Méthodes de détection de mouvement. Comparaison de la technologie de capteur PIR de Nicera, WaveEye de NJRC et GridEye de Panasonic

Les ingénieurs dans le domaine de l'éclairage général se concentrent sur la conception de systèmes compacts, intelligents et économes en énergie qui pourraient être obtenus en ajoutant la fonction d'arrêt automatique lorsqu'aucune présence humaine n'est détectée. Aujourd'hui, ces capteurs intelligents sont majoritairement basés sur la technologie PIR (Passive Infrared), qui est bien adaptée pour détecter les mouvements humains sur une large plage dans une grande zone de détection, mais n'est pas efficace pour les petits mouvements et est également incapable de faire la distinction entre les objets. qui s'approchent et s'éloignent. Les capteurs radar sont capables d'exécuter de nombreuses fonctions que les capteurs PIR ne peuvent pas, mais leur principe de fonctionnement est également basé sur le mouvement, et bien qu'ils soient généralement capables de détecter de petits mouvements, ils ne peuvent pas détecter d'objets immobiles. Étant donné que la détection de direction se limite à un zoom avant et arrière, il n'est souvent pas facile ou possible d'exécuter des fonctions spéciales telles que le comptage des personnes entrant ou sortant d'une pièce. Les personnes se trouvant dans un bureau sans faire de mouvement perceptible seront considérées comme non présentes avec ces appareils. Le capteur GridEye de Panasonic est basé sur un détecteur matriciel et agit comme une caméra thermique basse résolution, ce qui le rend idéal pour la détection de présence. En évaluant l'image thermique à l'aide d'un système hôte basé sur un microprocesseur, des observations plus complexes peuvent être faites. En intégrant ce capteur dans un système d'automatisation de bâtiment ou d'éclairage intelligent, les problèmes rencontrés avec les capteurs PIR ou radar peuvent être évités. Cet article technologique propose un comparatif des technologies indiquées ci-dessus.
Capteurs IRP
Le capteur infrarouge passif (ou PIR) détecte les changements dans le flux de chaleur provoqués par le mouvement du corps humain, qui est en contact avec l'environnement et modifie sa température. Le rayonnement se déplace dans la gamme infrarouge avec une longueur d'onde maximale de 9,4 µm, que les matériaux pyroélectriques du capteur PIR détectent, générant de l'énergie en réponse. Les éléments pyroélectriques présentent un comportement ferroélectrique et se caractérisent par une certaine polarisation électrique permanente à la surface des éléments. Cependant, la polarisation n'est pas détectable car les charges de surface sont compensées par certains ions chargés dans l'environnement de surface. Lorsque le rayonnement infrarouge frappe les éléments pyroélectriques, leur température augmente très peu. En conséquence de la dilatation thermique, la structure cristalline doit être réarrangée et donc la polarisation de surface des éléments change. Ce changement de polarisation peut être détecté par les électrodes en haut et en bas des éléments pyroélectriques. La charge électrique nécessaire pour compenser le changement de polarisation électrique est détectée et amplifiée par un transistor à effet de champ (FET) interne. Chaque changement de température des éléments provoque une brève perturbation du signal de sortie du FET qui est utilisé pour détecter la présence d'un corps humain. Les changements de polarisation sont très faibles et il est donc nécessaire que ces changements soient suffisamment rapides pour que le FET les détecte. Pour cette raison, seules les sources d'émission infrarouge en mouvement peuvent être détectées. Afin de pouvoir annuler les faux signaux résultant des changements de température, il y a au moins deux éléments pyroélectriques connectés en série avec une polarisation antiparallèle.
En termes de construction, les détecteurs PIR comportent une lentille de Fresnel pour concentrer le rayonnement sur les éléments du capteur, ainsi que des éléments doubles ou quadruples pour soustraire les températures ambiantes et réduire le nombre de fausses alarmes. Les capteurs PIR peuvent détecter correctement les mouvements horizontaux, mais ils ne peuvent pas toujours détecter les mouvements radiaux. Il existe également des capteurs PIR numériques intelligents tels que le capteur infrarouge passif pyroélectrique (capteur PIR) de Nicera.
