Verhalten und zeichnen sich durch eine gewisse dauerhafte elektrische Polarisation auf der Oberfläche der Elemente aus. Die Polarisation ist jedoch nicht nachweisbar, da die Oberflächenladungen durch einige geladene Ionen in der Oberflächenumgebung ausgeglichen werden. Wenn Infrarotstrahlung auf pyroelektrische Elemente trifft, steigt ihre Temperatur nur sehr wenig an. Als Folge der thermischen Ausdehnung muss die kristalline Struktur umgeordnet werden und daher ändert sich die Oberflächenpolarisation der Elemente. Diese Polarisationsänderung kann durch die Elektroden auf der Ober- und Unterseite der pyroelektrischen Elemente erfasst werden. Die zur Kompensation der Änderung der elektrischen Polarisation erforderliche elektrische Ladung wird von einem internen Feldeffekttransistor (FET) erfasst und verstärkt. Jede Temperaturänderung der Elemente verursacht eine kurze Störung im Ausgangssignal des FET, der zur Erkennung der Anwesenheit eines menschlichen Körpers verwendet wird. Die Polarisationsänderungen sind sehr klein und daher ist es notwendig, dass diese Änderungen schnell genug sind, damit der FET sie erkennen kann. Aus diesem Grund können nur sich bewegende Infrarot-Emissionsquellen detektiert werden. Um durch Temperaturänderungen verursachte Fehlsignale auslöschen zu können, sind mindestens zwei pyroelektrische Elemente mit antiparalleler Polarisation in Reihe geschaltet.
In Bezug auf die Konstruktion verfügen PIR-Melder über eine Fresnel-Linse, um die Strahlung auf die Sensorelemente zu fokussieren, sowie über Dual- oder Quad-Elemente, um Umgebungstemperaturen zu subtrahieren und die Anzahl von Fehlalarmen zu reduzieren. PIR-Sensoren können horizontale Bewegungen korrekt erkennen, aber sie können radiale Bewegungen nicht immer erkennen. Es gibt auch intelligente digitale PIR-Sensoren wie den pyroelektrischen passiven Infrarotsensor (PIR-Sensor) von Nicera.
Dieses Gerät ist ein Pyrosensor mit digitalem Ausgang, erfordert jedoch keine Kommunikation mit einem Mikrocontroller. Im Falle der Erkennung eines sich bewegenden Objekts (Mensch) ist die Ausgangsspannung an den Anschlüssen während einer voreingestellten Betriebszeit hoch (Vdd-1 V min) und während der restlichen Zeit niedrig (<1 V). Die Konfiguration der Betriebszeit und Empfindlichkeit erfolgt durch Anlegen der entsprechenden Spannungswerte an den Anschlüssen entsprechend der Empfindlichkeit und Betriebszeit. Dank dieses Produkts kann ein Detektor mit nur wenigen externen Geräten entworfen werden.
Die Nachteile der PIR-Technologie sind die Notwendigkeit der Fresnel-Linse und die Fähigkeit, nur große menschliche Bewegungen in tangentialer Richtung zu erkennen.
Radarsensoren
Radarsensoren können leichte Bewegungen des menschlichen Körpers erkennen und könnten, wenn sie in ein intelligentes System integriert werden, die Probleme von PIR-Sensoren lösen. Um jedoch alle Anforderungen zu erfüllen, müssen diese Sensoren sehr klein, kostengünstig, stromsparend und stromsparend sein.
Bisher war es nur möglich, Radarsysteme mit teuren, großen und schweren Komponenten wie Wellenleitern zu installieren. Dank der Planartechnologie sind Sensormodule heute klein, effizient und robust.
Radarmodule emittieren elektromagnetische Strahlung im Funkfrequenzbereich von 18…27 GHz, dem sogenannten K-Band, ein Teil dieses Bereichs von 24…24,250 GHz entspricht dem ICM-Funkfrequenzband (Industrial, Scientific and Medical). Die Nutzung des K-Bandes ist praktisch überall auf der Welt ohne Einschränkungen erlaubt. Feste Objekte reflektieren Radarstrahlung und die reflektierte Strahlung wird verwendet, um Objekte zu erkennen. Wie viel reflektierte Strahlung das Radarmodul erkennt, hängt nicht nur von der Entfernung des Objekts ab, sondern auch von seiner Größe und seinem Material.
