Инфракрасный датчик движения – особенности устройства и применения

Последнее обновление 2 января 2022

Датчик движения – это чувствительный прибор, который регистрирует перемещение в комнате живых (и не только) объектов, после чего даёт сигнал на соответствующее оборудование. Одними из первых датчики движения появились в системах охранной сигнализации – там они помогали установить проникновение постороннего в помещение или на территорию, а затем включали оповещение. Сегодня сфера применения этих устройств значительно расширилась и стала активно применяться в частном жилье в самых мирных целях. Особенно активно внедрение датчиков движения наблюдается в системах «умного дома».

Виды датчиков движения

Есть множество классификаций регистрирующих движение приборов, но главным остаётся принцип градации по типу устройства. Для того, чтобы почувствовать движение, прибору нужно зарегистрировать изменение определённых параметров. Реализовано это может быть различными способами – с помощью микроволн, ультразвуковых колебаний и других физических явлений. Такие датчики являются активными – они постоянно испускают поток излучений, а после появления движущегося тела регистрируют отражения волновых колебаний.

Мнение эксперта

Яковлев Алексей Сергеевич

Электрик с 20 летним стажем и богатым опытом

В жилых помещениях, в том числе для интеграции с системой «Умный дом», чаще всего применяются инфракрасные датчики. Они имеют целый ряд достоинств, которые делают их оптимальными для исполнения задач.

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.

Принцип действия инфракрасного датчика движения

Тепло, излучаемое живыми существами, – это излучение в инфракрасном спектре. Учитывая, что теплокровные животные имеют температуру тела от 30 до 40°С, сила этих лучей довольно велика и может быть зарегистрирована чувствительной аппаратурой. Внутри инфракрасного датчика обычно находится система линз (в более дешёвых – одна сегментная), которые концентрируют тепловое излучение на специальном элементе – пиродетекторе.

При превышении определённого порога (обычно он выставляется при монтаже и во многом обусловлен чувствительностью прибора) пироэлектрический элемент срабатывает и посылает сигнал на сопряжённые устройства.

На заметку. Тепло выделяют не только живые существа, но и кондиционер, работающий на обогрев, и система тёплого пола. Поэтому датчики движения проектируют таким образом, чтобы они срабатывали на скачкообразное изменение – то есть, появление в поле видимости человека. Правда, если солнце в окне «стрельнёт» лучами в линзу инфракрасного сенсора, устройство сработает. Именно поэтому его не размещают напротив окна и вешают всегда под потолком.

Принцип работы ДД

Датчик движения 12 вольт

Чтобы понять, как работают датчики движения, нужно рассмотреть схему ИК детектора, понять из чего состоит прибор, и как функционируют его элементы.

Устройство и схема работы ИКДД

Принцип строения схемы ДД основан на совокупности трёх элементов: это оптическая система, пироприёмник и блок обработки сигналов.

Оптическая система

Оптикой датчика называют то, что представляет собой полупрозрачную изогнутую пластину на фасаде корпуса или подвижной головки устройства. Пластик покрыт изнутри множеством мелких линз. Его функция состоит в том, чтобы сфокусировать инфракрасное излучение, исходящее от контролируемого пространства, на фотоэлементах пироприёмника.

Пироприёмник

Пирочувствительный элемент чутко реагирует на изменение фокусировки оптической системы. В случае появления объекта в зоне наблюдения микропроцессор пироприёмника передаёт сигнал в операционный блок.

Блок обработки сигналов

Операционная система представляет собой сложную электронную схему, которая, кроме фиксации движения, управляет режимами настройки прибора. Основной функцией блока является подача сигнала на реле, включающее то или иное подключённое оборудование (свет, сигнализацию и пр.).

О том, что датчик находится в рабочем режиме, сигнализирует встроенный в лицевую панель светодиодный индикатор красного цвета. В режиме ожидания светодиод не горит.

Настенный вариант

В чём преимущества инфракрасного датчика

Прибор, регистрирующий движение по тепловому излучению, имеет весомые плюсы и минусы:

Плюсы

Малое потребление тока. В отличие от активных датчиков, которые испускают ультразвук или микроволны, инфракрасный сенсор относится к семейству пассивных датчиков, расход электроэнергии очень мал, что позволяет монтировать его автономно, с питанием от аккумулятора.

Нет ложных срабатываний на другие движущиеся объекты, кроме теплокровных (например, робот-пылесос, колышущаяся штора у окна).

