Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
Mozgásérzékelés a gyakorlatban - PIR, radar és a Panasonic GridEye szenzor
2015 december 7.
Összefoglalás :
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 radar szenzor technológia alkalmas a PIR technológia említett hiányosságai egy részének kiküszöbölésére, mint például kis mozgások, illetve a közeledés és a távolodás szétválasztása, ezzel kapcsolatban jelent meg írásunk a NJRC WaveEye szenzoráról korábban. Ezek az érzékelők már korántsem elérhetetlen árúak, és így kiválóan alkalmazhatók és a PIR technológia hiányosságainak áthidalására, azonban nem adnak megfelelő megoldást a teljesen nyugalomban lévő személyek jelenlétének érzékelésére, irányérzékelésük is elsősorban mélységi (közeledés/távolodás), és mivel több személy 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, aminek kiértékelésével sokkal részletesebb információ nyerhető a mozgásról, mint akár a különálló termoelem vagy a fent említett technológiák valamelyikének használatával. Ennek az új és kiváló szenzornak a működését tekintjük át és hasonlítjuk össze a többi mozgásérzékelési technológiával.
PIR szenzorok
A passzív infravörös szenzor (PIR) valójában a mozgó emberi test által kibocsátott hőnek a környezet hőmérsékletére való hatását érzékeli. Ez a sugárzás az infravörös tartományba esik 9.4μm hullámhossz körüli csúcsértékekkel, melyet a PIR szenzor piroelektromos anyaga érzékel.
A PIR elemek ferroelektromos tulajdonsággal bírnak, nyugalmi helyzetben egyenletes a felületi töltéselosztás, melyet azonban nem is lehet detektálni, mert a környezet ionjainak ellentétes töltése ezeket a felületi töltéseket kompenzálja. Amennyiben az elemeket infravörös sugárzás éri ezek kis mértékben felmelegednek és a kristály szerkezetének megváltozása (hőtágulás) a felületi töltésegyensúly felborulásához, polarizációváltozáshoz vezet, melyet aztán elektromos úton érzékelhetünk, melyhez a beépített FET–es erősítő kimenetén megjelenő feszültségjel nyújt segítséget. Mivel a hőmérsékletváltozás okozta polarizáció-változásnak kellően gyorsnak kell lenni, csak mozgó (infra tartományban sugárzó) objektumot lehet ezzel szenzortípussal detektálni.
Ami a detektor felépítését illeti, általában két, vagy négy érzékelő elemet tartalmaz a környezeti hőmérséklet változásának kiküszöbölésére, valamint Fresnel lencsét a sugárzás fókuszálására. A sokzónás Fresnel lencse a mozgó sugárzó testről több képet is alkot és ezeket a képeket különböző módon vetíti a piroelektromos érzékelő elemekre.
A PIR szenzor horizontálisan jól érzékel, azonban a vertikális érzékeléssel problémák lehetnek egyes kialakításoknál. A PIR szenzor kapható speciális kivitelben is, mint például a Nicera digitális kimenettel rendelkező eszköze, melyhez nem feltétlenül szükséges mikrokontrolleres kommunikáció sem, mert a mozgás érzékelésekor a kimeneti lábon - egy előre beállított “ON” időre - logikai ‘1’ értéket reprezentáló (Vdd-1V) feszültség jelenik meg, különben alacsony (<1V) feszültség.
A bekapcsolási idő beállítása a SENS és ON_Time pinekre kapcsolt, előre definiált feszültség rákapcsolásával lehetséges. Ezzel az eszközzel néhány külső alkatrész felhasználásával komplett mozgásérzékelő alakítható ki egyszerűen.
A PIR technológia hátránya, hogy drága Fresnel lencsére van szükség és az, hogy csak tangenciális mozgás érzékelésére használható biztonságosan. Előnye az olcsóság és az érzéketlenség a környezetben mozgó zavaró objektumokra.
