A radarszenzor az az eszköz, ami a PIR-technológia említett hiányosságait kiküszöböli, alkalmas kis mozgások, mint a gépelés, a beszéd vagy akár a légzés érzékelésére is. Ezek az érzékelők már korántsem elérhetetlen árúak, és így kiválóan alkalmazhatók jelenlét érzékelésre és a PIR-technológia hiányosságainak áthidalására.
PIR-szenzorok
14-8-endrich-01.jpgA passzív infravörös szenzor (PIR) valójában a mozgó emberi test által kibocsátott hőnek a környezet hőmérsékletére való hatását érzékeli. Ez a sugárzás a 9,4 µm hullámhossz körüli csúcsértékekkel az infravörös tartományba esik, melyet a PIR-szenzor piroelektromos anyaga érzékel. Ami a detektor felépítését illeti, általában 2 vagy 4 érzékelőelemet tartalmaz a környezeti hőmérséklet változásának kiküszöbölésére, valamint Fresnel-lencsét a sugárzás fókuszálására. A PIR-szenzor horizontálisan jól érzékel, azonban egyes kialakításoknál a vertikális érzékeléssel problémák lehetnek. A 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 —1 V) feszültség jelenik meg, különben alacsony (<1 V) a 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 viszont az olcsóság és az érzéketlenség a környezetben mozgó zavaró objektumokra.
Radarszenzorok
A radarszenzorok az emberi test kis mozgásaira is érzékenyek, és intelligens rendszerek érzékelőiként ki tudják küszöbölni a passzív infratechnológia korábban ismertetett hiányosságait. Ám ahhoz, hogy érdemes legyen PIR-szenzort kiváltani mikrohullámú eszközzel, annak olcsónak, kompaktnak, kisméretűnek és kis fogyasztásúnak kell lennie. Korábban a radarrendszerek 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 planártechnológia elterjedésével robusztus, költséghatékony és kisméretű szenzorok készíthetők.
Működési elv
A radarmodulok rádiófrekvenciás elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, ezek frekvenciája a 18 ... 27 GHz-es, ún. 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 a világon majd' mindenhol szabadon használható, itt működnek a radarszenzorok is. A radarsugárzás a szilárd tárgyakról visszaverődik, ez a reflexió adja az érzékelés lehetőségét. A radar-vevőmodul által detektált visszavert sugárzás nagysága nemcsak 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 jelen lévő 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 elleni védekezés során, míg például a PIR-modulok esetén Fresnel-lencsék és kültéri házak használatára van szükség.
A tárgyalt radarszenzorok 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 viszonyított 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 Doppler-effektus nap mint nap tapasztalható, ha egy álló megfigyelő felé rögzített frekvenciájú hanghullámokat kibocsátó tárgy közeledik, majd távolodik. Ilyenkor folyamatosan változó magasságú hangot hallunk, mely egyre magasabb a mozgó objektum érkezésekor-, áthaladáskor valós frekvenciát érzékelünk, majd elhaladáskor a hang mélyülni fog. A kibocsátott és a visszaverődő (érzékelt) frekvencia különbsége a megfigyelő és a kibocsátó egymáshoz viszonyított sebességével arányos. Az előbbi példában a kibocsátó objektum mozgott és a megfigyelő állt, radarszenzorok esetén a kibocsátó és az érzékelő is áll, viszont a visszaverő objektum az, ami mozog és okozza a Doppler-effektust. A Doppler-radar tehát objektumok mozgásának detektálására és azok sebességének mérésére használható. A visszaverő tárgy a szenzor hatókörébe érve annak kimenetén alacsony frekvenciájú szinuszhullámot generál, melynek frekvenciája arányos az objektum sebességével.
A frekvencia-transzformáció az alábbi képlettel írható le:
Fvisszavert = F kibocsátott (1+v/c) / (1—v/c),
ahol v az objektum sebessége, c a fénysebesség (az elektromágneses sugarak haladási sebessé. 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 igencsak 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 max. 1 m/s (3,6 km/h) sebességgel mozgó test detektálhatósága, így kis, olcsó és egyszerűen használható szenzor szükséges.
