Radarowy czujnik ruchu – lepsze możliwości, większa funkcjonalność
| TechnikaSystemy bezpieczeństwa, automatyczne drzwi, inteligentne sterowanie oświetleniem i inne funkcje nowoczesnego budownictwa nie byłyby możliwe do zrealizowania bez użycia niezawodnych detektorów ruchu. W tym zastosowaniu najczęściej używane są czujki pasywnej podczerwieni (PIR) pomimo ich licznych wad. Warto zatem odnotować, że firma Infineon opracowała dla nich korzystny zamiennik, aby wykrywanie ruchu było inteligentniejsze i pewniejsze. Jest to detektor radarowy wykonany w formie gotowego do użycia modułu o uniwersalnym zastosowaniu.
PIR kontra radar
Czujniki PIR wykrywają promieniowanie podczerwone z zakresu średniej podczerwieni emitowane przez skórę człowieka, zwierzęcia lub innego cieplejszego od otoczenia obiektu. Dlatego wraz ze wzrostem temperatury obiektu ich niezawodność wykrywania dramatycznie spada. Z tego powodu nie zaleca się instalowania ich w pobliżu źródeł ciepła lub używania ich w wysokich temperaturach otoczenia.
Lepszym rozwiązaniem dla bardziej wymagających środowisk są czujniki radarowe, ponieważ są one mniej zależne od temperatury. Kolejną zaletą czujników tego typu jest ich większa czułość. Czujniki PIR głównie wykrywają większe przemieszczenia obiektów wzdłuż stycznej do ich osi i poruszające się z minimalną prędkością około 1 m/s. W konsekwencji są nieskuteczne, gdy obiekt jest nieruchomy lub zatrzyma się oraz gdy porusza się w kierunku do i od czujnika. W przeciwieństwie do tych niedogodności, czujniki radarowe wykrywają najmniejszy ruch obiektu, nawet ten związany z ruchem ust podczas mówienia oraz nawet unoszenie się klatki piersiowej podczas oddychania. Co więcej, pozwalają na ocenę kierunku ruchu obiektu, jego prędkości, a nawet na dokładne wyznaczenie pozycji celu w przestrzeni.
Poza tym detektory radarowe chronią prywatność ludzi, ponieważ nie tworzą żadnego obrazu optycznego, tak jak dzieje się to w systemach wizyjnych lub detektorach opartych o wyznaczanie czasu przelotu (sensory ToF). Stąd wykrywanie radarowe może być całkowicie anonimowe.
Biorąc pod uwagę unikatowe cechy i zalety technologii radarowej oraz to że jest ona używana od dziesięcioleci w obronności, lotnictwie, a także systemach zapewnienia bezpieczeństwa, brak tanich i funkcjonalnych rozwiązań był przez wiele lat barierą utrudniającą aplikacje detektorów radarowych w obszarze przemysłowym. Tu zjawisko Dopplera było wykorzystywane jedynie do pomiaru odległości obiektu od poziomu gruntu, w nawigacji morskiej i czujnikach automatycznego otwierania drzwi. Szczęśliwie w ciągu ostatnich kilku lat technologia znacznie się rozwinęła i będzie teraz stwarzała wiele możliwości aplikacji radaru w automatyce przemysłowej, robotyce, w dronach i systemach inspekcji.
Ogromny potencjał
Według Yole Developpement, rynek przemysłowy w ciągu najbliższych 5 lat będzie odpowiadać za ok. 10 mln nowych aplikacji z czujnikami radarowymi (rys. 1), co przekonuje, że radary będą się szybko popularyzować. Faktem jest, że technologia radarowa wymaga od projektantów znacznie większej wiedzy aplikacyjnej w zakresie w.cz., znajomości technik antenowych i układów przetwarzania sygnału (jak nadajnik, odbiornik, mieszacz, układ decyzyjny). Są to trudne zagadnienia i z uwagi na wysokie częstotliwości pracy z zakresu mikrofal, wymagają one także od projektanta posiadania specjalistycznej aparatury pomiarowej.
