Системы безопасности, автоматические двери, интеллектуальное управление освещением и другие функции современного дома, были бы невозможны без использования надежных датчиков движения. В этих устройствах чаще всего используются пассивные инфракрасные (PIR) детекторы, несмотря на их многочисленные недостатки. Поэтому была разработана замена для них, чтобы сделать обнаружение движения более интеллектуальным и надежным. Это радар-детектор, выполненный в виде готового модуля для универсального использования.

PIR против радарного датчика

Датчики PIR обнаруживают инфракрасное излучение в среднем инфракрасном диапазоне, испускаемое кожей человека, животного или другого объекта, более теплого, чем окружающая среда. Следовательно, с повышением температуры объектов надежность их обнаружения резко падает. По этой причине не рекомендуется устанавливать их рядом с источниками тепла или использовать при высоких температурах окружающей среды.

Радиолокационные датчики – более лучшее решение для сложных условий, поскольку они меньше зависят от температуры. Еще одним преимуществом датчиков этого типа является их большая чувствительность. Датчики PIR в основном обнаруживают большие смещения объектов по касательной к их оси и движения с минимальной скоростью около 1 м / с. Следовательно, они неэффективны, когда объект неподвижен или останавливается, а также когда он движется к датчику или от него.

А вот радарные датчики обнаруживают малейшее движение объекта, даже связанное с движением рта при разговоре и подъемом груди при дыхании. Более того, они позволяют оценить направление движения объекта, его скорость и точно определить положение цели в пространстве.

Кроме того, радар-детекторы защищают конфиденциальность людей, потому что они не создают оптического изображения, как в случае с системами видео-наблюдения или детекторами, основанными на определении времени движения (датчики ToF). То есть радарное обнаружение может быть полностью анонимным.

Учитывая уникальные особенности и преимущества радиолокационных технологий, а также тот факт что они десятилетиями использовались в системах обороны, авиации и безопасности, отсутствие дешевых и функциональных решений долгое время было препятствием к применению радиолокационных детекторов в промышленной зоне. Здесь эффект Доплера использовался только для измерения расстояния от объекта до уровня земли, в морской навигации и датчиках автоматического открытия дверей. Но за последние несколько лет технология значительно продвинулась вперед и теперь это открывает множество возможностей для применения радаров в промышленной автоматизации, робототехнике, беспилотных летательных аппаратах и ??системах контроля.

Согласно аналитике, в ближайшие 5 лет на промышленном рынке появятся около 10 миллионов новых устройств с радарными датчиками. Дело в том что радиолокационная технология требует от разработчиков гораздо более обширных прикладных знаний в области радиочастот, знания антенных систем и схем обработки сигналов.

BGT60LTR11AIP – самый маленький радарный датчик, работающий в диапазоне 60 ГГц. Он имеет размер типичной интегральной микросхемы, а излучаемый им микроволновый луч проникает через непроводящие материалы, благодаря чему его можно легко интегрировать в корпус созданного устройства. Такое устройство называется монолитной интегральной схемой СВЧ (MMIC). Этот детектор также включает в себя встроенную антенну (известную как AIP – антенна в упаковке) и микросхему принятия решений для предварительной обработки данных, то есть это полное решение, для работы которого требуется только интерфейс с микроконтроллером и источник питания.

Более того, микросхема, встроенная в детектор позволяет датчику работать автономно, без необходимости наблюдения со стороны микроконтроллера, а два независимых элемента, составляющие датчик, выдают выходные сигналы, один из которых указывает на движение объекта, а другой – его направление (приближается или удаляется). Силуэт человека определяется в автономном режиме с расстояния 5 м и угла обзора 80 град.