Eine metallische Oberfläche ist aufgrund ihrer hohen Reflexion ein sehr gutes Ziel für Radar, und auch ein Mensch reflektiert dank des höheren er-Wertes (Wert des im Körper enthaltenen Wassers) durchaus zufriedenstellend. Bereits die kleinsten Standardmodule sind in der Lage, eine Person in einer Entfernung von 12 Metern zu erkennen. Viele der Kunststoffmaterialien sind für Mikrowellenstrahlung mehr oder weniger durchlässig. Daher kann das Sensormodul einfach hinter einer Kunststoffplatte versteckt werden, was für das äußere Design des Endprodukts ein großer Vorteil im Vergleich zu pyroelektrischen Detektoren ist, die eine Fresnel-Linse benötigen, um richtig zu funktionieren.
Die Funktionsweise dieser Sensoren basiert auf dem Doppler-Effekt, um die Geschwindigkeitsdaten von Objekten in einer bestimmten Entfernung zu berechnen. Das reflektierte Signal, das zum gewünschten Ziel abgestrahlt wird, hat eine veränderte Frequenz. Diese Variation liefert direkte und hochgenaue Messungen der radialen Komponente der Geschwindigkeit des Ziels relativ zum Radar. Die Differenz zwischen der reflektierten Frequenz und der emittierten Frequenz einer Welle für einen Beobachter, der sich relativ zur Quelle der Welle bewegt, wird als Doppler-Verschiebung bezeichnet. Zum Beispiel Ein mit einer Sirene ausgestattetes Fahrzeug nähert sich einem stationären Beobachter, passiert ihn und entfernt sich von ihm. Die empfangene Frequenz ist bei Annäherung höher (im Vergleich zur abgestrahlten Frequenz), beim Überholen gleich und beim Entfernen niedriger. Diese Frequenzänderung hängt auch von der Richtung ab, in der sich die Quelle der Welle relativ zum Beobachtungspunkt bewegt. Doppler-Radar wird verwendet, um sich bewegende Objekte zu erkennen und ihre Geschwindigkeit zu bewerten. Ein sich bewegendes reflektierendes Objekt im Sensorfeld erzeugt eine Sinuswelle, die proportional zur Geschwindigkeit des Objekts ist.
Die Frequenztransformation könnte durch die folgende Formel beschrieben werden:
Freflexed= Fmitted (1+v/c) / (1-v/c)
wobei v die Geschwindigkeit des Objekts und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Dopplerfrequenz ist wie folgt:
Fd = Freflektiert – Femitted = 2 v Fmitted /c, was proportional zur Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts ist.
Die Amplitude hängt von der Entfernung und dem Reflexionsvermögen des sich bewegenden Objekts ab.
Die genaue Geschwindigkeitsmessung ist eine sehr nützliche Funktion, viele RfBeam Mikrowellenradarsensoren sind dazu in der Lage, selbst in den höchsten Geschwindigkeitsbereichen.
Um jedoch die Anwesenheit von Menschen mit Mikrowellentechnologie zu erkennen, reicht es aus, eine Geschwindigkeit von 1 m/s (3,6 km/h) messen zu können, aber es ist notwendig, einen sehr kleinen, billigen und einfachen verwenden zu können Detektor.
New Japan Radio Corporation WaveEye K-Band-Doppler-Sensor
Während herkömmliche Mikrowellensensoren oder -module einen vollständigen Schaltkreis um sich herum benötigen, um beispielsweise ein intelligentes Beleuchtungssystem steuern zu können, gibt es bestimmte einfach zu bedienende integrierte Bewegungsmeldermodule, die auf der Doppler-Effekt-Technologie mit 24-GHz-Mikrowellen basieren Einer davon ist der NJR4265 von New Japan Radio Corporation, bei dem Antenne, HF-Schaltung, ZF-Verstärker, MCU-Einheit und Spannungsregler in einer kleinen Größe von 14 x 20,4 x 8,8 mm integriert sind.
NJR4265 J1 ist ein intelligenter Bewegungssensor, der entwickelt wurde, um sich langsam bewegende Objekte über kurze Distanzen zu erkennen, wie z. B. Fußgänger. Feste Erkennung von sich bewegenden Objekten erfolgt durch integrierte Software. Diese Software mit dieser eingebauten Erkennungsfunktion ist in verschiedenen Geräten nützlich, da alle Funktionen in einer kleinen Größe integriert sind und einfach von einem PC/MCU mit einer UART-Schnittstelle gesteuert werden können, aber auch separat verwendet werden können.
