Пироэлектрический инфракрасный (PIR) датчик движения и Arduino

ПИР датчики движения по сути состоят из пироэлектрического чувствительного элемента (цилиндрическая деталь с прямоугольным кристаллом в центре), который улавливает уровень инфракрасного излучения. Все вокруг излучает небольшой уровень радиации. Чем больше температура, тем выше уровень излучения. Датчик фактически разделен на две части. Это обусловлено тем, что нам важен не уровень излучения, а непосредственно наличие движение в пределах его зоны чувствительности. Две части датчика установлены таким образом, что если одна половина улавливает больший уровень излучения, чем другая, выходной сигнал будет генерировать значение high или low.

Сам модуль, на котором установлен датчик движения, состоит также из дополнительной электрической обвязки: предохранители, резисторы и конденсаторы. В большинстве недорогих пир-датчиков используются недорогие чипы BISS0001 («Micro Power PIR Motion Detector IC»). Этот чип воспринимает внешний источник излучения и проводит минимальную обработку сигнала для его преобразования из аналогового в цифровой вид.

Одна из базовых моделей пироэлектрических датчиков подобного класса выглядит так:

Более новые модели PIR-датчиков имеют дополнительные выходы для дополнительной настройки и установленные коннекторы для сигнала, питания и земли:

ПИР датчики отлично подходят для проектов, в которых необходимо определять наличие или отсутствие человека в пределах определенного рабочего пространства. Помимо перечисленных выше достоинство подобных датчиков, они имеют большую зону чувствительности. Однако учтите, что пироэлектрические датчики не предоставят вам информации о том, сколько человек вокруг и насколько близко они находятся к датчику. Кроме того, сработать они могут и на домашних питомцев.

Общая техническая информация

Эти технические характеристики относятся к PIR датчикам, которые продаются в магазине Adafruit. Принцип работы аналогичных датчиков похожий, хотя технические характеристики могут отличаться. Так что прежде чем работать с ПИР-датчиком, ознакомьтесь с его даташитом.

• Форма: Прямоугольник;
• Цена: около 10.00 долларов в магазине Adafruit;
• Выходной сигнал: цифровой импульс high (3 В) при наличии движения и цифровой сигнал low, когда движения нет. Длина импульса зависит от резисторов и конденсаторов на самом модуле и разная в различных датчиках;
• Диапазон чувствительности: до 6 метров. Угол обзора 110° x 70°;
• Питание: 3В — 9В, но наилучший вариант — 5 вольт;
• BIS0001 (даташит);
• RE200B (даташит);
• NL11NH (даташит);
• Parallax (даташит).

Ссылки для заказа оборудования, которое используется в статье в дальнейшем из Китая

>Для заказа с Aliexpress:

Как выбирать датчики движения

Датчики движения всё чаще становятся неотъемлемым атрибутом не только общественных зданий, но и жилых домов, квартир или офисов частных компаний, обеспечивая потребителям экономию электроэнергии. Однако, чтобы устройства работали корректно и выполняли свою задачу, их нужно правильно выбирать.

Применение

Датчики движения чаще всего используют для управления осветительными приборами. И дело тут не только в комфорте, но и в экономии: применение датчиков позволяет значительно сократить расход электроэнергии на освещение.

Кроме того, датчики движения используются в составе охранных систем, для управления автоматическими дверями, гаражными или складскими воротами, а также в системах «Умный дом», например, для автоматизации работы климатической техники. Так, с помощью датчиков движения можно включать и выключать кондиционеры, регулировать мощность отопления, запускать котлы и т. д.

Выбор типа датчика

Наиболее часто встречаются датчики двух типов: инфракрасные и микроволновые.

Инфракрасные датчики реагируют на перемещение в поле их обзора объектов, излучающих тепло, – прежде всего людей и животных. Они пассивны, то есть сами ничего не излучают, а только фиксируют тепловое излучение. Работают инфракрасные датчики в зоне прямой видимости, т. е. если между объектом и датчиком нет преград. При этом они достаточно чувствительны даже к незначительным изменениям температуры, что позволяет выполнять точную настройку.

