Uhvaćeni pokret

Na tržištu su dostupni jeftini pasivni infracrveni (PIR) senzori, ali elektronika koja ih prati uvek radi jedno isto: detektuje svaki pokret, uključuje rele i posle nekoliko sekundi ga isključuje. Hočete li se pomiriti s tim ograničenjem ili ćete zasukati rukave, pokrenuti maštu i početi da otkrivate nove načine primene?

Mali PIR senzori su s dobrim razlogom osvojili tržište. Jednostavno se montiraju, nisu skupi, a pouzdanost u radu im je gotovo potpuna. Ipak se o njima ne zna puno, u najboljem slučaju kruži priča da su osetljivi na infracrveno zračenje ljudskog tela, i to je sve. Razmišljanje o tome će nas odvesti samo u konfuziju i dalje nerazumevanje principa rada, jer je nelogično to što su oni potpuno neosetljivi na obične izvore toplote, a savršeno „vide“ čoveka, čak i kad on pokuša da se šunja.

Za hobistu je najlakše da eksperimentiše sa gotovim senzorom, koji već sadrži potrebnu elektroniku – treba na njega samo dovesti napajanje i priključiti rele, koji će se nekakvom čarolijom uključiti kad se neko kreće ispred senzora. Ako ne koristite ceo sklop nego samo senzor kao komponentu i optiku, pa pravite svoj elektronski sklop, moći ćete da ga prilagodite potrebama i možda da postignete neke funkcionalnosti koje fabrički senzor ne zadovoljava. Recimo, ako vam treba detekcija smera ili posebne geometrije pokreta i gestova, ili ako potrošnja struje treba da bude veoma mala jer se ceo sklop napaja iz baterije.

Senzor toplote

Svako telo čija je temperatura viša od apsolutne nule – a to praktično znači svako telo u vasioni – emituje toplotnu energiju u vidu elektromagnetnog zračenja. Frekvencija ovih zraka je funkcija temperature tela, pa će topliji predmet zračiti višom frekvencijom, dakle manjom talasnom dužinom. Već posle 630 °C talasna dužina se spušta na 700 nm, pa zračenje postaje vidljivo u opsegu crvene svetlosti. Talasne dužine veće od 700 nm nisu vidljive ljudskom oku, ali postoje neke životinje (naprimer zmije) koje imaju posebna čula kojima mogu da „vide“ sve toplokrvne životinje u mraku.

Zašto je sve ovo važno? Zato što je površina ljudske kože uglavnom toplija od okoline i njeno zračenje je moguće detektovati odgovarajućim senzorom. Talasna dužina zračenja našeg tela je u opsegu od 8 do 14 µm, što je daleko od vidljivog dela spektra, koji je od 0,4 do 0,7 µm. Čak i kada je temperatura okoline jednaka temperaturi ljudskog tela, doći će do izražaja karakteristike različitih tekstura površine, pa će pokret ipak biti detektovan.

Ovako visoka talasna dužina, koja se nalazi na granici između srednjeg i dalekog infracrvenog opsega zračenja, postavlja posebne zahteve koji se tiču postavljanja senzora, kao i izbor optike. Obično staklo, recimo, gotovo potpuno je neprovidno za ovaj opseg i senzor neće mnogo videti kroz njega, ali će dobro videti sliku koja je reflektovana od njegove površine. Zato su neki materijali, kao recimo germanijum i silicijum – inače potpuno neprovidni za vidljive zrake – u ovom slučaju transparentni. Ova osobina se koristi u filtriranju zračenja i izdvajanju željenog opsega od 8 do 14 µm.

Klasični senzori za infracrveno zračenje, kakvi su fotodiode i fototranzistori, nisu osetljivi u ovom opsegu, pa se koriste posebni senzori, zasnovani na termoparovima, koji generišu galvanski napon u zavisnosti od temperaturne razlike na spojevima.

Detekcija pokreta

Na prvi pogled, PIR senzor prosto meri temperaturu okoline, što ipak nije dovoljno za detekciju pokreta zagrejanog tela. Kako ovaj senzor eliminiše promene temperature ambijenta u kome radi? Recimo, kako to da ne reaguje kad je usmeren ka izvoru toplote, ili u sobi prosto poraste temperatura? Za rešenje ovog problema primenjen je efikasan princip eliminacije svih neželjenih toplotnih zračenja. Pošto je poluprovodnički senzor termopar koji generiše jednosmerni napon u zavisnosti od temperaturne razlike na njegovim slojevima, prostim okretanjem senzora naopako dobija se isti napon, ali suprotnog polariteta. U jednom kućištu postoje dva jednaka senzora, jedan pored drugog, ali su suprotno okrenuti. Interno su povezani na red, pa ako je njihova temperatura jednaka (ako je količina infracrvenih zraka koja pada na njih jednaka), zbir napona koji oni generišu jednak je nuli. Ako ima razlike u zračenju, postojaće neki napon, čiji polaritet će zavisiti od toga koji od dva senzora je topliji.