Die Signalverarbeitungssoftware ist für die feste Erkennung zuständig, verbessert das Signal des sich bewegenden Objekts und reduziert zufälliges Rauschen sowie die Begrenzung von Interferenzen zwischen Sensoren. Ebenso ist es auch in der Lage, die Bewegungsrichtung (Annäherung oder Entfernung) zu erkennen.
Das Gerät zeichnet sich durch eine niedrige Betriebsspannung von 3,3-5 V und einen geringen Stromverbrauch aus. Im Messmodus beträgt der Betriebsstrom 60 mA, im stationären Zustand 4 mA.
Das schematische Diagramm zeigt uns, dass die Patch-Antenne und die HF-Schaltung in die analoge Filter- und Signalverarbeitungsschaltung integriert wurden.
Das Strahlungsmuster zeigt, dass dieser Mikrowellensensor Bewegungen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung erkennen kann, was einen erheblichen Vorteil gegenüber der PIR-Technologie darstellt. Die maximale Erfassungsreichweite beträgt 10 Meter in +/-35° bei einer Annäherungsgeschwindigkeit von 0,25-1 m/s, die wie in der Abbildung angegeben gemessen wird. Zum Testen des Geräts ist ein Evaluierungskit erhältlich, das die UART-Schnittstelle in USB umwandelt, sodass das Gerät an einen PC angeschlossen werden kann. Die bereitgestellte Software ist in der Lage, eine Annäherungs- und Abfahrbewegung zu erkennen, wie in den Screenshots gezeigt.
Das Gerät kann in Kombination mit der MCU/PC verwendet werden, wobei in diesem Fall der Prozessor den Parameterbereich festlegt.
Bei separater Verwendung wird dieser Parameterbereich mit einem Potentiometer eingestellt.
In beiden Fällen könnte die LED-Anzeige durch einen Steuerschaltkreis ersetzt werden, der als Schnittstelle mit dem System verwendet werden könnte, das basierend auf Bewegung gesteuert werden muss, wie etwa das Einschalten des Lichts, wenn sich eine Person nähert, und das Ausschalten, wenn die Person geht ein Weg
Anwendungsbeispiele
Da das Gerät NJR4265 klein ist und auf Mikrowellenradartechnologie basiert, lässt es sich leicht in ein eingebettetes System integrieren. Die Preisspanne ist sehr attraktiv und durch die einfache Installation und Bedienung kann dieses Gerät anstelle von PIR-basierten Systemen oder ergänzend eingesetzt werden. Das Einsatzgebiet ist breit, wobei die häufigsten Anwendungen der Bewegungsschalter von automatischen Türen, der Bewegungsschalter von Beleuchtungsanlagen oder die zusätzlichen Energiesparfunktionen von Fernsehern, Klimaanlagen oder PC-Systemen sind. Da mit der Doppler-Technologie Geschwindigkeitsmessungen mit diesem Gerät möglich sind, kann es beispielsweise auch zur Erkennung von Golf oder Tennis eingesetzt werden.
Die obige Berechnung der Dopplerrate basiert auf der Bewegungsrichtung direkt auf den Sensor zu. Unter Berücksichtigung des Winkels zwischen der Richtung des sich bewegenden Objekts und der Richtung des ausgesendeten Radarstrahls kann bei einer typischen Radarfrequenz von 24 GHz und einer Lichtgeschwindigkeit von 3 x 108 m/s die Dopplerfrequenz wie folgt berechnet werden:
Wenn die Richtung des Radarstrahls senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts ist, beträgt der Winkel 90o, daher wird - wie aus der Formel ersichtlich - die Erkennung kompliziert. Obwohl Radarsensoren in der Lage sind, relativ kleine Bewegungen und sogar die Bewegungsrichtung (begrenzt auf Annäherung oder Entfernung) zu erkennen, treten bei stationären Objekten Schwierigkeiten auf. Beispielsweise funktioniert die übliche Technik hinter Lichtsensoren in Hotelbädern nicht richtig, wenn sich der Nutzer nicht bewegt.
Da PIR- und Radarsensoren die Anzahl sich bewegender Objekte nicht erkennen können und Probleme bei der Richtungserkennung auftreten können, können sie einige Sonderfunktionen wie das Zählen oder Steuern von Personenbewegungen in einem Raum nicht ausführen.
GRID-EYE Wärmesensor
Der neue Grid-Eye-Infrarotsensor von Panasonic ist ein Thermopile-Infrarotsensor, der die Menge an Infrarotstrahlen erfasst.
