Датчики движения серии ns-irm04-bl/wh

Принцип и условия срабатывания

Устройство регистрирует динамику изменения теплового излучения объекта и общего фона. Мониторинг осуществляется за определенный промежуток времени.

Для срабатывания необходимо совмещение определенных условий. Во-первых, изменение положения объекта в пространстве, контролируемом детектором.

Во-вторых, траектория должна проходить перпендикулярно направлению ИК-излучения, генерируемого устройством.

В-третьих, расстояние от источника излучения должно быть достаточным для его уровня восприятия, то есть он должен определить температурную разницу между объектом (с учетом одежды) и окружающим фоном.

Блок обработки

Аналоговое, цифровое или комбинированное устройство, обеспечивающее обработку поступающих от прироприемника сигналов с целью выделения импульса, вызванного нарушителем, из общего потока помех.

Алгоритм обработки основан на анализе формы, длительности и величины сигнала. Сигнал от человеческой фигуры является симметричным и двухполярным, в отличие от шумовых несимметричных сигналов.

Величина сигнала – основной параметр, по которому происходит анализ поступающего импульса.

В недорогих моделях БО анализируют только его, сравнивая с пороговым показателем и подсчитывая количество срабатываний. После превышения определенного числа за единицу времени включается сигнал тревоги.

Такой метод несовершенен и приводит к большому количеству ложных срабатываний от вибраций или электромагнитных помех.

Если настроить низкую  чувствительность, то в датчиках с зоной контроля типа «одиночная завеса» может не произойти срабатывания вообще, если будет пересечен всего один луч.

В более дорогих датчиках дополнительно анализируется полярность и симметрия формы поступающего сигнала.

Назначение инфракрасного датчика движения

Можно сказать, что датчик движения служит двум целям.

Несомненно, важное назначение датчика движения – экономить электроэнергию при освещении. Свет горит только тогда, когда это действительно необходимо.
Эффект присутствия

Датчики движения ставят на улице перед воротами, в подъезде, на окнах первых этажей. В таком применении функция датчика движения – включить освещение и показать (сымитировать), что “кто-то есть дома”.

Некоторым людям датчик действует на нервы. Кому-то присутствие детектора движения нравится и успокаивает – не надо заботиться о невыключенном свете, не надо искать и щелкать выключателем.

Но есть люди, которых это напрягает – “непонятно, чего это он там щелкает”, “а если мне свет не будет нужен”, “а что я, должен всё время двигаться?” . Для таких случаев необходимо при установке датчика движения применить схему включения с дополнительными выключателями. Подробнее – на SamElectric.ru в статье Схемы включения датчика движения.

Что такое зона обнаружения?

Зона обнаружения — это пространство, в котором датчик гарантированно фиксирует движение человека. Такой же смысл у терминов: зона контроля, зона охвата, зона действия. Величина зоны зависит от того, какие движения осуществляет человек:

1. идет прямо на датчик (фронтально);
2. движется по касательной к окружности, в центре которой стоит датчик (перпендикулярно);
3. работает сидя за столом.

Первая зона малая, так как сидя, человек совершает движения незначительной амплитуды. Для контроля таких мест существуют датчики присутствия, оптическая система которых рассчитана на регистрацию мельчайших движений.

У второй зоны средние размеры. Для нее характерно то, что контролируемый объект пересекает малое количество секторов, формируемых оптикой датчика

При выборе датчика надо обратить внимание на параметр: «дальность действия для фронтального (радиального) подхода»

Третья зона обнаружения самая большая, так как движущийся объект пересекает максимальное количество оптических секторов.

Чем дальше расположен датчик от контролируемой поверхности, тем больше зона охвата, но при этом уменьшается его чувствительность. Если надо контролировать большую площадь, используется несколько датчиков. Их располагают так, чтобы зоны действия перекрывались. Чтобы уменьшить количество датчиков, иногда сознательно допускают наличие «мертвых» зон.

Тогда присутствие определяется с помощью задержек срабатывания датчиков. Например, когда объект покинул зону обнаружения первого датчика и еще не вошел в зону действия второго, первый датчик продолжает фиксировать присутствие.

Двигаясь дальше, объект входит в зону контроля второго датчика, и тот регистрирует это.
Так система не «теряет» объект. Этот прием используют, например, в системах освещения гаражей. Все датчики движения и присутствия имеют регулируемую задержку срабатывания.

Расширить зону контроля сенсоров Master можно также с помощью Slave датчиков. Они значительно дешевле, так как в их составе нет схемы измерения освещенности.