Cet appareil est un pyrocapteur à sortie numérique, mais ne nécessite pas de communication avec un microcontrôleur. En cas de détection d'un objet en mouvement (être humain), la tension de sortie sur les connecteurs est haute (Vdd-1V min) pendant un temps de fonctionnement prédéfini, et basse (<1V) le reste du temps. La configuration du temps de fonctionnement et de la sensibilité se fait en appliquant les valeurs de tension appropriées dans les connecteurs correspondant à la sensibilité et au temps de fonctionnement. Grâce à ce produit, un détecteur peut être conçu avec seulement quelques appareils externes.
Les inconvénients de la technologie PIR sont le besoin de la lentille de Fresnel et la capacité de détecter uniquement les grands mouvements humains dans la direction tangentielle.
capteurs radars
Les capteurs radar peuvent détecter de légers mouvements du corps humain et, s'ils sont intégrés dans un système intelligent, pourraient résoudre les problèmes posés par les capteurs PIR. Cependant, pour répondre à toutes les exigences, ces capteurs doivent être de très petite taille, de faible coût, de faible puissance et de faible consommation électrique.
Dans le passé, il n'était possible d'installer des systèmes radar qu'en utilisant des composants coûteux, volumineux et lourds tels que des guides d'ondes. Aujourd'hui, grâce à la technologie planaire, les modules capteurs sont petits, efficaces et robustes.
Les modules radar émettent un rayonnement électromagnétique dans la gamme de fréquences radio de 18 à 27 GHz, appelée bande K. Une partie de cette gamme, de 24 à 24,250 XNUMX GHz, correspond à la bande de fréquences radio ICM (Industriel, Scientifique et Médical). L'utilisation de la bande K est autorisée pratiquement partout dans le monde sans limitation. Les objets solides réfléchissent le rayonnement radar et le rayonnement réfléchi est utilisé pour détecter les objets. La quantité de rayonnement réfléchi que le module radar détecte dépend non seulement de la distance à laquelle se trouve l'objet, mais également de sa taille et de son matériau.
Une surface métallique est une très bonne cible pour le radar en raison de sa forte réflexion, et même un être humain réfléchit de manière tout à fait satisfaisante grâce à la valeur plus élevée (valeur de l'eau contenue dans le corps). Même les plus petits modules standards sont capables de détecter une personne à une distance de 12 mètres. De nombreuses matières plastiques sont plus ou moins transparentes aux rayonnements micro-ondes. Par conséquent, le module de capteur peut être facilement caché derrière un panneau en plastique, ce qui est un énorme avantage pour la conception extérieure du produit final par rapport aux détecteurs pyroélectriques, qui nécessitent une lentille de Fresnel pour fonctionner correctement.
Le fonctionnement de ces capteurs est basé sur l'effet Doppler pour calculer les données de vitesse des objets à une certaine distance. Le signal réfléchi qui est rayonné vers la cible souhaitée a une fréquence modifiée. Cette variation fournit des mesures directes et très précises de la composante radiale de la vitesse de la cible par rapport au radar. La différence entre la fréquence réfléchie et la fréquence émise d'une onde pour un observateur se déplaçant par rapport à la source de l'onde est appelée décalage Doppler. Par exemple un véhicule équipé d'une sirène s'approche, passe et s'éloigne d'un observateur immobile. La fréquence reçue est plus élevée (par rapport à la fréquence émise) à l'approche, elle est identique au dépassement, et elle est plus faible à l'éloignement. Ce changement de fréquence dépend également de la direction dans laquelle la source de l'onde se déplace par rapport au point d'observation. Le radar Doppler est utilisé pour détecter les objets en mouvement et évaluer leur vitesse. Un objet réfléchissant en mouvement dans le champ du capteur génère une onde sinusoïdale proportionnelle à la vitesse de l'objet.
La transformation de fréquence pourrait être décrite par la formule suivante :
Fréflexe= Fémit (1+v/c) / (1-v/c)
où v est la vitesse de l'objet et c la vitesse de la lumière. La fréquence Doppler est la suivante :
Fd = Freflected – Femitted = 2 v Femitted /c, qui est proportionnel à la vitesse de l'objet en mouvement.
L'amplitude dépend de la distance et de la réflectivité de l'objet en mouvement.
La mesure précise de la vitesse est une fonctionnalité très utile, de nombreux capteurs radar à micro-ondes RfBeam sont capables de le faire même dans les plages de vitesse les plus élevées.
