Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
A Panasonic GRIDEYE szenzor 2. generáció használata – 1. rész
2017 április 11.
Összefoglalás :
Korábban az Elektronet hasábjain bemutatásra került a Panasonic termoelem mátrixán alapuló 64 pixeles felbontású intelligens hőmérsékletérzékelője, a GridEye szenzor. Segítségével megvalósítható a jelenlét érzékelése, az emberek számlálása, több egyidejű mozgás követése, vagy akár a gesztusvezérlés. Ennek a szenzortípusnak a második generációja került piacra és ennek kapcsán szeretnénk ismét felhívni a figyelmet ennek a kiváló ár-érték aranyú mini hőkamerának a jelentőségére.
Az emberi jelenlét esetén működtetendő rendszerek – például a világítástechnikai eszközök – tervezői kompakt, intelligens és energiatakarékos megoldás létrehozására törekszenek, melyet általában mozgásérzékelős automatikus kapcsolás vezérlés integrálásával biztosítanak. Manapság erre a feladatra a passzív infra (PIR) technológia terjedt el a legjobban, ami tökéletesen alkalmas az emberi test nagy amplitúdójú mozgásának érzékelésére, azonban nem képes például irodában ülő és nyugalomban dolgozó vagy otthon tévéző ember érzékelésére, illetve nehézkes vele a közeledés és a távolodás, a mozgás irányának érzékelése is. A Doppler radar szenzor technológia alkalmas a PIR technológia említett hiányosságai egy részének kiküszöbölésére, mint például kis mozgások, illetve a közeledés és a távolodás szétválasztása. Ezek az érzékelők már korántsem elérhetetlen árúak, így kiválóan alkalmazhatók a PIR technológia hiányosságainak áthidalására. Az FSK és CW üzemmódban használt radarszenzorok azonban nem adnak megfelelő megoldást a teljesen nyugalomban lévő személyek jelenlétének érzékelésére, erre és nyugalmi állapotú tárgy távolságának mérésére csak FMCW radarok alkalmasak. Irányérzékelésük is elsősorban mélységi (közeledés/távolodás), a szenzor felületével párhuzamos mozgást nehezen, vagy egyáltalán nem érzékelik és mivel több személy vagy tárgy elkülönült detektálása sem megoldott, nem kivitelezhető például a helyiségbe be- és kilépő emberek számlálása sem. A Panasonic fejlesztette GridEye szenzor a fenti célokra tökéletesen megfelel. Termoelemek mátrixos elhelyezésével az érzékelt objektum hőtérképe vehető fel érintésmentes hőmérsékletmérés útján, melynek kiértékelésével sokkal részletesebb információ nyerhető a mozgásról, mint akár a különálló termoelem vagy a fent említett technológiák valamelyikének használatával. A GridEye szenzor előnyei a korábban említett mozgásérzékelőkkel összehasonlítva a táblázatban jól láthatóak. A termoelem, illetve a számos termoelem sorba kapcsolásával létrehozott halmaz, angol nevén a thermopile hőmérsékletszenzorok tehát a Seebeck-effektus alapján működnek, és alkalmasak két, eltérő hőmérsékletű közeg közti differenciális hőérzékelésre. A hidegpont referencia-hőmérsékleten való tartásával (pl. 0°C) elérhető, hogy az indukált feszültség a melegpont hőmérsékletével legyen arányos, tehát ezek az eszközök hőmérséklet-feszültség átalakítóknak tekinthetők.