Diese hochpräzisen Sensoren, die auf fortschrittlicher MEMS-Technologie basieren, verfügen dank einer zweidimensionalen 8 × 8 „Pixel“-Oberfläche mit einem I2C-Digitalausgang und einer Miniatur-SMD-Größe (Surface Mount) über eine absolute Temperaturerfassung.
Das Grid-EYE-Gerät ist dank der integrierten Silikonlinse in der Lage, Temperatur und Temperaturgradienten berührungslos entlang der gesamten angezeigten Oberfläche mit einem Betrachtungswinkel von 60º zu erfassen und bietet ein Wärmebild der beobachteten Umgebung.
Es unterscheidet problemlos mehrere Objekte und identifiziert die Bewegungsrichtung durch Auswertung des einzelnen Wärmebilds, ohne dass es zu Problemen mit der Privatsphäre kommt.
Seine kosteneffizienten und dennoch hochpräzisen Anwendungen können realisiert werden, indem der Sensor über eine digitale I2C-Kommunikationsschnittstelle mit dem Host-Mikrocontroller verbunden und mit Geschwindigkeiten zwischen 1-10 fps ausgelesen wird. Die Ausgangsunterbrechungsfunktion kann verwendet werden, um basierend auf Erkennungskriterien sofortige Aktionen auszulösen. Die 64-Pixel-Performance zur präzisen Temperaturmessung bietet die Möglichkeit der Erkennung anhand der Körperform.
Die obige Tabelle enthält einen Vergleich zwischen Bewegungserkennungstechnologien und GRID-EYE, wobei die Vorteile von GRID-EYE offensichtlich sind.
Dank berührungsloser Temperaturmessung ist die Erkennung menschlicher Körper möglich. Die unterschiedlichen Farben der Pixel repräsentieren die Temperaturgradienten.
Mit zunehmendem Erkennungsabstand nähert sich die Größe des Wärmebildes des erkannten Objekts der Größe des Pixels an. Aus größerer Entfernung können mehrere Objekte im Wärmebild unterschieden werden.
Durch den Einsatz des Grid-Eye-Sensors aus größerer Entfernung besteht die Möglichkeit, alle Bewegungen zu überwachen oder verschiedene Personen zu erkennen.
Durch die Verwendung des Sensors zur näheren Erfassung können die kritischen Stellen des Körpers erfasst werden:
Unter Verwendung des Sensors auf einem Autoarmaturenbrett im Close-Sensing-Modus ist Grid-Eye in der Lage, Gesten zu erkennen und verschiedene Funktionen zu aktivieren oder zu steuern.
Anwendungsbereich:
Sicherheit:
-Erkennung von Insassen.
-Personenzählung, Mehrpersonenerkennung.
Anwendungen im Inland:
– Öfen, Mikrowellen.
- Klimaanlagen.
- Heizsysteme.
Medizinische Anwendungen:
– Patientenkontrolle.
– Bewegungserkennung.
– Wärmebilder.
– Positionserkennung.
Allgemeinbeleuchtung:
- Energie sparen.
– Anwesenheitserkennung ohne Bewegung.
Industrielle Temperaturmessung:
-Prozesssteuerung.
-Temperaturmessung ohne Berührung.
Mit dem Ziel, zur schnellen Entwicklung von Sensorsystemen und deren kurzfristiger Kommerzialisierung beizutragen, bietet Panasonic ein Evaluierungsboard für den Grid-Eye-Sensor an.
Diese winzige Arduino-Leiterplatte enthält eine USB-Kommunikationsschnittstelle, den Sensor, einen ATMEL-Mikroprozessor und auch ein Smart-PAN1740-Bluetooth-Modul mit geringem Stromverbrauch.
Dieses Kit ermöglicht schnelles Prototyping und durch die Kombination des IR-Sensors der neuesten Generation mit Bluetooth-Technologie können Ingenieure ihre IoT-Anwendungen (Internet of Things) für drahtlose Sensoren im Handumdrehen erstellen.
Verfügbare PC-Software und Smartphone-Apps bieten zusätzliche Unterstützung für Entwickler.