Or, pour détecter la présence humaine avec la technologie des micro-ondes, il suffit de pouvoir mesurer une vitesse de 1 m/s (3,6 km/h), mais il faut pouvoir utiliser un très petit, pas cher et simple détecteur.
Nouveau capteur Doppler en bande K WaveEye de Japan Radio Corporation
Alors que les capteurs ou modules à micro-ondes conventionnels ont besoin d'un circuit complet autour d'eux pour pouvoir contrôler, par exemple, un système d'éclairage intelligent, il existe certains modules de détection de mouvement intégrés faciles à utiliser qui sont basés sur la technologie à effet Doppler avec micro-ondes 24 GHz. L'un d'eux est le NJR4265 de New Japan Radio Corporation, où l'antenne, le circuit RF, l'amplificateur IF, l'unité MCU et le régulateur de tension sont intégrés dans une petite taille de 14 x 20,4 x 8,8 mm.
Le NJR4265 J1 est un capteur de mouvement intelligent conçu pour détecter des objets en mouvement à basse vitesse sur de courtes distances, comme les piétons. La détection fixe des objets en mouvement est effectuée par un logiciel intégré. Ce logiciel avec cette fonction de détection intégrée est utile dans divers appareils, car toutes les fonctions sont intégrées dans une petite taille et peuvent être facilement contrôlées à partir d'un PC/MCU avec une interface UART, mais peuvent également être utilisées séparément.
Le logiciel de traitement du signal est en charge de la détection fixe, de l'amélioration du signal de l'objet en mouvement et de la réduction du bruit aléatoire, ainsi que de la limitation des interférences entre capteurs. De même, il est également capable d'identifier la direction du mouvement (approche ou éloignement).
L'appareil se caractérise par une faible tension de fonctionnement, 3,3-5V, et une faible consommation d'énergie. En mode détection, le courant de fonctionnement est de 60 mA, tandis qu'en régime permanent, il est de 4 mA.
Le diagramme schématique nous montre que l'antenne Patch et les circuits RF ont été intégrés dans les circuits de filtrage analogique et de traitement du signal.
Le diagramme de rayonnement indique que ce capteur à micro-ondes peut détecter les mouvements dans les directions horizontale et verticale, ce qui constitue un avantage considérable par rapport à la technologie PIR. La portée maximale de détection est de 10 mètres à +/-35° avec une vitesse d'approche de 0,25-1 m/s, mesurée comme indiqué sur la figure. Un kit d'évaluation est disponible pour tester l'appareil qui convertit l'interface UART en USB afin que l'appareil puisse être connecté à un PC. Le logiciel fourni sera capable de détecter un mouvement d'approche et de départ comme indiqué dans les captures d'écran.
L'appareil peut être utilisé en combinaison avec le MCU/PC, auquel cas c'est le processeur qui définit la plage de paramètres.
Lorsqu'ils sont utilisés séparément, cette plage de paramètres est réglée à l'aide d'un potentiomètre.
Dans les deux cas, l'indicateur LED pourrait être remplacé par un circuit de contrôle qui pourrait être utilisé pour s'interfacer avec le système qui doit être contrôlé en fonction du mouvement, comme allumer la lumière lorsqu'une personne s'approche et l'éteindre lorsque la personne se déplace. une façon
Exemples d'applications
Étant donné que le dispositif NJR4265 est petit et basé sur la technologie radar à micro-ondes, il est facile à intégrer dans un système embarqué. La gamme de prix est très attractive et sa simplicité d'installation et de fonctionnement permet d'utiliser cet appareil à la place des systèmes à base de PIR, ou en complément. Le champ d'application est large, bien que les utilisations les plus courantes soient l'interrupteur de mouvement des portes automatiques, l'interrupteur de mouvement des systèmes d'éclairage ou les fonctions supplémentaires d'économie d'énergie des systèmes de télévision, de climatisation ou de PC. Puisque la technologie Doppler permet d'utiliser cet appareil pour mesurer la vitesse, il peut également être utilisé pour détecter le golf ou le tennis, par exemple.
