Mozgásérzékelés a WaveEye radarszenzorcsaláddal – Nisshinbo Micro Devices

A New Japan Radio Co., Ltd. és a Ricoh Electronic Devices Co., Ltd. 2022 januárjától egyesültek és anyacégük a Nisshinbo Group részeként Nisshinbo Micro Devices Inc. néven folytatják tevékenységüket, amelynek egyik területe a radarszenzor-technika.

Az intelligens világítástechnikai, az automatikus ajtó- és sorompóvezérlő rendszerek tervezői kompakt és energiatakarékos megoldások létrehozására törekszenek, általában mozgásérzékelős automatikus kapcsolásvezérlés integrálásával. Manapság erre a feladatra a passzív infra (PIR) technológia alkalmazása 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. A radarszenzor az egyik olyan eszköz, ami a PIR technológia említett hiányosságait kiküszöböli, alkalmas kis mozgások, mint gépelés, beszéd vagy akár légzés érzékelésére is. Korábban a kereskedelemben kapható K-sávos radarantennákhoz nagyfrekvenciás analóg elektronika és digitális jelfeldolgozó áramkörök illesztésére volt szükség, azonban ma már elérhetők olyan modulok, amikkel a fenti feladatok megoldása egyszerű és olcsó, így kiválóan alkalmazhatók jelenlét érzékelésére és a PIR technológia hiányosságainak áthidalására.

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 9,4 μm hullámhossz körüli csúcsértékekkel, amelyet a PIR szenzor piroelektromos anyaga érzékel. Ami a detektor felépítését illeti, általában két vagy négy érzékelő elemet tartalmaz a környezeti hőmérséklet változásának kiküszöbölésére, valamint Fresnel lencsét a sugárzás fókuszálására. A PIR szenzor horizontálisan jól érzékel, azonban a vertikális érzékeléssel problémák lehetnek egyes kialakításoknál. 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.

Radarszenzorok

A radarszenzorok 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, kis méretűnek és kis fogyasztásúnak kell lennie. Korábban a radarrendszerek meglehetősen drága és nagy méretű alkotóelemekből, például nehéz hullámvezetőkből és drága Gunn-diódákból épültek fel, ami nehézkessé – esetenként lehetetlenné – tette a technológia hétköznapi használatát. Ma a planártechnológia elterjedésével robusztus, költséghatékony és kis méretű szenzorok készíthetők.

1. ábra

Működési elv

A radarmodulok 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, amely majdnem mindenhol a világon szabadon használható – ezen működnek a radarszenzorok is. A radarsugárzás a szilárd tárgyakról visszaverődik, és ez a reflexió adja az érzékelés lehetőségét. A radarvevőmodul által detektált visszavert sugárzás nagysága nemcsak a tárgy távolságától, hanem annak anyagától és méretétől is függ. A fémfelületek általában nagyon jó radarcéltárgyak, de az emberi test is tökéletesen detektálható a nagy ε_r-érték miatt, amit 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 tárgyalt radarszenzorok működési alapelve a Doppler-effektus, amelynek 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, ami 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 hang hallható, a hang egyre magasabb a mozgó objektum érkezésekor, áthaladáskor valós frekvencia érzékelhető, majd elhaladáskor a hang mélyülni fog. A kibocsátott és a visszaverődő (érzékelt) frekvencia különbsége a megfigyelő és a kibocsátó egymáshoz ké­pesti 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 szinusz hullámot generál, amelynek frekvenciája arányos az objektum sebességével.
A frekvenciatranszformáció az alábbi képlettel írható le:

F_visszavert = F_kibocsátott (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:

F_d = F_visszavert –F_kibocsátott = 2vF_kibocsátott /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 a kereskedelemben kapható mikrohullámú általános radarszenzorok erre alkalmasak, még nagyobb sebességek esetén is. Ha azonban az ember jelenlétének az érzékelése a feladat, elég a maximum 1 m/s (3,6 km/h) sebességgel mozgó test detektálhatósága, ugyanakkor kis, olcsó és egyszerűen használható szenzor szükséges.

WaveEye K-Band Doppler-szenzor a Nisshinbotól

Amíg 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, ahol az antenna, az RF áramkör, az erősítők, szűrők, feszültségszabályozók és a digitális áramkör is egy 14 × 20,4 × 8,8 mm méretű tokban együtt kerültek elhelyezésre.

2. ábra

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, nyugalmi állapotban mindössze 4 mA.
A sugárzási ábrán látszik, hogy mind tangenciális, mind vertikális irányban képes mozgást érzékelni a modul, ezzel lényegesen előnyösebb a használata a PIR technológiával szemben (3. ábra).

3. ábra

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 (4. ábra).

4. ábra

A modul alkalmazható MCU/PC-vel való együttműködésre, ez esetben az érzékenység beállítása a processzor feladata (5. ábra).

5. ábra

Amennyiben a modult önállóan kívánják használni, az ábrán bemutatott elrendezésben az érzékenység egy potenciométerrel lehetséges (6. ábra).

6. ábra

Mindkét esetben használható a kijelző LED-ek helyett egy-egy vezérlőáramkör, ami a kívánt beavatkozást a rendszer számára biztosítja. (Pl. lámpa bekapcsolása közeledéskor, illetve kikapcsolása távolodáskor.)