PIR-Sensoren
Der Passiv-Infrarot-Sensor (oder PIR) erkennt Änderungen im Wärmefluss, die durch die Bewegung des menschlichen Körpers verursacht werden, der mit der Umgebung in Kontakt steht und seine Temperatur ändert. Die Strahlung bewegt sich im Infrarotbereich mit einer maximalen Wellenlänge von 9,4 µm, die die pyroelektrischen Materialien des PIR-Sensors erfassen und als Antwort Energie erzeugen. Pyroelektrische Elemente zeigen ferroelektrisches Verhalten und zeichnen sich durch eine gewisse dauerhafte elektrische Polarisation auf der Oberfläche der Elemente aus. Die Polarisation ist jedoch nicht nachweisbar, da die Oberflächenladungen durch einige geladene Ionen in der Oberflächenumgebung ausgeglichen werden. Wenn Infrarotstrahlung auf pyroelektrische Elemente trifft, steigt ihre Temperatur nur sehr wenig an. Als Folge der thermischen Ausdehnung muss die kristalline Struktur umgeordnet werden und daher ändert sich die Oberflächenpolarisation der Elemente. Diese Polarisationsänderung kann durch die Elektroden auf der Ober- und Unterseite der pyroelektrischen Elemente erfasst werden. Die zur Kompensation der Änderung der elektrischen Polarisation erforderliche elektrische Ladung wird von einem internen Feldeffekttransistor (FET) erfasst und verstärkt. Jede Temperaturänderung der Elemente verursacht eine kurze Störung im Ausgangssignal des FET, der zur Erkennung der Anwesenheit eines menschlichen Körpers verwendet wird. Die Polarisationsänderungen sind sehr klein und daher ist es notwendig, dass diese Änderungen schnell genug sind, damit der FET sie erkennen kann. Aus diesem Grund können nur sich bewegende Infrarot-Emissionsquellen detektiert werden. Um durch Temperaturänderungen verursachte Fehlsignale auslöschen zu können, sind mindestens zwei pyroelektrische Elemente mit antiparalleler Polarisation in Reihe geschaltet.
In Bezug auf die Konstruktion verfügen PIR-Melder über eine Fresnel-Linse, um die Strahlung auf die Sensorelemente zu fokussieren, sowie über Dual- oder Quad-Elemente, um Umgebungstemperaturen zu subtrahieren und die Anzahl von Fehlalarmen zu reduzieren. PIR-Sensoren können horizontale Bewegungen korrekt erkennen, aber sie können radiale Bewegungen nicht immer erkennen. Es gibt auch intelligente digitale PIR-Sensoren wie den pyroelektrischen passiven Infrarotsensor (PIR-Sensor) von Nicera.
Dieses Gerät ist ein Pyrosensor mit digitalem Ausgang, erfordert jedoch keine Kommunikation mit einem Mikrocontroller. Im Falle der Erkennung eines sich bewegenden Objekts (Mensch) ist die Ausgangsspannung an den Anschlüssen während einer voreingestellten Betriebszeit hoch (Vdd-1 V min) und während der restlichen Zeit niedrig (<1 V). Die Konfiguration der Betriebszeit und Empfindlichkeit erfolgt durch Anlegen der entsprechenden Spannungswerte an den Anschlüssen entsprechend der Empfindlichkeit und Betriebszeit. Dank dieses Produkts kann ein Detektor mit nur wenigen externen Geräten entworfen werden.
Die Nachteile der PIR-Technologie sind die Notwendigkeit der Fresnel-Linse und die Fähigkeit, nur große menschliche Bewegungen in tangentialer Richtung zu erkennen.
Radarsensoren
Radarsensoren können leichte Bewegungen des menschlichen Körpers erkennen und könnten, wenn sie in ein intelligentes System integriert werden, die Probleme von PIR-Sensoren lösen. Um jedoch alle Anforderungen zu erfüllen, müssen diese Sensoren sehr klein, kostengünstig, stromsparend und stromsparend sein.
Bisher war es nur möglich, Radarsysteme mit teuren, großen und schweren Komponenten wie Wellenleitern zu installieren. Dank der Planartechnologie sind Sensormodule heute klein, effizient und robust.
Radarmodule emittieren elektromagnetische Strahlung im Funkfrequenzbereich von 18…27 GHz, dem sogenannten K-Band, ein Teil dieses Bereichs von 24…24,250 GHz entspricht dem ICM-Funkfrequenzband (Industrial, Scientific and Medical). Die Nutzung des K-Bandes ist praktisch überall auf der Welt ohne Einschränkungen erlaubt. Feste Objekte reflektieren Radarstrahlung und die reflektierte Strahlung wird verwendet, um Objekte zu erkennen. Wie viel reflektierte Strahlung das Radarmodul erkennt, hängt nicht nur von der Entfernung des Objekts ab, sondern auch von seiner Größe und seinem Material.