Пироприемник и помехи

Пироэлектрический преобразователь – это полупроводниковое устройство, которое способно регистрировать разницу в температурах и преобразовать ее в электрический импульс.

В таких датчиках используются пары, а в некоторых моделях две пары пироэлектрических элементов. Это позволяет снизить количество ложных срабатываний, которые вызывает простое повышение температуры  в помещении.

В парных пироприемниках срабатывание происходит только когда пересекаются один из лучей, обработка происходит по дифференциальному алгоритму, вычитая сигнал одного пироэлемента из сигнала другого.

Основные виды помех, которые могут вызвать ложное срабатывание встраиваемых ИК датчиков движения:

• насекомые, попавшие внутрь или на корпус датчика;
• домашние животные;
• вибрации и сотрясения;
• радио и электромагнитные помехи;
• направленные и яркие источники света;
• кондиционеры, батареи, тепловые завесы и другое климатическое оборудование;
• частичное отражение ИК-лучей от внутренней поверхности устройства;
• нагревание внутренних деталей детектора.

Как исключить ложные срабатывания?

Датчик движения анализирует ИК лучи. Его может обмануть любой источник тепла: радиатор отопления, светильник, животное, кондиционер, солнечные лучи или поток теплого воздуха.

Колеблющиеся предметы также могут привести к ложным срабатываниям. Чтобы их избежать, лучше еще при проектировании учесть расположение датчиков и возможных источников помех.

Если этого не удастся сделать, можно «закрыть глаза» датчику с помощью линз-масок (шторок) или уменьшить его чувствительность. В комплектах всех датчиков B.E.G. есть такие приспособления. Шторка поможет откорректировать зону обнаружения так, чтобы помеха не была видна.

Маска понадобится, когда надо ограничить угол обзора датчика. Например, датчик в прихожей не должен реагировать на движения в комнате. Шторка изготовлена так, что ей можно легко придать необходимую форму. Если маска не используется, ее необходимо снять, иначе датчик работать не будет.

При проектировании автоматической системы управления освещением необходимо учесть не только величину зоны обнаружения датчиков, но и много других технических моментов. Без знаний и опыта этого сделать невозможно.

Параметры ик датчиков движения

• Напряжение питания – 220 – 240 В, 50 Гц.
• Время включения (таймер задержки) – от 2 секунд до 8 минут. Желаемое время, в течение которого свет будет гореть после срабатывания датчика. Устанавливается регулятором.

• Светочувствительность – от 2 до 1000 Люкс. Обычно устанавливается переключателем (в дешевых моделях, 2-3 положения) или регулируется плавно. Параметр показывает, при какой внешней освещенности работает датчик. При установке освещенности до 100 Люкс прибор будет работать только ночью. При установке максимальной внешней освещенности датчик будет работать в любое время суток.
• Дистанция обзора (расстояние обнаружения) – до 15 метров.
• Скорость срабатывания – от 0,5 до 1,5 м/с. Если детектируемый объект будет двигаться очень медленно, его температура будет сливаться с общим температурным фоном, не вызывая срабатывания. Если быстро – датчик не успеет сработать, и объект уйдет из зоны охвата.
• Максимальный коммутируемый ток. В зависимости от области применения может быть разным. В системах охранной сигнализации ток небольшой, и используются нормально замкнутые контакты. В применениях для освещения в датчиках применяется с основном электромагнитное реле, которое и определяет мощность нагрузки. Бытовые датчики в основном выпускаются на ток от 1000 до 1500 Вт.
• Зона улавливания (угол обзора). В потолочных датчиках этот угол обычно равен 360 градусов. Но при этом очевидно, что зона охвата будет определяться и высотой. Настенные датчики имеют угол обзора от 120 до 180 градусов.

Где размещать датчики?

Величина и конфигурация зоны обнаружения влияет на определение модели датчиков, их количество и места размещения.

Максимально использовать возможности датчика можно, расположив его на потолке. Особенно, если допустим круговой обзор. У потолочных датчиков B.E.G. зона охвата — 360° и угол расхождения от вертикальной оси — 120°.

Располагая датчик на потолке, важно учесть дальность его действия. При креплении датчика на стене зона его обнаружения может быть 120°, 140°, 180°, 200°, 230°, 280°

Учитывая особенности работы настенных датчиков движения, их надо располагать не над осью предполагаемого движения объекта, а в стороне. Тогда источник ИК лучей будет пересекать оптические секторы перпендикулярно.

ИК датчик осуществляет контроль только на прямой видимости. Даже небольшие предметы (светильники, мебель, комнатные растения и т. п.) сокращают зону обнаружения. Через стеклянные перегородки он также не «видит».