| Mozgó objektum | Álló objektum | Mozgás iránya | Hőmérséklet mérés | Sebesség mérés | Hőkép | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PIR | IGEN | X | X | X | X | X | |
| Radar | IGEN | Korlátozott(Csak FMCW) | Korlátozott(közeledés-távolodás) | X | IGEN | X | |
| Diszkrét thermopile | IGEN | IGEN | X | IGEN | X | X | |
| Grid-EYE | IGEN | IGEN | IGEN | IGEN | Kalkulálható | IGEN |
A GRID-EYE szenzor
A Panasonic GRID-EYE eszköze tulajdonképpen egy 8X8-as MEMS technológiára épülő hőelem mátrix, azaz 64 különálló szenzorral képes abszolút hőmérsékletet detektálni az objektum által kibocsátott infravörös sugárzás érzékelésével. A Grid-EYE képes a hőmérséklet és a hőmérsékleti gradiens észlelésére és egyszerű, kisfelbontású (8X8=64 pixeles) hőkép felvételére is. Könnyedén felismerhető több személy egyidejű jelenléte, mozgásuk iránya, pozíciójuk, amellett, hogy a hőfénykép nem alkalmas a személy azonosítására, tehát a személyiségi jogok sem sérülnek. Költséghatékony, kompakt alkalmazások készíthetők vele pontos érintésmentes hőmérsékletmérés útján a teljes lefedni kívánt területre. A beépített szilícium lencse 60°-os látószöget biztosít és a mérési eredmények I²C interfészen keresztül 1 vagy 10 fps sebességgel olvashatók ki. A kimeneti interrupt jel alkalmas olyan kritikus beavatkozások indítására, melyeket késlekedés nélkül végre kell hajtani érzékeléskor, ezáltal nagy szabadságot ad a rendszerek tervezőinek. A különálló termoelemektől és piroszenzoroktól eltérően a mátrixos elrendezés lehetővé teszi az alakfelismerésen alapuló érzékelést, az SMD kivitel pedig a késztermék elektronikájának korszerű gyárthatóságát biztosítja. Működés közben a szenzor a szilícium lencsén keresztül a környezet felől érkező infravörös sugárzást elnyeli, az egyes pixelek pedig a termikus energiát arányos elektromos jellé alakítják. A 64 különálló jel erősítés és analóg-digitális átalakítás után, a referencia-hőmérsékletet szolgáltató beépített NTC termisztor jelével összehasonlítva, az I2C interfészen keresztül a mikroprocesszorra érkezik, mely kikalkulálja az észlelt tér hőmérsékleteloszlását. A GridEye első generációja max. 2.5°C pontosságot tett lehetővé 0-80°C hőmérséklettartományon, vagy a low-gain verzió 3°C pontosságot -20-100°C tartományon, 5m érzékelési távolság és 0.5°C felbontás mellett. A fenti szenzorok új második generációját az előző generációhoz képest sokkal nagyobb mérési pontosság (±2°C) jellemzi, a jel-zaj viszonyt leíró NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) 10 Hz-es mintavételezésnél 0.16°C és 1 Hz-es mintavételezésnél 0.05°C értékű. Az érzékelési távolság 5 méterről 7 méterre nőtt, úgy, hogy közben az új szenzorok teljesen kompatibilisek maradtak az első generációs társaikkal, így nincs szükség a már meglévő áramkör áttervezésére.
A Panasonic GridEye GEN2 ötvözi az érintésmentes infra hőmérséklet-érzékelést a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technológiával, mindezt kiegészítve a továbbfejlesztett digitális applikáció specifikus integrált áramkörrel (I²C interfész) és a szilícium lencsével, mely a mindössze 0.3mm magasságával egyedülálló a piacon és szintén helyet kapott a 11.6mm x 8mm x 4.3mm-es tokban, ami a versenytársakénál mintegy 70%-kal kisebb. Az ábrán látható, hogy az emberalak érzékelése érintkezésmentes hőmérsékletmérés útján történik. Az eltérő színű pixelek különböző hőmérsékletet jelentenek.
Az egyes termoelemek a tér felosztott részeinek hőmérsékletét mérik, ezáltal feltérképezhető a megfigyelt területen fellehető összes hőforrás és az általuk sugárzott hő eloszlása. Az adatok a mikroprocesszor által az I²C interfészen keresztül pixelenként kiolvashatók és kiértékelhetők. A detektálási távolság növelésével az objektum képének mérete összemérhetővé válik a szenzor elem kiterjedésével, ez kihasználható például több objektum egyszerre történő megfigyelésére, követésére, esetleg megszámlálására.