Eine metallische Oberfläche ist aufgrund ihrer hohen Reflexion ein sehr gutes Ziel für Radar, und auch ein Mensch reflektiert dank des höheren er-Wertes (Wert des im Körper enthaltenen Wassers) durchaus zufriedenstellend. Bereits die kleinsten Standardmodule sind in der Lage, eine Person in einer Entfernung von 12 Metern zu erkennen. Viele der Kunststoffmaterialien sind für Mikrowellenstrahlung mehr oder weniger durchlässig. Daher kann das Sensormodul einfach hinter einer Kunststoffplatte versteckt werden, was für das äußere Design des Endprodukts ein großer Vorteil im Vergleich zu pyroelektrischen Detektoren ist, die eine Fresnel-Linse benötigen, um richtig zu funktionieren.
Die Funktionsweise dieser Sensoren basiert auf dem Doppler-Effekt, um die Geschwindigkeitsdaten von Objekten in einer bestimmten Entfernung zu berechnen. Das reflektierte Signal, das zum gewünschten Ziel abgestrahlt wird, hat eine veränderte Frequenz. Diese Variation liefert direkte und hochgenaue Messungen der radialen Komponente der Geschwindigkeit des Ziels relativ zum Radar. Die Differenz zwischen der reflektierten Frequenz und der emittierten Frequenz einer Welle für einen Beobachter, der sich relativ zur Quelle der Welle bewegt, wird als Doppler-Verschiebung bezeichnet. Zum Beispiel Ein mit einer Sirene ausgestattetes Fahrzeug nähert sich einem stationären Beobachter, passiert ihn und entfernt sich von ihm. Die empfangene Frequenz ist bei Annäherung höher (im Vergleich zur abgestrahlten Frequenz), beim Überholen gleich und beim Entfernen niedriger. Diese Frequenzänderung hängt auch von der Richtung ab, in der sich die Quelle der Welle relativ zum Beobachtungspunkt bewegt. Doppler-Radar wird verwendet, um sich bewegende Objekte zu erkennen und ihre Geschwindigkeit zu bewerten. Ein sich bewegendes reflektierendes Objekt im Sensorfeld erzeugt eine Sinuswelle, die proportional zur Geschwindigkeit des Objekts ist.
Die Frequenztransformation könnte durch die folgende Formel beschrieben werden:
Freflexed= Fmitted (1+v/c) / (1-v/c)
wobei v die Geschwindigkeit des Objekts und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Dopplerfrequenz ist wie folgt:
Fd = Freflektiert – Femitted = 2 v Fmitted /c, was proportional zur Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts ist.
Die Amplitude hängt von der Entfernung und dem Reflexionsvermögen des sich bewegenden Objekts ab.
Die genaue Geschwindigkeitsmessung ist eine sehr nützliche Funktion, viele RfBeam Mikrowellenradarsensoren sind dazu in der Lage, selbst in den höchsten Geschwindigkeitsbereichen.
Um jedoch die Anwesenheit von Menschen mit Mikrowellentechnologie zu erkennen, reicht es aus, eine Geschwindigkeit von 1 m/s (3,6 km/h) messen zu können, aber es ist notwendig, einen sehr kleinen, billigen und einfachen verwenden zu können Detektor.
New Japan Radio Corporation WaveEye K-Band-Doppler-Sensor
Während herkömmliche Mikrowellensensoren oder -module einen vollständigen Schaltkreis um sich herum benötigen, um beispielsweise ein intelligentes Beleuchtungssystem steuern zu können, gibt es bestimmte einfach zu bedienende integrierte Bewegungsmeldermodule, die auf der Doppler-Effekt-Technologie mit 24-GHz-Mikrowellen basieren Einer davon ist der NJR4265 von New Japan Radio Corporation, bei dem Antenne, HF-Schaltung, ZF-Verstärker, MCU-Einheit und Spannungsregler in einer kleinen Größe von 14 x 20,4 x 8,8 mm integriert sind.
NJR4265 J1 ist ein intelligenter Bewegungssensor, der entwickelt wurde, um sich langsam bewegende Objekte über kurze Distanzen zu erkennen, wie z. B. Fußgänger. Feste Erkennung von sich bewegenden Objekten erfolgt durch integrierte Software. Diese Software mit dieser eingebauten Erkennungsfunktion ist in verschiedenen Geräten nützlich, da alle Funktionen in einer kleinen Größe integriert sind und einfach von einem PC/MCU mit einer UART-Schnittstelle gesteuert werden können, aber auch separat verwendet werden können.