Ta osobina kombinovanog senzora je iskorišćena ingenioznom koncepcijom optike kojom senzor „gleda“ prostor koji pokriva. Niz malih sabirnih sočiva pravi višestruku sliku, tako da je ukupan napon pozitivan u jednom delu vidnog polja, pa negativan u drugom, i tako dalje. Kada se čovek kreće ispred senzora, napon će biti modulisan njegovim kretanjem, pa će elektronski sklop lako detektovati svaki pokret načinjen između granica „pozitivne“ i „negativne“ osetljivosti.

Taj napon je veoma mali, pa ga treba pojačati. Prvi stepen pojačanja je već u samom kućištu senzora, jer je signal tako mali da bi bilo rizično izlagati ga mogućim smetnjama koje bi uneli provodnici. Pojačanje obavlja jedan JFET tranzistor, i tek tako pojačan signal se vodi na izvod senzora. Čak i tako pojačana naizmenična komponenta signala iznosi samo par desetina mikrovolti, pa će ga ugrađeni elektonski sklop (koji čini dvostepeni operacioni pojačavač) pojačati još nekoliko hiljada puta. Tek kad korisni izlazni signal iznosi nekoliko stotina milivolti detektuje se naponskim komparatorom i ka izlazu se šalje gotov logički signal kojim se aktivira alarm ili pali svetlo.

Smer kretanja

A kako detektovati smer kretanja osobe? Recimo, želimo da postavimo senzor tako da na jednoj liniji generiše logički signal kad neko uđe u sobu, a na drugoj kad izađe. Komercijalni senzori ne rešavaju ovaj problem, pa ako se nađete pred takvim projektnim zadatkom, moraćete da napravite sklop koji razlikuje redosled polariteta signala. U svakom slučaju, ovakav senzor mora da ima samo jedan objektiv, a analizu signala će najbolje obaviti mikrokontroler.

Najjednostavniji način bi bio da polaritet prve promene signala, koja je pobudila komparator, odluči o smeru kretanja osobe ispred senzora. Pogledajte crtež: u jednom smeru naizmenični signal započinje negativnom, a u drugom pozitivnom poluperiodom. Taj način dobro funkcioniše ako se osoba kreće pravolinijski i „čisto“ prolazi ispred senzora. Ako zastajkuje ili se vraća, ili ako najpre ulazi veoma polako pa onda poveća brzinu kretanja, postoji opasnost od pogrešne detekcije smera.

U tom slučaju će najbolje biti da se pojačani naizmenični signal dovede na ulaz A/D konvertora na mikrokontroleru, da se izvrši akvizicija uzoraka signala i analiza talasnog oblika. Konkretan algoritam zavisi od zahteva projekta i toga gde je senzor postavljen. Jedno od dobrih mesta je unutar samog ragastova ulaznih vrata, jer se tu osobe obično ne zadržavaju i prolaze ravnomernom brzinom.

Postavljanje senzora

Od velike je važnosti pravilno postaviti senzor, jer je to jedini način da se preduprede neželjeni slučajevi lažnih alarma ili nepotrebnog uključivanja rasvete. Pre svega, senzor ne bi smeo da „gleda“ kroz prozor. Već je rečeno da staklo za njega nije potpuno providno, ali se to odnosi samo na zračenje koje stvara čovečije telo, a ne i dobro zagrejan automobil. Čak se ne preporučuje ni da senzor „gleda“ u sunčeve zrake koji bi kroz prozor mogli da padaju na pod ili zid sobe, jer bi u tom slučaju čak i senka goluba koji leti pored prozora mogla da napravi lažni alarm.

Domaće životinje takođe mogu da predstavljaju problem. Ako treba izbeći da one aktiviraju senzor, onda će se bolje pokazati senzori niže osetljivosti, a još je bolje koristiti specijalno dizajniranu optiku koja ne gleda nisko, nego tek počev od visine koju ljubimci ne dostižu.

Često se ovi senzori postavljaju na plafon sa smerom gledanja nadole, jer je u tom slučaju vidno polje takvo da nema puno opasnosti od lažnih signala. Tada se koristi optika sa širokim vidnim poljem i sa više objektiva razmeštenih po svim osama na polulopti, kako bi mogli da detektuju pokrete u svim smerovima. Praksa je pokazala da je plafon dobro mesto ako treba detektovati prisustvo ljudi u zatvorenim prostorijama.

Pametne kuće postaju sve popularnije, a u njima je moguće koristiti PIR senzore za nekoliko različitih namena. Protivprovalni alarmni uređaji, prisustvo posetioca na kapiji ili životinja (željenjih ili neželjenih) u dvorištu, zaštita vozila, paljenje svetla u dvorištu ili ispred garaže, rasveta u prostorijama… teško je i nabrojati sve mogućnosti primene. Činjenica da je moguće iskombinovati PIR senzore s nekim drugim uređajima (RFID čitači, meteorološki senzori, IOT naprave) otvara nam mogućnosti beskrajnog eksperimentisanja i korišćenja mašte u projektovanju.

(Objavljeno u PC#244)