Adott területen mozgó, vagy álló objektum hőtérképe a szenzor kiolvasásával előállítható. Közeli érzékeléskor az objektum vagy személy hot spotjai kiemelhetők:
Amennyiben távolabbi detektálást választunk, abban az esetben akár több objektum egyidejű megfigyelésére is lehetőség van, illetve a mintázat változásának követésével a haladás iránya is monitorozható:
Közeli érzékeléskor ez a fajta szenzor felhasználható példának okáért akár gesztusvezérlésre is, ilyen lehet például az autóban ülve egyes funkciók kézmozdulattal történő aktiválása:
A GRID-EYE szenzorok felhasználási területe rendkívül széles.
Biztonságtechnika:
- Foglaltság érzékelés
- Emberek számolása, több ember mozgásának egyidejű monitorozása
Háztartás
- Mikrohullámú sütőkben az étel hőmérsékleteloszlásának követése
- Klíma berendezések kapcsolása
- Fűtés kapcsolása
Orvoselektronika
- Páciens követés
- Mozgásérzékelés
- Hőtérképezés
- Pozíció érzékelés
Világítástechnika
- Energiamegtakarítás
- Mozgásérzékelés nélküli jelenlétérzékelés
Ipari hőmérsékletmérés
- Ipari folyamatirányítás
- Érintésmentes hőmérsékletmérés
A végtermék fejlesztés megkönnyítésére és a gyors piacra kerülés biztosítása érdekében a GRID-EYE szenzorokhoz kapható egy kiértékelő kit is. Ez a panel a szenzoron kívül kommunikációs interfészt is tartalmaz, mellyel USB porton keresztül számítógéphez, a beépített PAN1470 Bluetooth Smart modulon keresztül pedig akár okostelefonhoz is kapcsolható ez az ATMEL mikroprocesszorral működő áramköri kártya. A letölthető kiértékelő szoftver segítségével gyors prototípus fejlesztés valósítható meg. A kártya kialakítása alkalmassá teszi azt ARDUINO miniszámítógéphez illesz-kedő „shield”-ként való használatra. Eldönthetjük, hogy a 64 pixel és a beépített termisztor adatait az USB porton, a PC-nkre telepített virtuális soros porton keresztül olvassuk ki, vagy az ARDUINO-ra írt szoftver segítségével, esetleg a Bluetooth Smart modulon keresztül vezeték nélküli kapcsolattal és okostelefonra vagy tabletre készített iOS applikációval dolgozzuk fel.
A PC-s adatlekéréshez készített Panasonic szoftver mellett újdonságként már elérhető a kiértékelő modul támogatására készített mobiltelefonos applikáció is iOS rendszerekre, mely az alábbi QR kód alapján az AppStore-ból letölthető. A szoftver segítségével lehetőség van az iPhone vagy iPad készüléket egyszerű 64 pixeles hőkameraként használni. Akár a 8X8-as mátrix direkt hőmérsékletadatainak felhasználásával előállított pillanatnyi, akár másodpercen-kénti 10 mérésből interpolált hőeloszlás képet is létrehozhatjuk. A program képes az iOs eszköz kamerája által közvetített kép és a GridEye szenzor által felvett hőeloszlási kép egymásra vetítésére is. A cikksorozat következő részeiben bemutatjuk a GridEye Gen2 szenzorral szerelt evaluation kit programozását mind Arduino, mint PC-s környezetben.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2017/3 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2017. (26. évf.) 3. sz. 18-20. old. |
| 2 | TechStory M2M | A Panasonic GridEye Gen2 szenzor használata |
| 3 | English version | Practical usage of Panasonic GRIDEYE sensor v2.0 – Part 1. |