Легко может быть включён в связку со шлюзом (хабом) «умного дома» либо же напрямую подсоединён к прибору освещения посредством электромагнитного реле.

Минусы

Не слишком большая зона охвата (обычно до 10 метров).

Сбои в срабатывании при слишком высоких или низких температурах.

Но именно эти недостатки малосущественны в условиях комнатного использования, ведь в квартире и доме не стоит мороз, а люди не ходят в шубах. Что касается зоны охвата, то она всегда ограничена габаритами помещения.

Данные особенности позволяют рассматривать инфракрасные датчики как оптимальный инструмент для автоматизации сценариев «умного дома».

Использование беспроводного USB-адаптера CC1111 и программы SmartRF для перехвата пакетов

Второй способ перехвата трафика основан на использовании беспроводного USB-адаптера CC1111 USB EVM Kit 868/915 МГц и программы SmartRF™ Protocol Packet Sniffer. Данные отображаются на экране в исходном виде, однако поток данных может быть подвергнут последующей обработке и использован для тестирования и определения характеристик системы. После установки программы анализа пакетов (версии 2.18.1 на момент написания статьи), процедура обнаружения передаваемых данных выглядит следующим образом:

• Подключите USB-адаптер CC1111 в свободный USB-порт компьютера с установленной программой перехвата трафика.
• Запустите программу анализа пакетов, выберите протокол «Generic» и нажмите кнопку “Start” (рисунок 9).

Рис. 9. Окно запуска программы перехвата трафика

• Настройте CC1111 для корректного отображения пакетов данных. Выберите вкладку “Radio Configuration” (конфигурация радиоканала). Нажмите на кнопку «Browse…», находящуюся под вкладкой “Register settings” (настройки регистров). Откройте файл TIDA-00489_CC1111.prs. Выделите и дважды кликните на «TIDA-00489_CC1111», чтобы применить настройки регистров, показанные на рисунке 10.

Рис. 10. Окно настройки конфигурации программы перехвата трафика

• Для запуска процесса перехвата пакетов нажмите кнопку ‘Play” на верхней панели окна программы.
• Программа анализа пакетов может обнаружить посторонние пакеты данных. Примените фильтр для просмотра только достоверных пакетов данных. На рисунке 11 показан пример окна просмотра неотфильтрованных данных. Выделенная строка показывает посторонний пакет данных.

Рис. 11. Окно неотфильтрованных пакетов данных

• Для того чтобы добавить фильтр, отображающий только достоверные пакеты, выберите вкладку ”Display filter”. В поле ”Field Name” из выпадающего списка выберите «FCS». Нажмите на кнопку «First». Измените настройки фильтра так, чтобы показывать только пакеты с о, введя «FCS = OK» в поле ”Filter condition», далее нажмите кнопку ”Add”, а затем – кнопку «Apply». На рисунке 12 показаны примеры окна просмотра отфильтрованных данных.

Рис. 12. Окно отфильтрованных пакетов данных

• Для экспорта перехваченных отфильтрованных пакетов нажмите на кнопку “Save the current session” (“сохранить текущий сеанс”) на панели инструментов (значок с изображением дискеты) или приостановите перехват пакетов и нажмите File → Save data… из контекстного меню файла. В в обоих случаях программа предложит сохранить отображаемые данные как пакет данных перехвата (файл с расширением .psd).
• Используйте программу редактора шестнадцатеричных чисел, например, HexEdit, для отображения данных из файла .psd в удобочитаемом виде.
• Откройте файл .psd в программе “HexEdit”, нажмите Tools → Options. В окне “Options” программы “HexEdit” нажмите Document → Display и измените значение “Columns” («Столбцы») на «2066». Нажмите Edit → Select All и Edit → Copy As Hex Text. Откройте текстовый редактор (например, «Блокнот»), вставьте шестнадцатеричные числа в виде текста и сохраните текстовый файл. Этот текстовый файл можно импортировать в электронную таблицу программы Microsoft® Excel® для дальнейшего анализа. Для получения дополнительной информации о формате перехваченного пакета данных нажмите Help → User Manual.