Схема подключения датчика движения к Ардуино

Подключение Pir-датчика к Ардуино выполнить не сложно. Чаще всего модули с сенсорами движения оснащены тремя коннекторами на задней части. Распиновка каждого устройства зависит от производителя, но чаще всего возле выходов есть соответствующие надписи. Поэтому, прежде чем выполнить подключение датчика к Arduino необходимо ознакомиться с обозначениями. Один выход идет к земле (GND), второй – обеспечивает выдачу необходимого сигнала с сенсоров (+5В), а третий является цифровым выходом, с которого снимаются данные.

Подключение Pir-сенсора:

• «Земля» – на любой из коннекторов GND Arduino;
• Цифровой выход – на любой цифровой вход или выход Arduino;
• Питание – на +5В на Arduino.

Схема подключения инфракрасного датчика к Ардуино представлена на рисунке.

Пример программы

Скетч представляет собой программный код, который помогает проверить работоспособность датчика движения после его включения. В самом простом его примере есть множество недостатков:

• Вероятность ложных срабатываний, за счет того, что для самоинициализации датчика требуется одна минута;
• Отсутствие выходных устройств исполнительного типа – реле, сирены, светоиндикации;
• Короткий временной интервал сигнала на выходе сенсора, который необходимо на программном уровне задержать, в случае появления движения.

Указанные недостатки устраняются при расширении функционала датчика.

Скетч самого простого типа, который может быть использован в качестве примера работы с датчиком движения на Arduino, выглядит таким образом:

#define PIN_PIR 2
#define PIN_LED 13

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  pinMode(PIN_PIR, INPUT);
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);

}

void loop() {
  int pirVal = digitalRead(PIN_PIR);
  Serial.println(digitalRead(PIN_PIR));

  //Если обнаружили движение
  if (pirVal)
  {
    digitalWrite(PIN_LED, HIGH);
    Serial.println("Motion detected");
    delay(2000);
  }
  else
  {
    //Serial.print("No motion");
    digitalWrite(PIN_LED, LOW);
  }
}

Как подключить датчик

Не подключайте параллельно более 5 устройств. Чем больше параллельно подключенных датчиков, тем менее контролируемым и большим становится диапазон обнаружения. Возможный поиск неисправностей займет больше времени. При большом количестве параллельно подключенных датчиков иногда могут не выключаться подключенные потребители тока. Такая проблема, как правило, устраняется применением резистивно-емкостного звена гашения. Не подключайте параллельно датчики присутствия MASTER

Чтобы увеличить диапазон обнаружения, вы можете заказать недорогие SLAVE устройства (важно учитывать соответствующие электрические схемы)

Выбор места установки

Контролируемая зона должна быть полностью перекрыта диапазоном обнаружения датчика

Важно учитывать разные диапазоны дальности действия при прохождении сбоку от датчика, работе за столом, движении прямо по направлению к прибору. Желательно, чтобы датчик был установлен сбоку от направления движения транспорта и людей.
Обеспечивайте беспрепятственный обзор окна, стекла, перегородки, мебели, растений, подвесных светильников во избежание ограничения диапазона обнаружения датчика.
Учитывайте источники помех в диапазоне обнаружения: кусты, деревья, тепловентиляторы и другие устройства, которые могут вызывать потоки тепла и пр

Компьютеры, радиаторы системы отопления и вентиляции источниками помех не являются.
Важно, чтобы минимальное расстояние до включаемого светильника составляло 1 метр.
Светильник не должен располагаться в диапазоне обнаружения датчика, старайтесь, чтобы световой конус непрямых светильников не попадал непосредственно на датчик.
Рекомендуется по возможности соблюдать высоту при монтаже от 2,5 до 3 м. Настенные выключатели, предназначенные для скрытой установки, могут монтироваться на высоте от 1,1 до 2,2 м, датчики GH – до 10 м.

Описание датчика движения ардуино

Конструкция ПИР датчика движения не очень сложна – он состоит из пироэлектрического элемента, отличающегося высокой чувствительностью (деталь цилиндрической формы, в центре которой расположен кристалл) к наличию в зоне действия определенного уровня инфракрасного излучения. Чем выше температура объекта, тем больше излучение. Сверху PIR-датчика устанавливается полусфера, разделенная на несколько участков (линз), каждый из которых обеспечивает фокусировку излучения тепловой энергии на различные сегменты датчика движения. Чаще всего в качестве линзы применяют линзу Френеля, которая за счет концентрации теплового  излучения позволяет расширить диапазон чувствительности инфракрасного датчика движения Ардуино.