Nowa propozycja
Te wszystkie problemy stara się rozwiązać firma Infineon, która opracowała produkt łączący w sobie wszystkie zalety, które ma w pełni zintegrowany mikrofalowy radarowy czujnik ruchu, bez konieczności wnikania w szczegóły realizacji toru radiowego.
BGT60LTR11AIP (rys. 2) to najbardziej zintegrowany i najmniejszy czujnik radarowy pracujący w paśmie 60 GHz. Ma on wielkość typowego układu scalonego, a emitowana przez niego wiązka mikrofalowa przenika przez materiały nieprzewodzące, dzięki czemu można łatwo zintegrować wewnątrz obudowy tworzonego urządzenia. Takie rozwiązanie nazywanie jest monolitycznym mikrofalowym układem scalonym (monolithic microwave integrated circuit, MMIC). Detektor ten zawiera też wbudowaną antenę (jako tzw. AIP – antenna in package) oraz chip decyzyjny do wstępnej obróbki danych, co oznacza, że jest to kompletne rozwiązanie wymagające tylko podłączenia interfejsu do mikrokontrolera i zasilania, aby działać.
Co więcej wbudowany w detektor chip pozwala na pracę autonomiczną czujnika, a więc bez konieczności nadzoru ze strony mikrokontrolera, a dwa niezależne sensory składające się na czujnik dostarczają sygnałów wyjściowych, z których jeden wskazuje ruch obiektu a drugi na jego kierunek (zbliżanie się lub oddalanie). Jest to znaczne ułatwienie dla projektanta, który w tym przypadku nie musi zmagać się z obróbką surowych danych radarowych. Sylwetka człowieka jest wykrywana w trybie autonomicznym z odległości 5 m i w zakresie kąta widzenia 80º.
Znakomita funkcjonalność
Moc pobierana przez detektor jest mniejsza niż 5 mW, co jest wynikiem wykorzystania sterowania czasem aktywnym detektora za pomocą zmiennego współczynnika wypełnienia. Przy odpowiednich ustawieniach można ją obniżyć nawet do 2 mW. Domyślne zastosowania tego czujnika obejmują aplikacje inteligentnego budynku, m.in. systemy oświetleniowe, zautomatyzowane otwieranie drzwi lub systemy bezpieczeństwa, w tym alarmy i kamery (rys. 3). Ponadto czujnik można zintegrować w laptopach, tabletach i telewizorach, w których zapewni on wybudzanie sprzętu z uśpienia na podstawie ruchu lub kierunku ruchu. Taki czujnik może również uśpić urządzenie lub uruchomić automatyczną blokadę, gdy nie zostanie wykryty ruch przez określony czas w celu oszczędzania energii.
Rysunek 4 przedstawia schemat blokowy BGT60LTR11AIP. Zintegrowany oscylator VCO generuje sygnał o wysokiej częstotliwości, którego częstotliwość jest stabilizowana za pomocą pętli PLL. Nadajnik zawiera wzmacniacz mocy w.cz. z konfigurowalną programowo przez SPI mocą wyjściową. W odbiorniku pracuje niskoszumowy detektor kwadraturowy, wspomagany wzmacniaczem LNA i mieszaczem homodynowym zapewniającym znakomitą czułość. Sygnały kwadraturowe IQ niezbędne do działania są wytwarzane z użyciem VCO i wielofazowego przesuwnika fazy na drabince RC.
Jednostka przetwarzania sygnału analogowego zawiera układ próbkowania z pamięcią (sample-and-hold circuit), zapewniający mały pobór mocy oraz możliwość ograniczania poboru poprzez modulację czasu aktywności i uśpienia. Dalej w torze przetwarzania sygnału jest konfigurowalny filtr górnoprzepustowy, wzmacniacz zmiennym wzmocnieniu i filtr dolnoprzepustowy.