Характеристики энергопотребления

Ток потребления различных функциональных узлов датчика был измерен на предварительном макете. Эта информация использовалась в процессе разработки для того чтобы найти разумный компромисс между сроком службы батареи с одной стороны и характеристикой чувствительности детектора движения и напряжением питания датчика – с другой. Эти же данные были использованы для сравнения с результатами испытаний окончательного варианта макета, чтобы убедиться в хорошей корреляции между предварительными и окончательными результатами. Кроме того, на прототипе была исследована зависимость потребляемого тока от напряжения питания. Результаты измерения тока потребления приведены в таблицах 1 и 2.

Как видно из данных, приведенных в таблице 1, существует хорошая корреляция между измеренными в макетной плате значениями тока потребления и номинальными расчетными значениями. Данные из таблицы 2 показывают также небольшую положительную зависимость потребляемого тока от напряжения питания. Это означает, что расчет срока службы батареи на основе средних значений тока потребления выполнен с запасом ввиду того, что потребляемый ток будет уменьшаться по мере старения батареи.

Таблица 1. Ток потребления различных функциональных узлов датчика

Два основных режима работы, показанные в таблице 2, соответствуют режимам, описанным на рисунке 5. В столбце «Разность токов» показано, насколько увеличивается потребляемый ток при переходе из спящего в активный режим — это значение используется при расчете срока службы батареи. Последняя строка в таблице 2 добавлена исключительно в ознакомительных целях, так как при таком низком напряжении питания значительно увеличивается выходной шум ИК-детектора движения, вследствие чего возрастает вероятность ложных срабатываний датчика. Ток потребления при минимальном напряжении питания был измерен с помощью пользовательской программы, удерживающей МК в спящем режиме и игнорирующей прерывания, вследствие чего в таблице 2 нет данных по току потребления в активном режиме при этом напряжении питания.

Таблица 2. Ток потребления датчика в различных режимах работы

Данные по энергопотреблению были использованы в следующем разделе для расчета планируемого срока службы батареи в различных условиях эксплуатации.

Область применения

Датчик движения – универсальный прибор, который можно использовать в самых разных бытовых сферах. Промышленное применение таких устройств ещё более широко, однако это отдельная тема.

Автоматизация домашнего освещения

Наиболее частый сценарий, используемый в жилых помещениях – квартирах и домах. При срабатывании детектора движения датчик посылает сигнал контроллеру, а тот включает освещение в соответствующей комнате. Это может быть как местный, так и общий свет, а также всевозможные дополнительные источники: светодиодные ленты, подсветка прикроватной зоны и другое.

Применение датчиков освещения для автоматизации включения и отключения света в комнатах позволяет экономить на электричестве до 40% денежных средств.

Вместе с установкой инфракрасных сенсоров удаётся разрешить ситуацию, когда хозяева выходят из комнаты, забывая выключить в ней свет.

Охранные функции

Подобное использование тепловой воспринимающей аппаратуры было первым, и оно продолжает давать хорошие результаты. С помощью датчика движения можно:

1. Организовать отправку push-сообщения на смартфон владельца (функция активируется в моменты ухода из квартиры).
2. Запрограммировать включение сигнализации, в том числе отправку тревожного сигнала на пост охраны.
3. Просмотреть время прихода членов семьи в разделе «лог», где ведётся история срабатываний датчика.

Управление климатической техникой

Такая связка применяется реже, чем с освещением, однако также имеет место быть. По сигналу датчика могут быть включены устройства, поддерживающие параметры холода и тепла в квартире: батареи или система тёплого пола, кондиционер, вентилятор, увлажнитель и другие приборы. Таким образом, максимальный расход энергии происходит лишь в нужное время, а не постоянно.

Стоит отметить, что широкому применению инфракрасных датчиков движения в области домашнего климата мешает явление тепловой инерции. Для того, чтобы полноценно прогреть комнату, необходимо время – и делать это нужно заранее, перед входом в неё. Как следствие, комфортная температура достигается не сразу, а тогда, когда это часто не нужно – человек уходит в другое место.

Варианты установки

Подключение датчика инфракрасного типа может вестись по разнообразным схемам. Наиболее часто востребованы схемы, указывающие подключение изделия к осветительным приборам. Подключение ИК-датчика возможно двумя способами:

• через распределительную коробку;
• непосредственно в месте размещения.

Какой бы способ вы не выбрали, нужна специальная схема, отвечающая тем или иным вашим запросам. Самым простым способом подключения данного типа детектора является установка его с помощью выключателя. В этой ситуации подключение лампы происходит на другую электрическую цепь. Здесь, если выключатель полностью снять, датчик сможет самостоятельно отвечать за включение и выключение света. Схема такого подключения приведена ниже.