Le calcul du taux Doppler donné ci-dessus est basé sur la direction du mouvement étant droit vers le capteur. Si se tiene en cuenta el ángulo entre la dirección del objeto en movimiento y la dirección del haz del radar emitido, con una frecuencia de radar habitual de 24 GHz y una velocidad de la luz de 3X108 m/s, se puede calcular la frecuencia Doppler de la manière suivante:
 
Si la direction du faisceau radar est perpendiculaire à la direction du mouvement de l'objet, l'angle sera de 90o, donc - comme on peut le voir dans la formule - la détection sera compliquée. Bien que les capteurs radar soient capables de détecter des mouvements relativement petits et même la direction du mouvement (limité à l'approche ou au départ), des difficultés surviennent avec des objets stationnaires. Par exemple, la technologie habituelle derrière les capteurs d'éclairage dans les salles de bain des hôtels ne fonctionne pas correctement lorsque l'utilisateur ne bouge pas.
Étant donné que les capteurs PIR et radar ne peuvent pas détecter le nombre d'objets en mouvement et peuvent rencontrer des problèmes de détection de direction, ils ne peuvent pas exécuter certaines fonctions spéciales telles que le comptage ou le contrôle des mouvements des personnes dans une pièce de séjour.
Capteur thermique GRID-EYE
Le nouveau capteur infrarouge Grid-Eye de Panasonic est un capteur infrarouge de type thermopile, qui détecte la quantité de rayons infrarouges.
Ces capteurs très précis, basés sur la technologie MEMS avancée, disposent d'une détection de température absolue, grâce à une surface bidimensionnelle de 8 × 8 "pixels" avec une sortie numérique I2C et une taille SMD (Surface Mount) miniature. .
Le dispositif Grid-EYE est capable de détecter la température et les gradients de température sans contact sur toute la surface indiquée avec un angle de vision de 60º grâce à la lentille en silicium intégrée, offrant une image thermique de l'environnement observé.
Il différencie facilement plusieurs objets et identifie la direction du mouvement en évaluant l'image thermique unique, tout en n'ayant aucun problème de violation des droits à la vie privée.
Ses applications économiques mais très précises peuvent être réalisées en connectant le capteur au microcontrôleur hôte à l'aide d'une interface de communication numérique I2C et en lisant à des vitesses comprises entre 1 et 10 ips. La fonction d'interruption de sortie peut être utilisée pour déclencher des actions immédiates en fonction de critères de détection. La performance de 64 pixels pour une mesure précise de la température offre la possibilité d'une détection basée sur la forme du corps.
 
Le tableau ci-dessus contient une comparaison entre les technologies de détection de mouvement et GRID-EYE, où les avantages de GRID-EYE sont évidents.
La détection de corps humains est possible grâce à la mesure de température sans contact. Les différentes couleurs des pixels représentent les gradients de température.
 
Lorsque la distance de détection augmente, la taille de l'image thermique de l'objet détecté se rapproche de la taille du pixel. D'une plus grande distance, plusieurs objets peuvent être distingués dans l'image thermique.
En utilisant le capteur Grid-Eye à une plus grande distance, il est possible de surveiller tous les mouvements ou de détecter différentes personnes.
En utilisant le capteur pour une détection plus proche, les points critiques du corps peuvent être détectés :
En utilisant le capteur sur un tableau de bord de voiture en mode de détection rapprochée, Grid-Eye est capable de détecter des gestes et d'activer ou de contrôler diverses fonctions.
Champ d'application:
Sécurité:
-Détection des occupants.
-Comptage de personnes, détection de plusieurs personnes.
Applications domestiques :
– Fours, micro-ondes.
- Air conditionné.
- Systèmes de chauffage.
Applications médicales :
– Contrôle des malades.
– Détection de mouvement.
– Images thermiques.
– Détection de position.
Eclairage général :
- Économie d'énergie.
– Détection de présence sans mouvement.
Mesure de température industrielle :
-Contrôle de processus.
-Mesure de température sans contact.
 
Dans le but de contribuer au développement rapide des systèmes de capteurs et à leur commercialisation à court terme, Panasonic propose une carte d'évaluation pour le capteur Grid-Eye.
Ce minuscule PCB Arduino contient une interface de communication USB, le capteur, un microprocesseur ATMEL et également un module bluetooth intelligent PAN1740 basse consommation.
Ce kit permet un prototypage rapide et en combinant le capteur IR de dernière génération avec la technologie Bluetooth, les ingénieurs pourront créer leurs applications de capteur sans fil IoT (Internet des objets) en un rien de temps.
Les logiciels PC et les applications pour smartphone disponibles offrent une assistance supplémentaire aux développeurs.