Radar szenzorok
A radar szenzorok az emberi test kis mozgásaira is érzékenyek, és intelligens rendszerek érzékelőiként ki tudják küszöbölni a passzív infra technológia korábban ismertetett hiányosságait. Azonban ahhoz, hogy érdemes legyen PIR szenzort kiváltani mikrohullámú eszközzel, annak olcsónak, kompaktnak, kisméretűnek és kis fogyasztásúnak kell lennie. Korábban a radar rendszerek meglehetősen drága és nagyméretű alkotóelemekből, például nehéz hullámvezetőkből és drága Gunn-diódákból épültek fel, mely nehézkessé – esetenként lehetetlenné - tette a technológia hétköznapi használatát. Ma a planár technológia elterjedésével robosztus, költséghatékony és kisméretű szenzorok készíthetők.
A radar modulok rádiófrekvenciás elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, ezek frekvenciája a 18.27 GHz-es, úgynevezett K-Band sávba esik. A K-Band egy része a 24.
24.250 GHz-es tartomány, az ISM (Industrial, Science and Medical / Ipari, Tudományos és Orvosi) sáv, mely majdnem mindenhol a világon szabadon használható, itt működnek a radar szenzorok is. A radarsugárzás a szilárd tárgyakról visszaverődik, és ez a reflexió adja az érzékelés lehetőségét. A radar vevőmodul által detektált visszavert sugárzás nagysága, nem csak a tárgy távolságától, hanem annak anyagától és méretétől is függ. A fémfelületek általában nagyon jó radar céltárgyak, de az emberi test is tökéletesen detektálható a nagy εr –érték miatt, melyet a jelenlévő nagy mennyiségű víz okoz. Az emberi test a legkisebb kapható modulokkal is már kb. 10 méterről jól érzékelhető. A műanyagok nagy része a radarsugarak számára láthatatlan, ezért kiválóan burkolhatók velük a modulok a környezet káros hatásai ellen való védekezés során, míg például a PIR modulok esetén Fresnel lencsék és kültéri házak használatára van szükség.
A radar szenzorok működési alapelve a Doppler effektus, melynek segítségével bizonyos távolságra lévő tárgyak sebessége mérhető. A radar által kibocsátott elektromágneses hullám a mozgó tárgyról visszaverődve eltérő frekvenciával érkezik a vevőre, ennek a különbségnek a detektálásával a tárgy radarhoz képesti radiális sebességkomponensének direkt és nagy pontosságú mérésére van lehetőség. A Doppler effektus lényege a kibocsátott és a mozgó tárgyról visszaverődő detektált hullám frekvenciájának különbsége, mely jellemző a mozgó tárgy sebességére.
A kibocsátott és a visszaverődő (érzékelt) frekvencia különbsége a megfigyelő és a kibocsátó egymáshoz képesti sebességével arányos. A Doppler radar tehát objektumok mozgásának detektálására és azok sebességének mérésére használható. A visszaverő tárgy a szenzor hatókörébe érve annak kimenetén alacsony frekvenciájú szinusz hullámot generál, melynek frekvenciája arányos az objektum sebességével.
A frekvencia transzformáció az alábbi képlettel írható le:
Fvisszavert = Fkibocsátott (1+v/c) / (1-v/c)
Ahol v az objektum sebessége, c a fénysebesség (az elektromágneses sugarak haladási sebessége). A Doppler frekvencia számítása a következőképpen történik:
Fd = Fvisszavert -Fkibocsátott = 2vFkibocsátott /c,
tehát arányos a mozgó objektum sebességével. Az amplitúdó a mozgó tárgy távolságától, és annak visszaverő képességétől függ.
A sebesség pontos mérhetősége sokszor nagyon hasznos, és az általunk kínált RfBeam mikrohullámú radarszenzorok erre alkalmasak, még nagyobb sebességek esetén is. Ha azonban az ember jelenlétének érzékelése a feladat, elég a maximum 1 m/s (3,6 km/h) sebességgel mozgó test detektálhatósága, viszont kis, olcsó és egyszerűen használható szenzor szükséges.