WaveEye K-Band Dopplerszenzor a New Japan Radio Corporation-től
Míg a hagyományos mikrohullámú szenzorok köré bonyolult áramkörök építése szükséges ahhoz, hogy a például intelligens világítástechnikai berendezések vezérlésére lehessen használni őket, addig léteznek egyszerűbb, teljesen integrált, Doppler-technológián alapuló, 24 GHz-es mikrohullámú mozgásérzékelő modulok is. Egy ilyen eszköz a cikkben bemutatott NJR4265 modul a New Japan Radio Corporation-től, melyben az antenna, az RF-áramkör, az erősítők, szűrők, feszültségszabályzók és a digitális áramkör is egy 14×20,4×8,8 mm méretű tokban együtt került elhelyezésre.
Az NJR4265 J1 kis sebességű közeli tárgy, például egy járókelő detektálására alkalmazható. A mozgó tárgy biztonságos érzékelését a beágyazott szoftver segítségével valósították meg a tervezők, ez a program felel a véletlen mozgások és a szomszédos szenzorok áthallásának kiküszöböléséért, valamint a mozgás irányának (közeledés vagy távolodás) meghatározásáért is.
Az eszközre jellemző még az alacsony működési feszültség (3,3—5 V) és a kis fogyasztás is, érzékelés közben az áramfelvétel 60 mA, míg nyugalmi állapotban mindössze 4 mA.
A blokkdiagramon látszik, hogy a patch-antenna és az RF-áramkörök az analóg szűrőkkel és a jelfeldolgozó áramkörrel egybeépülnek.
A sugárzási ábrán látszik, hogy mind tangenciális, mind vertikális irányban képes mozgást érzékelni a modul, ezzel lényegesen előnyösebb a használata a PIR-technológiával szemben.
Az érzékelés maximális távolsága 10 m, ±35°-os szögben és a mozgó tárgy sebessége 0,25—1 m/s között lehet. Ezeket az adatokat az ábrán látható elrendezésben mérték.
A modul kipróbálásához a NJR kifejlesztett egy próbapanelt, ami szintén rendelhető, ez a kit felel az UART-USB interfész átalakításért, és teszi lehetővé az eszköz PC-hez való egyszerű csatlakoztatását. A mellékelt szoftver a bemutatott képernyőfotók szerint alkalmas a mozgás irányának kijelzésére is.
A modul alkalmazható MCU/PC-vel való együttműködésre, ez esetben az érzékenység beállítása a processzor feladata.
Amennyiben a modult önállóan kívánjuk használni, az ábrán bemutatott elrendezésben az érzékenység egy potenciométerrel lehetséges.
Mindkét esetben használhatunk a kijelző-LED-ek helyett egy-egy vezérlő áramkört, ami a kívánt beavatkozást a rendszer számára biztosítja. (Pl. lámpa bekapcsolása közeledéskor, ill. kikapcsolása távolodáskor.)
Felhasználási terület
Mivel az NJR4265 kicsi, nincs szükség külső elemekre (pl. Fresnel-lencse) és működése mikrohullámú radar-technológián alapul, könnyedén beépíthető a vezérelni kívánt rendszer, például utcailámpa házába. Az elfogadható árszint és a könnyű használhatóság ideális kiváltójává teszi a problémás PIR-alapú mozgásérzékelő rendszereknek, vagy azok kiegészíthetők vele. Alkalmazhatósága nagyon sokrétű, kiváló automatikusan nyíló ajtók, vagy energiatakarékossági megfontolásokból használt automatikus világításkapcsolók, automatikusan kikapcsolódó klímák, tv-képernyők vagy számítástechnikai berendezések mozgásérzékelőjeként. Készíthető vele légzés- vagy szívverésdetektor is. A mikrohullámú Doppler-technológia biztosította sebességmérés révén speciális sportalkalmazásokban is hasznos lehet, megvalósított felhasználás például a golfütők lendítési sebességének mérése.