С другой стороны, эти же особенности ограничивают сферу применения инфракрасных датчиков. «Во избежание ложных срабатываний их не рекомендуется устанавливать в зоне действия источников тепла: отопительных приборов, тепловых завес, кондиционеров, инфракрасных обогревателей, в цехах предприятий, вблизи мощных источников освещения, например, галогенных ламп и пр. Кроме того, чувствительность инфракрасных датчиков зависит от температуры окружающей среды, а на улице их точность снижается. Типичная сфера их применения – жилые дома, общественные, офисные и подсобные помещения, тёплые склады, фойе, холлы, подъезды, лестничные клетки и т. п.», – объясняет Александр Мирющенко, ведущий инженер Группы исследований и технического анализа IEK GROUP, одного из ведущих российских производителей и поставщиков электротехники и светотехники.

Микроволновые датчики – активные. Они испускают электромагнитные волны высокой частоты и фиксируют отражённое излучение, когда в поле появляются посторонние объекты, независимо от их температуры. Это исключает ложные срабатывания из-за воздействия источников тепла и позволяет устанавливать датчики там, где инфракрасные приборы могут работать некорректно. Правда, микроволновые устройства могут «ошибаться» рядом с мощными внешними источниками электромагнитного излучения. К примеру, электрощитовая – не лучшее место для установки микроволнового сенсора.

Одно из преимуществ микроволновых датчиков заключается в том, что их не обязательно монтировать в зоне прямой видимости. Главное, чтобы преграда была диэлектрической 1 или слабопроводящей. Так, чтобы не нарушать дизайн интерьера, датчики можно прятать за навесными потолками, внутри полых перегородок и т. д. Нередко их устанавливают внутри здания, направив излучателем наружу. Таким образом можно спрятать в доме датчик, который будет реагировать на движение у крыльца со стороны улицы. Помимо эстетических преимуществ, скрытая установка датчиков гораздо более эффективна, если они используются в составе охранных систем.

Как правило, микроволновые датчики стоят дороже инфракрасных, а дальность их действия немного меньше, зато микроволновый сенсор способен реагировать даже на очень незначительное движение.

Конструкция

Датчики бывают разными (см. рисунок 1): одни предназначены для потолочного монтажа, другие – для настенного. Это не значит, что каждый тип устройства обязательно устанавливать строго на потолке или стенах: всё зависит от конфигурации помещения и поставленной задачи, которая может быть и неординарной. Однако в большинстве случаев конструкция оптимально адаптирована под соответствующее размещение. Также следует обратить внимание на рекомендуемый диапазон возможных высот монтажа.

Почему датчики движения реагируют на животных и как этого избежать

19 декабря 2019

Установив дома датчики движения, вы рассчитываете на моментальное реагирование на посторонних. Вор перешагнул порог или забрался в окно — сработала тревога. И можете не сомневаться, что с этой задачей справятся устройства любой качественной сигнализации. Но реагирование на движение — это только половина дела: важным качеством датчиков является умение определять, что именно движется. Они должны быстро и безошибочно обнаруживать человека, в то же время игнорируя естественные помехи и домашних питомцев. Всё это для того, чтобы вы и охранная компания были уверены: если система безопасности подняла тревогу — угроза реальная и нужно реагировать немедленно.

Эта статья расскажет, как видят мир инфракрасные датчики движения, благодаря каким технологиям они способны отличить овчарку от злодея и о чем стоит помнить хозяевам животных, устанавливая дома сигнализацию.

Как устроены инфракрасные датчики движения

Датчики движения на основе инфракрасных сенсоров улавливают инфракрасное излучение, иначе говоря, тепло.

Чем ближе к белому, тем сильнее излучение — теплее объект.

Иногда говорят: «Датчик движения увидел человека». Однако на самом деле эти устройства не видят предметов, животных или людей, они имеют дело только с данными.

Специальная изогнутая линза Френеля фокусирует инфракрасное излучение на пиросенсор датчика. Затем сигналы сенсора направляются в микропроцессор, где преобразовываются в числовые данные. А дальше происходит анализ и оценка угрозы — именно в этом процессе ключевое отличие смарт-датчиков от примитивных собратьев. Зная интенсивность инфракрасного излучения и динамику перемещения источника, программные алгоритмы определяют характер угрозы, и датчик принимает решение: поднять тревогу или проигнорировать.

Как реализован иммунитет к животным в датчиках движения Ajax

В помещениях

Датчики движения для помещений MotionProtect, MotionProtect Plus, CombiProtect и MotionCam при правильной установке и настройках не реагируют на животных ростом до 50 сантиметров и весом до 20 килограмм. Предельный вес называется как понятный ориентир, а в действительности значение имеет размер теплового пятна в инфракрасном спектре. Напомним: датчики не видят объектов, они анализируют их инфракрасное излучение.