Erre jó példa volt a korábban bemutatott New Japan Radio gyártmányú WaveEye radar szenzor modul, amit ugyan nem a sebesség abszolút nagyságának mérésére, annál inkább meglétének és irányának detektálására fejlesztett a gyártó. Rendkívüli népszerűsége méretének, kedvező árának és egyszerű alkalmazhatóságának köszönhető, az ábrán látható módon alig szükséges néhány kiegészítő a működéshez, a közeledés és távolodás jelzésére használt LED valamilyen kapcsoló eszközzel (tranzisztor, SSR) való helyettesítése esetén pedig közvetlenül valósítható meg a vezérlés.
A Doppler frekvencia fenti számítása a szenzor síkjára merőlegesen haladó objektum esetén érvényes, emiatt érdemes figyelembe venni a mozgó objektum haladásának és a kibocsátott radarjel nyalábjának egymással bezárt szögét is. A szokásos 24 GHz radar frekvencia és 3X108 m/s fénysebesség mellett a Doppler frekvencia számítása az alábbi módon történik:
A képletből látszik, hogy a radarnyaláb irányára merőlegesen mozgó objektum érzékelése problémás lehet. Bár a radarszenzorokkal a PIR szenzorokkal ellentétben relatív kis mozgás is érzékelhető, nyugalomban lévő tárgyak érzékelése terén nem a legjobb megoldást választjuk, ha ilyen szenzort alkalmazunk. Gondoljunk például szállodai fürdőszobák, nyilvános illemhelyek megvilágításának „jelenlét” érzékelős kapcsolására, ahol sem a PIR sem a radarszenzor nem lesz alkalmazható. Továbbá adott területre belépő, illetve onnan távozó személyek érzékelésével operáló számlálási feladatok sem kivitelezhetők, mert ezek a szenzorok nem képesek detektálni a mozgó objektumok számát, csak jelenlétüket.
GRID-EYE termo- szenzor
A Panasonoic új GRID-EYE eszköze tulajdonképpen egy 8X8-as 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 (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.
A fenti táblázatban összehasonlítva a korábban bemutatott mozgásérzékelőkkel a GRID-EYE előnyei jól értelmezhetőek.
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 hotspotjai kiemelhetők:
Amennyiben távolabbi detektálást választunk, akár több objektum egyidejű megfigyelésére is lehetőség van, illetve a mintázat változásának követésével a haladás iránya is monitorozható:
Közeli érzékeléskor a szenzor felhasználható például gesztusvezérlésre, ilyen lehet például az autóban egyes funkciók kézmozdulattal történő aktiválása:
A GRID-EYE szenzorok felhsználási területe rendkívül széles.
Biztonságtechnika:- Foglaltság érzékelés
- Emberek számolása, több ember mozgásának egyidejű monitorozása
- Sütőkben / mikrohullámú sütőkben az étel hőmérsékletének követése
- Klíma berendezések kapcsolása
- Fűtés kapcsolása
- Páciens követés
- Mozgásérzékelés
- Hőtérképezés
- Pozíció érzékelés
- Energiamegtakarítás
- Mozgásérzékelés nélküli jelenlét érzékelés
- 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 Arduino kompatibilis, ATMEL mikroprocesszorral működő áramköri kártya. A letölthető kiértékelő szoftver segítségével gyors prototípus fejlesztés valósítható meg. Akár önállóan, a fent említett kommunikációs protokollokat nem használva, akár egy Arduino miniszámítógép kiegészítőjeként üzemeltetve ez a panel nagyban segít a fejlesztésben.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2015/8 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2015. (24. évf.) 8. sz. 23-26. old. |
| 2 | Elektronet online | Mozgásérzékelés a gyakorlatban |
| 3 | English version | Movement detection in practice – PIR,WaveEye and GridEye sensors |
| 3 | TechStory M2M | Jelenlét-érzékelés termoelemes GridEye szenzorral |
| 4 | Revista Española de Electrónica | Métodos de detección de movimiento. Comparativa de la tecnología de los sensores PIR de Nicera, WaveEye de NJRC y GridEye de Panasonic |