Felhasználási terület

Mivel az NJR4265 kis méretű, nincs szükség külső elemekre (pl. Fresnel lencse) és működése mikrohullámú radartechnológián alapul, könnyedén beépíthető a vezérelni kívánt rendszer, például utcalámpa házába. Az elfogadható árszint és a könnyű használhatóság ideális kiváltójává teszi a problémás PIR-alapú mozgásérzékelő rendszereknek, vagy azok kiegészíthetők vele. Az 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, egy megvalósított felhasználás például a golfütők lendítési sebességének mérése.

További Doppler-modulok

Az NJR4265 sztenderd Doppler-modul testvére a vékony kivitelű – szintén egy intelligens emberi mozgást érzékelő – NJR4266 modul. Képes észlelni az alacsony sebességgel mozgó tárgyakat, például egy gyalogost kis távolságban (7…14 m). Az alkalmazott jelfeldolgozó technológia nagymértékben csökkenti a környezeti zaj miatti téves észlelést, stabil észlelési eredményeket ér el, és különbséget tesz közeledő és távolodó mozgás között. Többféle antennatípussal rendelhető, így a felhasználók kiválaszthatják az optimális érzékelési tartományt, és interfésztípusként UART, vala­mint közeledés-/távolodásdetektálási távolság áll rendelkezésre.
Előtérben az alacsony fogyasztás (impulzusciklusos táplálás), alacsony feszültség és olcsó kivitel (7. ábra).

7. ábra

Áramfogyasztása 50% kitöltési tényező mellett (impulzusos táplálás – duty: 5 μs impulzusszélesség, 1 msec ciklusidő esetén): 1,9 mA@3,3 V.
Tápfeszültsége 0…5 V között választható és az EU-ban használatos 24,15 GHz…24,25 GHz frekvenciatartományban működő változat is rendelhető.

FMCW Radarmodulok

Jelenleg a Doppler-radarok többféle technológia alapján készülnek, a CW (continuous wave – folyamatos hullám) Doppler, a frekvencia modulált (FM) radarok és ezek kombinációi (FMCW Doppler) terjedtek el a gyakorlatban. A CW Doppler radar csak sebességadat szolgáltatására képes a folyamatosan kibocsátott és a visszaverődő frekvencia különbségének mérésével. A korai megoldások szinte mind CW technológiával készültek, ezeket követte hamarosan a frekvenciamodulált CW radarok (FMCW) megjelenése, ami a kibocsátott frekvencia fűrészjellel történő modulálásának segítségével mozgó és álló objektumok távolságának meghatározására is alkalmas. Az FMCW frekvenciamodulált hordozója lineárisan változik fűrészjelalakkal történő moduláció okán ( 8. ábra). A transceiver kimenetén jelentkező alacsony frekvencia a kibocsátott és a visszavert modulált frekvencia különbségeként keletkezik. A legtöbb RFbeam szenzor analóg FM bemenettel is rendelkezik, és néhány esetben a moduláció digitális vezérléssel is biztosítható. A K-Band (24 GHz) eszközök megengedhető legmagasabb modulációs frekvenciája 250 MHz, de a hőmérséklet-változás hatásait és toleranciakérdését is figyelembe véve ez az érték általában 150 MHz-re korlátozódik, így a felbontás (és a minimális távolság) kb. 1 méter.

8. ábra

Az FMCW alkalmazható jelenlét detektálására is úgy, hogy betanítják a rendszert az üres háttérkörnyezetben, majd az új céltárgy megjelenésével a kimenet eltér a betanított és rögzített értéktől, azaz a változás (jelenlét-) érzékelése megtörténik.
A NISSHINBO FMCW radarkínálatában szereplő modulok közül elsőként említehető a NJR4234BW érzékelőmodul, amely képes mérni egy mozgó és/vagy álló tárgy távolságát 20 m-felett, a beépített 24 GHz-es sávú mikrohullámú áramkör, antenna és jelfeldolgozó áramkör segítségével. A kivitele alacsony, a tokozás mérete mindössze 38 × 38 × 4,2 mm.

9. ábra

Mikrohullámú távolságmérésre képes szenzor, amely lehetővé teszi mozgó tárgyak észlelését, és az alkalmazott innovatív jelfeldolgozás segítségével akár álló objektumok távolságának mérésére is alkalmazható beltéri és kültéri környezetben egyaránt. Egyedülálló algoritmussal rendelkezik a rádióinterferenciák kiszűrésére, így több érzékelő egyidejű, párhuzamos használatára is lehetőség van ugyanazon a helyen.
A másik érdekes távolságmérő modul az NJR4652, a világon jelenleg a legkisebb FMCW radarmodul, amely nem a 24 GHz-es sávot használ, hanem 61…61,5 GHz frekvenciájú mm-es sávot.
Az IC-hez hasonló felületszerelt kivitelben készülő tokozásával és a 24 mA@3,6 V alacsony fogyasztásával kiválóan illeszkedik különböző IoT alkalmazásokhoz, mint a jelenlét-érzékelés és az objektumszámlálás. Változatos interfészeken keresztül képes az MCU-val kommunikálni, megtalálhatók rajta a következők: UART, SPI, I²C, USB és GPIO.

Szerző: Kiss Zoltán okl. villamosmérnök,
Export Igazgató Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7–13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com