Датчики движения менее чувствительны у земли. Предполагается, что именно там будут обитать большие домашние питомцы.

Для оценки угрозы датчики движения используют разработанный Ajax Systems программный алгоритм SmartDetect. При обнаружении движения SmartDetect анализирует форму сигнала инфракрасного сенсора и сравнивает его со значениями, характерными для движений людей. В связи с тем что размер теплового пятна животного небольшой и сигналы поступают в нижнюю зону линзы Френеля (пропускающую меньше излучения на сенсор), датчик не поднимает тревогу.

На улице

Уличные датчики MotionProtect Outdoor не реагируют на животных ростом до 80 сантиметров. Для эффективного игнорирования всех типичных для улицы помех эти датчики оснащены двумя инфракрасными сенсорами и считывают сигналы из двух областей пространства. Они поднимают тревогу только если движение фиксируют оба сенсора.

Как и в датчиках Ajax для помещений, MotionProtect Outdoor использует алгоритм SmartDetect — это первый программный уровень защиты от ложных тревог. Алгоритм анализирует данные каждого сенсора и сравнивает их между собой. Как правило, уже на этом этапе датчик готов принять решение: игнорировать или поднять тревогу. Но если ситуация неоднозначная, будет задействован анализ спектра: частотных составляющих сигналов двух сенсоров. Это уникальная для охранных датчиков система защиты от ложных тревог получила имя LISA.

Что нужно учесть, чтобы датчики движения не реагировали на животных

1. Убедитесь, что датчики движения установлены на оптимальной высоте.

Уличные датчики MotionProtect Outdoor закрепляются на высоте 0,8–1,3 метра. Ось взгляда верхней линзы должна быть параллельна плоскости земли. Даже незаметное глазу отклонение оси на дальних расстояниях сместит зону обзора верхней линзы выше человека или направит в землю. Поэтому важно провести три теста зоны обнаружения: верхней линзы (правильность монтажа), нижней (дальность обнаружения человека) и затем обеих линз.

Когда комнатные датчики движения установлены ниже рекомендованной высоты, животные перемещаются в зоне повышенной чувствительности. Если овчарка пройдется на задних лапах или даже небольшой спаниель разыграется на кресле, датчик может поднять тревогу.

На улице важно учитывать рельеф охраняемого участка. Если большая собака будет попадать в зону обнаружения обеих линз MotionProtect Outdoor, иммунитет к животным может не справляться и датчик будет поднимать тревогу.

2. Установите в настройках датчиков подходящую чувствительность.

При охране помещений с животными в настройках датчиков MotionProtect, MotionProtect Plus и CombiProtect устанавливается средняя или низкая чувствительность — в зависимости от габаритов животного. Чувствительность уличных датчиков MotionProtect Outdoor определяется опытным путем: начните со средней и понизьте, если будут ложные тревоги.

3. Убедитесь, что животное не может приблизиться к линзе комнатного датчика.

Чем ближе подвижный объект к линзе, тем больше его тепловое пятно. Если собаке удастся подпрыгнуть на уровень датчика в непосредственной близости от его линзы, сработает тревога. Так же и в случае с котом, который по шкафу подобрался к датчику.

Чтобы исключить даже вероятность ваших волнений и напрасных выездов патрулей из-за срабатываний на животных, используйте новые датчики движения с фотоверификацией тревог MotionCam. При обнаружении движения они делают снимок или серию из 2-5 кадров. И вы и охранная компания точно знаете, что стало причиной тревоги: разыгравшийся питомец или проникнувший в дом грабитель.

Основные типы датчиков движения

Классификацией предусмотрено различие датчиков по типу применяемой в их работе длины волны. Датчики делят на:

Инфракрасные (ИК)

Чаще всего на рынке можно встретить именно эти датчики. Еще их называют пассивный инфракрасный детектор. Они не обнаруживают людей, объем, воздух и любые предметы, попадающие в поле зрения. Алгоритмы инфракрасного датчика позволяют осуществлять распознавание температуры тела, попадающего в поле его зрения. Инфракрасное излучение фокусируется на датчике особой оптической линзой, называемой линзой Френеля. Она концентрирует излучение на чувствительном полупроводниковом элементе. Температура определяемого тела должна быть выше, чем температура окружающей обстановки. Различие температур тела, попавшего в поле зрения датчика, и внешней среды способствует отклонению электрического потенциала от номинальных значений и обрабатывается чипом, установленным внутри датчика, по заранее настроенному алгоритму и инициирует запуск тревоги.

