Czujnik aktywnej podczerwieni w roli detektora obecności
| TechnikaWykrywanie obecności to zdolność do identyfikowania lub lokalizowania obecności ludzi w określonym obszarze lub przestrzeni fizycznej. Wykrywanie obecności w przestrzeniach wewnątrz obiektów staje się coraz ważniejsze – a szczególnie przyspieszone przez ostatnie wydarzenia związane z pandemią. Interesujące przypadki użycia wykrywania obecności mogą dotyczyć pomieszczeń, takich jak biura, kabiny wind, korytarze i powierzchnie handlowe.
Na przykład w windach detekcja może być pomocnym, a nawet ratującym życie narzędziem w sytuacjach awaryjnych. W zastosowaniach detalicznych wykrywanie obecności może być wykorzystywane do monitorowania wzorców zachowań, a dane te mogą pomóc zoptymalizować lokowanie produktu, co z kolei przyniesie korzyści zarówno sprzedawcom detalicznym, jak i konsumentom. Dodatkowo detekcję obecności można wykorzystać do wykrywania użyteczności przestrzeni biurowej. Na przykład, jeśli biura są nieużywane z powodu podróży lub pracy z domu, firma może wykorzystać wykrywanie obecności, aby ocenić wykorzystanie i zmniejszyć liczbę biurek tam, gdzie to możliwe. Wykrywanie obecności może być również stosowane w aplikacjach takich jak biura mobilne, gdzie w niektórych lokalizacjach pracownik zdalny może nie mieć wyznaczonego biurka, ale musiałby zlokalizować dostępną przestrzeń roboczą za pośrednictwem operatora biura mobilnego. Aplikacje te wymagają inteligentnych, ekonomicznych rozwiązań, które można łatwo zintegrować z obecnymi projektami.
Dostępne na rynku systemy wykrywania obecności
Na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań do wykrywania obecności, takich jak pomiar czasu propagacji sygnału optycznego (ToF), radar mikrofalowy, kamery 2D oraz pasywne lub aktywne czujniki podczerwieni. Przedział cenowy, ale także dokładność tych detektorów mogą się dla nich znacznie różnić. Najdroższy czujnik ToF zapewnia jednocześnie najlepszą dokładność wykrywania obecności, w związku z tym jest używany do krytycznych rozwiązań, takich jak interakcje człowiek-maszyna. Z drugiej strony czujniki obecności podczerwieni zapewniają nieco gorszą precyzję, ale nadal wystarczającą w mniej krytycznych zastosowaniach przy znacznie niższych kosztach.
Zalety aktywnego czujnika podczerwieni
Chociaż zarówno czujniki IR aktywne, jak i pasywne mogą stanowić ekonomiczne rozwiązanie, wersje aktywne mogą być używane w trybie wykrywania o wysokiej dokładności. Dodatkowo czujnik wykrywania obecności jest obowiązkowy, aby rozpoznawać nawet najmniejsze ruchy obiektu w różnych scenariuszach oświetleniowych. Aktywny czujnik IR jest ponadto znacznie bardziej czuły, ponieważ aktywnie emituje światło podczerwone w celu wykrywania ludzi. Jest to przeciwieństwo pasywnego wykrywania, które opiera się wyłącznie na odbiciu światła podczerwonego od ludzkiego ciała.
Detektor aktywny może również być używany nie tylko do wykrywania poruszających się, ale także nieruchomych ludzi, zapobiegając w ten sposób fałszywym wskazaniom. Taki sensor można ukryć za folią plastikową lub szkłem, które jest przezroczyste dla podczerwieni i tym samym wygodnie zintegrować go z resztą produktu i otoczenia wnętrza.
Aktywne rozwiązania detektorów IR
Płytka ewaluacyjna ADPD1080 firmy Analog Devices, pokazana na rysunku 1, to gotowe rozwiązanie detektora obecności wykorzystujące aktywną metodę detekcji obiektu za pomocą podczerwieni.