Функциональность датчика движения

Мощность потребляемая таким детектором, составляет менее 5 мВт, что является результатом использования активного управления временем детектора с помощью переменного рабочего цикла. При правильных настройках можно снизить расход даже до 2 мВт. По умолчанию этот датчик используется в устройствах для умных зданий, таких как системы освещения, автоматического открывания дверей или безопасности, включая сигнализацию и камеры. Кроме того, датчик движения можно интегрировать в ноутбуки, планшеты и телевизоры, где он будет выводить оборудование из режима сна в зависимости от движения или направления движения. Такой датчик также может переводить устройство в спящий режим или запускать автоматическую блокировку, когда в течение определенного периода времени не обнаруживается никакого движения (для экономии энергии).

На рисунке показана блок-схема модуля BGT60LTR11AIP. Встроенный генератор VCO производит высокочастотный сигнал, частота которого стабилизируется контуром ФАПЧ. Передатчик включает в себя ВЧ-усилитель мощности с программно настраиваемой выходной мощностью через SPI. В приемнике используется малошумящий квадратурный детектор, поддерживаемый усилителем LNA и гомодинным смесителем, что обеспечивает отличную чувствительность. Квадратурные IQ-сигналы, необходимые для работы, вырабатываются с помощью ГУН и многофазного фазовращателя на RC-цепочке.

Блок обработки аналогового сигнала включает в себя схему выборки и хранения для низкого энергопотребления и возможности ограничения потребления тока путем модуляции времени активности и ожидания. Кроме того, в тракте обработки сигнала имеется настраиваемый фильтр верхних частот, усилитель с регулируемым усилением и фильтр нижних частот.

С этими блоками есть детекторы, которые генерируют импульсы при обнаружении объекта. Для максимальной гибкости и устойчивости к ложным срабатываниям эти схемы позволяют пользователю устанавливать время задержки, количество совпадений и порог обнаружения.

Весь датчик имеет размеры 3,3 х 6,7 х 0,56 мм, и этот корпус содержит полупроводниковый чип, интегрированный в плату вместе с антеннами.

Готовый комплект BGT60LTR11AIP

На рисунке показана плата прототипа датчика движения с детектором BGT60LTR11AIP. Кроме этого, имеется малошумящий стабилизатор, кварцевый генератор на 38,4 МГц для тактовой частоты и развязывающие конденсаторы. К выходу подключены два светодиода. Зеленый загорается при обнаружении цели, а красный светодиод загорается, когда цель находится далеко от датчика.

Эта плата не только иллюстрирует работу MMIC-детектора BGT60LTR11AIP, но также представляет собой законченное решение для радарного датчика, поскольку его можно установить на более крупную основную схему. Таким образом можно быстро создавать прототипы устройств и производить небольшие партии решений. С помощью четырех интерфейсных линий (QS1-4) датчик можно переключать, выбрав автономный режим или работу под управлением SPI. Кроме того, эти строки позволяют установить пороги обнаружения, определяющие чувствительность детектора во время автономной работы, то есть диапазон, также на постоянной основе во время работы, чтобы установить время задержки между обнаружением объекта и установка активного состояние на выходе, что помогает устранить помехи, например, от летающих насекомых. Есть возможность если надо изменить рабочую частоту датчика.

Параметры детектора могут быть настроены с помощью SPI, но дальнейшая работа может выполняться без контроля со стороны МК. Без автономной работы, используя интерфейс SPI, можно загружать необработанные данные радара, которые могут быть источником данных, к примеру для машинного обучения или алгоритмов искусственного интеллекта.

Плату датчика можно легко установить на платформы Arduino или Infineon MCU7. Последняя поддерживается многими демонстрационными программами для отображения и анализа радиолокационных данных во временной и частотной областях.

Подведение итогов

Итого, радарный датчик движения подходит для обнаружения движения объектов во многих устройствах, таких как управление освещением, автоматическое открывание дверей, охранные системы и множество других устройств умного дома. Это удобный, готовый к использованию радар-детектор, который может работать в автономном, полуавтоматическом и управляемом режимах. Датчик представляет собой энергосберегающее решение и пользователь может легко настроить параметры обнаружения, что делает его усовершенствованной альтернативой датчикам PIR.