Die Signalverarbeitungssoftware ist für die feste Erkennung zuständig, verbessert das Signal des sich bewegenden Objekts und reduziert zufälliges Rauschen sowie die Begrenzung von Interferenzen zwischen Sensoren. Ebenso ist es auch in der Lage, die Bewegungsrichtung (Annäherung oder Entfernung) zu erkennen.
Das Gerät zeichnet sich durch eine niedrige Betriebsspannung von 3,3-5 V und einen geringen Stromverbrauch aus. Im Messmodus beträgt der Betriebsstrom 60 mA, im stationären Zustand 4 mA.
Das schematische Diagramm zeigt uns, dass die Patch-Antenne und die HF-Schaltung in die analoge Filter- und Signalverarbeitungsschaltung integriert wurden.
Das Strahlungsmuster zeigt, dass dieser Mikrowellensensor Bewegungen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung erkennen kann, was einen erheblichen Vorteil gegenüber der PIR-Technologie darstellt. Die maximale Erfassungsreichweite beträgt 10 Meter in +/-35° bei einer Annäherungsgeschwindigkeit von 0,25-1 m/s, die wie in der Abbildung angegeben gemessen wird. Zum Testen des Geräts ist ein Evaluierungskit erhältlich, das die UART-Schnittstelle in USB umwandelt, sodass das Gerät an einen PC angeschlossen werden kann. Die bereitgestellte Software ist in der Lage, eine Annäherungs- und Abfahrbewegung zu erkennen, wie in den Screenshots gezeigt.
Das Gerät kann in Kombination mit der MCU/PC verwendet werden, wobei in diesem Fall der Prozessor den Parameterbereich festlegt.
Bei separater Verwendung wird dieser Parameterbereich mit einem Potentiometer eingestellt.
In beiden Fällen könnte die LED-Anzeige durch einen Steuerschaltkreis ersetzt werden, der als Schnittstelle mit dem System verwendet werden könnte, das basierend auf Bewegung gesteuert werden muss, wie etwa das Einschalten des Lichts, wenn sich eine Person nähert, und das Ausschalten, wenn die Person geht ein Weg
Anwendungsbeispiele
Da das Gerät NJR4265 klein ist und auf Mikrowellenradartechnologie basiert, lässt es sich leicht in ein eingebettetes System integrieren. Die Preisspanne ist sehr attraktiv und durch die einfache Installation und Bedienung kann dieses Gerät anstelle von PIR-basierten Systemen oder ergänzend eingesetzt werden. Das Einsatzgebiet ist breit, wobei die häufigsten Anwendungen der Bewegungsschalter von automatischen Türen, der Bewegungsschalter von Beleuchtungsanlagen oder die zusätzlichen Energiesparfunktionen von Fernsehern, Klimaanlagen oder PC-Systemen sind. Da mit der Doppler-Technologie Geschwindigkeitsmessungen mit diesem Gerät möglich sind, kann es beispielsweise auch zur Erkennung von Golf oder Tennis eingesetzt werden.
Die obige Berechnung der Dopplerrate basiert auf der Bewegungsrichtung direkt auf den Sensor zu. Unter Berücksichtigung des Winkels zwischen der Richtung des sich bewegenden Objekts und der Richtung des ausgesendeten Radarstrahls kann bei einer typischen Radarfrequenz von 24 GHz und einer Lichtgeschwindigkeit von 3 x 108 m/s die Dopplerfrequenz wie folgt berechnet werden:
Wenn die Richtung des Radarstrahls senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts ist, beträgt der Winkel 90o, daher wird - wie aus der Formel ersichtlich - die Erkennung kompliziert. Obwohl Radarsensoren in der Lage sind, relativ kleine Bewegungen und sogar die Bewegungsrichtung (begrenzt auf Annäherung oder Entfernung) zu erkennen, treten bei stationären Objekten Schwierigkeiten auf. Beispielsweise funktioniert die übliche Technik hinter Lichtsensoren in Hotelbädern nicht richtig, wenn sich der Nutzer nicht bewegt.