Чем больше линза в конкретно рассматриваемом устройстве, тем больше чувствительность датчика, а также шире зона его охвата. Чтобы датчик не реагировал на теплые, но статические объекты, оптическую систему делят на несколько отдельных лучей — зоны чувствительности датчика. Фиксация движения произойдет только в том случае, если подвижный объект будет пересекать последовательно более одной зоны. Передвижение с малой скоростью не всегда фиксируется датчиком.

Радиоволновые

Радиоволновой датчик движения функционирует по схожему алгоритму с ультразвуковым датчиком. Вместо звуковой частоты чип создает сверхвысокочастотное излучение, частота которого равна 2,5 ГГц. При появлении на участке распространения волны подвижного тела происходит изменение частоты и длинны волны, которое фиксируется приемником.

При этом прохождение радиоволн происходит без затруднений через не металлические конструкции. Им не мешают стены и мебель. Данный тип датчиков достаточно дорог. Их применяют для наблюдения за коммерческими крупными объектами.

Ультразвуковые (СВЧ)

В основе работы датчика движения ультразвукового типа лежит принцип звуковой локации. В них установлен специальный звуковой генератор, создающий колебания, частота которых равна от 20 до 40 Кгц. Такие звуки человек на слух не воспринимает, но, все звуковые волны, излученные источником, частично отражаются от поверхностей (часть поглощается) и возвращаются к источнику их излучения. В корпусе ультразвуковых датчиков установлен излучатель таких колебаний и микрофон, принимающий звуковой сигнал, отраженный от поверхностей. Излучатели приемника состоят из элементов пьезокерамики.

Согласно эффекту Доплера любой объект, попадающий в зону распространения потока распространения звуковых волн, искажает интерференционную картину. Когда происходит такой эффект частота отраженного от поверхности сигнала будет другой относительно излучаемой частоты — это и вызывает сработку датчика.

Комбинированные

Достаточно дорогие. Применяются во избежание ложных тревог. В один корпус производители устанавливают ИК и радиоволновой датчик. Такое решение ценится за высокую помехоустойчивость и надежность. При таком решении достигается минимальное количество ложных срабатываний.

Детекторы движения встроенные в камеры наблюдения (программные)

Датчик движения, установленный в камерах видеонаблюдения, никогда не заменит полноценную работу классических датчиков движения. Обнаружение движения происходит камерой на программном уровне. Видеокамера анализирует поток входящей информации, например, каждый пятый кадр и сопоставляет их. При резком изменении картинки камера понимает, что произошло движение. Такая реализация имеет место на существование, но даст больше ложных срабатываний, так как фиксацию движения камера может поймать даже при резком снижении уровня освещенности (выключение света). Настройки в камере поддаются корректировке, но это лишь частично исправляет ситуацию. Существует возможность выделения зон кадра, поиск движения в которых фиксироваться не будет. Это помогает лишь при попадании подвижного объекта в поле зрения кадра.

В чем заключается принцип работы радиоволнового датчика?

Радиоволновые детекторы работают по тому же принципу, что и ультразвуковые, с тем отличием, что микрочип в них генерирует волны с частотой 2,5 ГГц.

Если в зону распространения волны попадает физический предмет, то изменяется ее длина и частота, что регистрируется приемником.

Радиоволновые (или СВЧ) детекторы применяются реже инфракрасных. Одной из причин является то, что большинство строительных конструкций (бетонные стены, перекрытия) для них «прозрачны». Радиус действия таких датчиков выходит за пределы охраняемого объекта, что чревато многократными ложными срабатываниями.

Преимущество радиочастотных детекторов в их инертности к вредным воздействиям внешней среды и тепловому излучению.

При установке нескольких датчиков на одной площади нужно выбирать модели, работающие на разных частотах – те, что генерируют одинаковые по длине волны, будут создавать помехи для друг друга.

К минусам СВЧ детекторов можно отнести их стоимость – цена таких устройств в 1,5-2 раза выше, чем у инфракрасных аналогов.

Хаотичная работа — самопроизвольное включение/выключение

Если датчик ложно срабатывает без видимых на то причин (например, днем сам по себе включается свет, мигает или не гаснет лампочка по истечении заданного времени), стоит проверить конструкцию. Такие проблемы свойственны опять же дешевым моделям. Они могут хаотично срабатывать, или реагировать исключительно на небольшое расстояние или только на большие объекты. Причем снижение работоспособности может наблюдаться по истечении определенного времени — например, нескольких лет работы.