Схема подключения через выключатель

Можно подключить детектор непосредственно к проводке. Здесь следует определить провод, идущий к лампе. От него протягиваем новый и соединяем с красным контактом датчика. Схема подключения в такой ситуации имеет следующий вид.

Схема подключения к проводке

Для того чтобы датчик исправно работал, схема подключения должна соблюдаться неукоснительно.

Критерии выбора инфракрасного датчика движения

Все устройства, которые есть на рынке, весьма похожи друг на друга, однако и у них есть достаточно отличий, которые будут серьёзно влиять на практику их применения в системе «умный дом».

Питание

Все датчики делятся на проводные и беспроводные. Первые получают питание по кабелю, вторым для питания нужен аккумулятор или даже обычная батарейка, которой тоже хватает надолго в силу малого энергопотребления.

На заметку. В бытовых беспроводных датчиках для системы «умный дом» чаще всего применяется литиевая батарея CR2032. Её хватает в среднем на полтора-два года.

У каждого вида есть свои преимущества: проводные устройства действуют от постоянной электросети, зато беспроводные легче размещать – не нужно прокладывать слаботочный кабель.

Передача данных

Здесь всё снова упирается в провода. Датчики могут соединяться со шлюзом напрямую, через систему кабелей, скрытых за натяжными потолками, плинтусами или в штробах. Беспроводные устройства соединяются с хабом по Wi-Fi или Bluetooth. Например, в системе Aqara используется специальный протокол Zigbee.

Угол обзора

Обычно он зависит от местоположения датчика. Устройства, которые крепятся на стену, охватывают обычно 150 – 180°. Если говорить о потолочном датчике, то он имеет круговой обзор и регистрирует любое движение в комнате в радиусе действия.

Радиус действия

То есть дальность действия устройства. У бытовых инфракрасных датчиков она редко превышает 7 – 9 метров. Впрочем, больше обычно и не нужно. Для установки на улице стоит выбрать более мощные и чувствительные модели с дальностью действия до 15 м.

Особенности размещения

Чаще всего датчики располагают либо на стенах (или любых других вертикальных поверхностях), либо на потолке. Первые модели имеют полусферу линзы в передней части, вторые – снизу. Иногда датчики размещают в углу, чтобы добиться оптимального охвата.

Некоторые модели поставляются с ножкой в комплекте. Данная конфигурация делает возможным оба варианта размещения.

Оснащение фотоэлементом

Благодаря дополнительному фото-датчику прибор распознаёт степень освещённости и не включает свет днём, когда это не требуется.

Недостатки модели

Все приборы обладают определенными недостатками. И их в обязательном порядке необходимо учитывать при выборе изделия для создания автоматизированной системы включения освещения в доме или на улице. Обычно, превалирующее большинство недостатков базируются на конструкционных особенностях изделия, а также принципе его работы. При рассмотрении инфракрасных моделей к негативным сторонам их установки можно отнести:

• наличие ложного срабатывания. Ложные срабатывания связаны с тем, что сенсор прибора способен воспринимать любые инфракрасные излучения. К примеру, ложное срабатывание может случиться от чрезмерно нагретого воздуха, который бывает на улице в жаркую погоду или поступает от кондиционера, батарей отопления, обогревателей и радиаторов;

Популярные датчики движения

Инфракрасные датчики движения сегодня можно приобрести как в магазинах электротехники, так и на различных торговых интернет-площадках.

РЭВ ДДВ-3

Небольшой датчик в формате элемента для самостоятельной сборки и подключения системы реагирования на движения. Предназначен для скрытого монтажа. Компактен, прост, однако радиус действия невелик. Имеет встроенный таймер отключения с регулятором.

ИЭК ЛДД10-009-1100-001

Мощный датчик, дальность действия которого – 12 м – позволяет размещать его на улице. Влагозащита лишь номинальная, от брызг (класс IP44), поэтому рекомендуется размещение под навесом. При довольно крупных размерах регуляторы очень маленькие – для настройки понадобится пинцет.

ИЭК ЛДД11-024-1100-001

Ещё одно устройство от IEK, на этот раз полусферического типа. Допускается как настенный, так и потолочный монтаж. Переключатели размещены под крышкой. Имеет встроенное реле, однако щелчок отличается умеренно тихим звуком.