Zestaw ten składa się z systemu zarządzania zasilaniem, jednej fotodiody, sześciu oświetlaczy LED i scalonego układu pomiarowego ADPD1080. Diody LED IR emitują światło w kierunku obiektu, a jego odbicie jest wykrywane w odległości do 5 m od czujnika. Ruch można wykryć poprzez zmianę intensywności sygnału – gdy w pomieszczeniu nie ma ruchu, ilość światła odbitego pozostaje niezmieniona. Fotodioda jest umieszczona centralnie pomiędzy diodami LED i może pracować za ekranem z barwionego na czarno tworzywa sztucznego, co stanowi dodatkową cechę projektową zapewniającą możliwość dyskretnego umieszczenia detektora.
Płytka ewaluacyjna obsługuje dwie konfiguracje. Pierwsza służy do pracy w niewielkiej odległości, a druga sprawdza się, gdy wykrywany obiekt jest daleko. Wynika to z ustawionej jasności LED-ów oświetlacza. ADPD1080 to kompletny układ front end (głowica pomiarowa) z ośmioma wejściami, do których podłącza się fotodiody. Ma również trzy zintegrowane sterowniki oświetlaczy LED i oferuje dwa przedziały czasowe, które można niezależnie zaprogramować do realizacji odczytu sygnału z fotodiody i sterowania LED-ami oświetlacza. W tych przedziałach czasowych można włączyć różne tryby działania bez konieczności przeprogramowywania rejestrów w celu oszczędzania energii (około 20% w porównaniu z poprzednią wersją). Ponadto ma wbudowaną funkcję odrzucania światła z otoczenia w celu filtrowania światła słonecznego lub oświetlenia od opraw oświetleniowych. Nawet wpływ świetlówek, pomimo szerokiego spektrum ich emisji oraz opraw LED-owych, jest skutecznie filtrowany.
Rysunek 2 przedstawia schemat blokowy układu pomiarowego z ADPD1080. Prąd fotodiody jest wzmacniany i przetwarzany przez wzmacniacz transimpedancyjny. Za nim jest filtr pasmowy odcinający składową stałą i integrator do składowej AC, które razem usuwają składowe światła otoczenia. Integrator zmniejsza składową zmiennoprądową aż o 80 dB. Zasada działania części pomiarowej jest pokazana na rysunku 3.
Rzeczywisty pomiar pokazuje zalety
Płytka ewaluacyjna została przetestowana w typowych warunkach poprzez zamontowanie jej na suficie w pomieszczeniu w biurze. Podczas każdego testu wybrana osoba chodziła po biurze w różnych odstępach czasu, a sygnał czujnika był rejestrowany. Rysunek 4 przedstawia zapamiętany sygnał czujnika i widoczną wyraźną reakcję na ruch dla przedstawionego testu. Po lewej stronie wykreślona jest wartość intensywności, a po prawej jej chwilowa zmiana. Jak widzimy z wykresu, zmiana odbieranego sygnału odpowiadająca ruchowi jest znacząca.
drugim teście płytka ewaluacyjna została przetestowana w trudniejszych warunkach. Osoba testowa stała nieruchomo, pozwalając tylko na bardzo mały ruch, aby sprawdzić zdolność obecności. Rysunek 5 przedstawia odebrany sygnał i pokazuje wyraźną zmianę natężenia.
Podsumowanie
ADPD1080 to gotowe do użycia aktywne rozwiązanie detektora obecności bazujące na torze aktywnej podczerwieni, które zapewnia dokładność, ale także ma niewielkie rozmiary. Pobiera znacznie mniejszą moc niż czujniki ToF czy rozwiązania radarowe i może mierzyć w odległości do 5 m. Oprócz wykrywania obecności można go używać do różnych zastosowań, w tym do wykrywania gestów.
Christoph Kämmerer,
Analog Devices
Arrow Electronics Poland,
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