PIR-sensor конструктивно разделен на две половины

Это обусловлено тем, что для устройства сигнализации важно именно наличие движения в зоне чувствительности, а не сам уровень излучения. Поэтому части установлены таким способом, что при улавливании одной большего уровня излучения, на выход будет подаваться сигнал со значением high или low

Основными техническими характеристиками датчика движения Ардуино являются:

• Зона обнаружения движущихся объектов составляет от 0 до 7 метров;
• Диапазон угла слежения – 110°;
• Напряжение питания – 4.5-6 В;
• Рабочий ток – до 0.05 мА;
• Температурный режим – от -20° до +50°С;
• Регулируемое время задержки от 0.3 до 18 с.

Модуль, на котором установлен инфракрасный датчик движения включает дополнительную электрическую обвязку с предохранителями, резисторами и конденсаторами.

Принцип работы датчика движения на Arduino следующий:

• Когда устройство установлено в пустой комнате, доза излучения, получаемая каждым элементом постоянна, как и напряжение;
• При появлении в комнате человека, он первым делом попадает в зону обозрения первого элемента, на котором появляется положительный электрический импульс;
• Когда человек перемещается по комнате, вместе с ним перемещается и тепловое излучение, которое попадает уже на второй сенсор. Этот PIR-элемент генерирует уже отрицательный импульс;
• Разнонаправленные импульсы регистрируются электронной схемой датчика, которая делает вывод, что в поле зрения Pir-sensor Arduino находится человек.

Для надежной защиты от внешних шумов, перепадов температуры и влажности, элементы Pir-датчика на Arduino устанавливаются в герметичный металлический корпус. На верхней части корпуса по центру находится прямоугольник, выполненный из материала, который пропускает инфракрасное излучение (чаще всего на основе силикона). Чувствительные элементы устанавливаются за пластиной.

Типичная бытовая модель со средним функционалом

NV500 компании PARADOX

Оптика – гибридная цилиндро-сферическая линза с сегментами линз Френеля с углом обзора 1020.

Диаграмма направленности рассчитана на обеспечение равномерной чувствительности по всему контролируемому объему. Super Creep Zone – функция контроля саботажной зоны. Цифровая блокировка детекции животных до 16 кг.

Двухуровневый подсчет импульсов по алгоритму APSP. Автокомпенсация температуры. Автоматическая цифровая регулировка чувствительности 5ти уровней. Защита от вскрытия – твердотельное реле.

Датчики такого типа можно использовать не только в системах безопасности или контроля доступа, но и в устройстве автоматического включения освещения, и системы раннего оповещения и т. д.

Методы защиты детекторов движения от помех

Специальный светофильтрующий пластик внешних линз позволяет защитить пироэлемент от белого света, для защиты от насекомых между пироприемным элементом и линзой монтируют герметичную камеру.

Некоторые модели детекторов имеют специальную линзу, с зоной нечувствительности до 1 м от пола, что вполне достаточно для небольших домашних животных. Для защиты от электромагнитных помех используется экранирование.

Наиболее эффективные методы защиты от ложных срабатываний заключены в правильной настройке чувствительности и алгоритмах обработки внешних сигналов.

Одной из таких функций является термокомпенсация, которая автоматически повышает чувствительность датчика, когда температура окружающей среды находится в диапазоне 25-350С. Дополнительно применяется функция антимаскинга, которая предупреждает о заклеивании поверхности линзы датчика.

Так же практически все современные модели оборудованы реле вскрытия, которое сигнализирует о взломе устройства.

Возможные варианты проектов с применением датчика

Пир-датчики незаменимы в тех проектах, где главной функцией сигнализации является определение нахождения или отсутствия в пределах определенного рабочего пространства человека. Например, в таких местах или ситуациях, как:

• Включение света в подъезде или перед входной дверью автоматически, при появлении  в нем человека;
• Включение освещения в ванной комнате, туалете, коридоре;
• Срабатывание сигнализации при появлении человека, как в помещении, так и на придомовой территории;
• Автоматическое подключение камер слежения, которыми часто оснащаются охранные системы.

Пир-сенсоры просты в эксплуатации и не вызывают сложностей при подключении, имеют большую зону чувствительности и также могут быть с успехом интегрированы в любой из программных проектов на Ардуино. Но следует учитывать, что они не имеют технической возможности предоставить информацию о том, сколько объектов находится в зоне действия, и как близко они расположены к датчику, а также могут срабатывать на домашних питомцев.

Список источников

• SamElectric.ru
• ArduinoMaster.ru
• beg-russia.ru
• nabludau.ru