REV 15283 5

Классический настенный датчик, дальность в 12 м ориентирована на размещение в длинных коридорах, а также на участках частных домов. Устройство «не хватает звёзд с неба», но честно выполняет все функции. Может огорчить лишь небольшой угол обзора – 110°.

TDM ЕLECTRIC SQ0324-0016

Оригинальное решение – датчик совмещён с цоколем E27, вкручивается в стандартный патрон и служит своеобразным переходником для лампочки, которой управляет. Может стать хорошим решением в том случае, если нужно установить только один источник света, включающийся от движения.

HIPER IoT M1

Хороший дизайн, отменная чувствительность, удобство и универсальность монтажа – всё для системы «умный дом». Протокол связи со шлюзом – Wi-Fi, через роутер. Из минусов можно отметить довольно длительное время отклика, а также случающиеся сбои в работе, требующие перезагрузки.

Aqara Motion Sensor

Датчик сопрягается не только с фирменным шлюзом Aqara, но и Apple Homekit, а также общим Xiaomi MiHome. Благодаря шаровой ножке может быть размещён в любом месте. Реализация сценариев на основе программного обеспечения делает его одним из лучших вариантов.

Лучшие модели

Самыми популярными вариантами датчиков движения признаны:

Flash-SRP600, LC 100 (цена – 403,1 руб.)

Модель Flash не срабатывает на появление животных, если вес их меньше 25 кг.

Crow LC 102 (цена – 1 397,96 руб.)

Приборы Crow LC102, SWAN 1000 являются комбинированными, они очень точные.

SWAN 1000 (цена-1410 руб.)

Страж П-314 (цена -2 913,03 руб.)

Их применяют в сфере охраны. Он не дает реакцию на телодвижения животных. Работа распространяется на определение ИК излучения людей. При обнаружении ИК излучения, датчик выясняет вес объекта и сигнализирует на пульт, когда он больше 20 кг.

Преимущества:

• простота в процессе установки;
• имеет модный дизайн;
• его можно устанавливать на улице;

PIR-3SP (цена – 2890 руб.)

Среди беспроводных ДД, большим спросом пользуется PIR-3SP. Он, так же не реагирует на движения животных, применяется в сфере охраны объектов.

Обработка поступающего сигнала происходит микропроцессором, который производит дополнительную проверку информации.

Преимуществами прибора являются:

• подача сигналов тестирования на центральный блок;
• при разряде батареи подается сигнал;
• применение протокола шифрования данных с кодом;

Вопрос-ответ

Будет ли датчик реагировать на домашних животных?

На мелких – нет, а на крупных, свыше 20 кг – да. Чтобы этого не происходило, стоит уменьшить чувствительность.

Чем датчик движения отличается от датчика присутствия?

Датчиков присутствия как таковых нет – это просто маркетинговое название чувствительных инфракрасных устройств. Они считывают даже малейшее движение, создавая иллюзия распознания присутствия.

Как сделать, чтобы свет после включения от датчика долго не горел, например, на лестнице?

Для этого необходимо выставить меньшую задержку – к примеру, полминуты – этого вполне хватит, чтобы подняться.

Литература

1. Application Report: Reverse Current/Battery Protection Circuits, https://www.ti.com/lit/an/slva139/slva139.pdf.
2. White Paper SWRA349: Coin cells and peak current draw, https://www.ti.com/lit/wp/swra349/swra349.pdf.
3. Быстрый старт разработки беспроводного канала 868 МГц на CC1310. Новости Электроники №3, 2016 г.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

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.

Правила эксплуатации информационных киосков, мультимедийных трибун, столов

Есть несколько разных способов применения той или иной технологии. В данной статье мы не будем давать развёрнутый ответ, а коротко приведём пару примеров, с которыми лично сталкивались на практике. Первый из них это эксплуатация уличных информационных киосков – мы настоятельно рекомендуем использовать и устанавливать только проекционно-ёмкостные экраны, промышленного типа, которые антивандальны и имеют высокую яркость.

Мультимедийные интерактивные трибуны – тут на ваше личное усмотрение. Если вы переживаете, что будете задевать рукавом экран и тот будет мешать презентации, то инфракрасная рамка не рекомендуется.

Детские сенсорные столы – как показала практика, здесь нет строгих предпочтений, а упор только на бюджет организации. Дети будут рады новой современной игрушке, независимо от технологии детекции касаний.

Экраны не требуют особого ухода, главное относиться к устройствам бережно, сохранять область ИК-рамки в чистоте, без посторонних предметов.