Z tymi blokami znajdują się detektory, które generują impulsy w chwili wykrycia obiektu. Dla zapewnienia maksymalnej elastyczności i wytrzymałości przed fałszywymi alarmami, obwody te pozwalają na ustalenie przez użytkownika czasu zwłoki, licznika trafień i progu wykrywania.
Cały układ czujnika ma wymiary 3,3×6,7×0,56 mm i ta obudowa zawiera chip półprzewodnikowy zintegrowany na laminacie razem z antenami, dzięki czemu jego użycie w aplikacji użytkownika nie wymaga użyci płytki drukowanej ze specjalnego laminatu mikrofalowego. Doskonale sprawdzi się zwykły FR-4, dzięki czemu nie trzeba obawiać się kosztów.
Gotowy zestaw projektowy
Na rysunku 5 pokazano płytkę prototypowego czujnika ruchu z detektorem BGT60LTR11AIP. Poza nim jest tam stabilizator niskoszumowy, oscylator kwarcowy 38,4 MHz dla zegara referencyjnego i kondensatory odsprzęgające. Do wyjścia dołączone są dwie diody LED. Zielona zapala się po wykryciu celu, a czerwona LED świeci się, gdy cel się oddala od czujnika.
Płytka ta nie tylko ilustruje działanie detektora BGT60LTR11AIP MMIC, ale też jest kompletnym rozwiązaniem czujnika radarowego, bo została wykonana w formie nakładki (shielda), czyli tak, aby można było ją zamontować na większym obwodzie głównym aplikacji. W ten sposób można szybko prototypować urządzenia i wytwarzać rozwiązania małoseryjne. Z użyciem czterech linii interfejsu (QS1-4) można przełączać czujnik wybierając pracę autonomiczną lub kontrolowaną przez SPI. Ponadto linie te pozwalają ustalać wartości progowe detekcji determinujące czułość detektora podczas pracy autonomicznej, a więc zasięg, również na bieżąco podczas pracy, ustalać czas zwłoki pomiędzy wykryciem obiektu, a ustawieniem stanu aktywnego na wyjściu, co pomaga eliminować zakłócenia od np. przelatujących owadów. Możliwa jest także zmiana częstotliwości pracy czujnika, co może się przydać do eliminacji zakłóceń, gdy używa się kilku czujników jednocześnie, np. w robotach.
Doświadczeni użytkownicy radarów mogą korzystać jednocześnie naprzemiennie z trybu semiautonomicznego i SPI przez zmianę stanu linii sterującej QS1. Na przykład parametry detektora mogą być precyzyjnie ustawione przez SPI, ale dalsza praca może być realizowana bez nadzoru ze strony MCU. Bez pracy autonomicznej za pomocą interfejsu SPI można pobierać surowe dane radarowe, które mogą być źródłem danych dla np. algorytmów uczenia maszynowego lub AI.
Płytkę czujnika można też łatwo zamontować do platform Arduino MKR lub platformy Infineon MCU7. Ta ostatnia wspierana jest przez wiele programów demonstracyjnych do wyświetlania i analizy danych radarowych w dziedzinie czasu i częstotliwości.
Podsumowanie
Radarowy czujnik ruchu opracowany przez firmę Infineon nadaje się do wykrywania przemieszczania obiektów w wielu aplikacjach takich jak sterowanie oświetleniem, zautomatyzowane otwieranie drzwi, w systemach alarmowych i zapewnienia bezpieczeństwa i dziesiątkach innych aplikacji inteligentnego domu. Jest to przyjazne dla użytkownika rozwiązanie radarowe gotowe do wykorzystania, które może pracować w trybie autonomicznym, półautomatycznym i ze sterowaniem przez SPI. Czujnik jest rozwiązaniem energooszczędnym, a użytkownik może łatwo ustawić parametry detekcji. Dzięki temu jest on oryginalną i interesującą alternatywą dla czujników PIR.
Infineon
www.infineon.com