Da PIR- und Radarsensoren die Anzahl sich bewegender Objekte nicht erkennen können und Probleme bei der Richtungserkennung auftreten können, können sie einige Sonderfunktionen wie das Zählen oder Steuern von Personenbewegungen in einem Raum nicht ausführen.
GRID-EYE Wärmesensor
Der neue Grid-Eye-Infrarotsensor von Panasonic ist ein Thermopile-Infrarotsensor, der die Menge an Infrarotstrahlen erfasst.
Diese hochpräzisen Sensoren, die auf fortschrittlicher MEMS-Technologie basieren, verfügen dank einer zweidimensionalen 8 × 8 „Pixel“-Oberfläche mit einem I2C-Digitalausgang und einer Miniatur-SMD-Größe (Surface Mount) über eine absolute Temperaturerfassung.
Das Grid-EYE-Gerät ist dank der integrierten Silikonlinse in der Lage, Temperatur und Temperaturgradienten berührungslos entlang der gesamten angezeigten Oberfläche mit einem Betrachtungswinkel von 60º zu erfassen und bietet ein Wärmebild der beobachteten Umgebung.
Es unterscheidet problemlos mehrere Objekte und identifiziert die Bewegungsrichtung durch Auswertung des einzelnen Wärmebilds, ohne dass es zu Problemen mit der Privatsphäre kommt.
Seine kosteneffizienten und dennoch hochpräzisen Anwendungen können realisiert werden, indem der Sensor über eine digitale I2C-Kommunikationsschnittstelle mit dem Host-Mikrocontroller verbunden und mit Geschwindigkeiten zwischen 1-10 fps ausgelesen wird. Die Ausgangsunterbrechungsfunktion kann verwendet werden, um basierend auf Erkennungskriterien sofortige Aktionen auszulösen. Die 64-Pixel-Performance zur präzisen Temperaturmessung bietet die Möglichkeit der Erkennung anhand der Körperform.
Die obige Tabelle enthält einen Vergleich zwischen Bewegungserkennungstechnologien und GRID-EYE, wobei die Vorteile von GRID-EYE offensichtlich sind.
Dank berührungsloser Temperaturmessung ist die Erkennung menschlicher Körper möglich. Die unterschiedlichen Farben der Pixel repräsentieren die Temperaturgradienten.
Mit zunehmendem Erkennungsabstand nähert sich die Größe des Wärmebildes des erkannten Objekts der Größe des Pixels an. Aus größerer Entfernung können mehrere Objekte im Wärmebild unterschieden werden.
Durch den Einsatz des Grid-Eye-Sensors aus größerer Entfernung besteht die Möglichkeit, alle Bewegungen zu überwachen oder verschiedene Personen zu erkennen.
Durch die Verwendung des Sensors zur näheren Erfassung können die kritischen Stellen des Körpers erfasst werden:
Unter Verwendung des Sensors auf einem Autoarmaturenbrett im Close-Sensing-Modus ist Grid-Eye in der Lage, Gesten zu erkennen und verschiedene Funktionen zu aktivieren oder zu steuern.
Anwendungsbereich:
Sicherheit:
-Erkennung von Insassen.
-Personenzählung, Mehrpersonenerkennung.
Anwendungen im Inland:
– Öfen, Mikrowellen.
- Klimaanlagen.
- Heizsysteme.
Medizinische Anwendungen:
– Patientenkontrolle.
– Bewegungserkennung.
– Wärmebilder.
– Positionserkennung.
Allgemeinbeleuchtung:
- Energie sparen.
– Anwesenheitserkennung ohne Bewegung.
Industrielle Temperaturmessung:
-Prozesssteuerung.
-Temperaturmessung ohne Berührung.
Mit dem Ziel, zur schnellen Entwicklung von Sensorsystemen und deren kurzfristiger Kommerzialisierung beizutragen, bietet Panasonic ein Evaluierungsboard für den Grid-Eye-Sensor an.
Diese winzige Arduino-Leiterplatte enthält eine USB-Kommunikationsschnittstelle, den Sensor, einen ATMEL-Mikroprozessor und auch ein Smart-PAN1740-Bluetooth-Modul mit geringem Stromverbrauch.
Dieses Kit ermöglicht schnelles Prototyping und durch die Kombination des IR-Sensors der neuesten Generation mit Bluetooth-Technologie können Ingenieure ihre IoT-Anwendungen (Internet of Things) für drahtlose Sensoren im Handumdrehen erstellen.
Verfügbare PC-Software und Smartphone-Apps bieten zusätzliche Unterstützung für Entwickler.
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