Они сами по себе со временем могут теряют дальность восприятия — если в начале срока службы это 5 м, то через два года она может сократиться до 3-4 м. Также со временем линза может помутнеть и плохо «видеть» объекты, и фоточувствительный элемент может неправильно воспринимать уровень освещенности.

Если он работает в паре со светильником, то виной хаотичного включения света или мерцания может быть даже лампочка. Лучше всего использовать светодиодные лампы, так как они не чувствительны к перепадам напряжения и загораются моментально. КЛМ могут мигать и плохо работать на улице.

Проверьте и исключите все перечисленные выше возможные причины. Если прожектор с датчиком движения так и не включается — единственным правильным решением будет замена датчика (или конструкции целиком). Можно выбрать недорогой, но качественный прибор и не печалиться.

Достоинства и недостатки инфракрасного датчика движения

Популярность ИК-моделей обусловлена их преимуществами:

• устройство работает как внутри здания, так и снаружи;
• угол наблюдения и дальность можно довольно точно регулировать;
• ИК-датчик, особенно пассивного типа, безопасен для здоровья, работа системы охраны не пугает домашних животных;
• низкая стоимость;
• обширный ассортимент: выпускаются приборы в напольном и настенном исполнении, аналоговые, цифровые, и прочее.

• при попадании прямых солнечных лучей чувствительность падает – при выборе места установки это надо учитывать;
• при близком размещении кондиционера или обогревателя возникают существенные помехи;
• стекло блокирует прохождение сигнала, так появляются слепые зоны, которыми может воспользоваться злоумышленник;
• синдром паутинки – опутанный паутиной датчик срабатывает постоянно.

Единственный датчик движения не гарантирует безопасность помещения. Однако в качестве элемента системы защиты ИК-устройства незаменимы. Для загородного дома или квартиры такие устройства предпочтительнее.

Какие серии ИК-датчиков движения Legrand предлагаются потребителям?

Legrand Valena. Это яркие и современные устройства, которые входят в состав самой востребованной серии на рынке РФ. Они имеют строгие квадратные формы и великолепно впишутся в любой современный дизайн. Потребителям предлагаются датчики движения совместно с выключателями, которые на некоторых моделях могут быть принудительно включены/выключены для удобства владельцев. Популярные цвета: алюминий, белый, слоновая кость. Рамку к каждому датчику можно подобрать отдельно. Могут иметь углы обнаружения 130, 180 градусов и т.д. Регулируемая задержка (отключение) может составлять от 1-ой секунды до 16-ти минут и др.

Legrand Celiane. Это датчики, относящиеся к самому элитному сегменту электроизделий, «премиум-классу». Высокотехнологичные, с необычными округлыми формами, они будут прекрасно смотреться в самом эксклюзивном и изысканном интерьере. Задержка отключения от 1-ой секунды до 16-ти минут. Многие модели могут отключаться. Обычно контролируемая зона (длина луча) этих датчиков от трех до десяти метров. Цвета: слоновая кость, титан, графит, белый.

Legrand Plexo. Изделия данной серии отличаются способом монтажа (накладной) и высокой степенью влагозащищенности. Они идеальны для использования в загородных домах или иных местах, где внутренняя прокладка электропроводки затруднена. Рабочее расстояние (основные параметры) — до 12-ти метров. Имеют отличную степень защиты — IP55, многие модели могут использоваться вместо выключателя (однополюсного). Распространенные углы обнаружения — 130 и 360 градусов. Цветовые тона: серый, белый.

Legrand Mosaic. Это наиболее высокотехнологичная и современная серия. Датчики движения Mosaic могут быть составной частью большого комплекса «Умного дома». Они могут работать как с одним светильником, так и с более крупными системами освещения и имеют рабочую дальность от 1-ого до 10-ти метров, а также могут регулировать уровень света. При этом устройства работают с ДУ-выключателем. Датчики Mosaic обладают автоматической встроенной защитой от возможных коротких замыканий и перегрузок. Цветовые тона: алюминий, белый.

Legrand Etika. Это самая новая серия. Она известна стильным и красивым дизайном, множеством расцветок и инновационными разработками, удобно и легко монтируется, а также обладает высокой прочностью и надежностью. Многие датчики движения данной серии имеют опцию плавного включения-отключения нагрузки и механизм отключения (принудительного) устройства владельцем. Обычно данные приборы предлагаются потребителям без нейтрали. Цвета: алюминий, слоновая кость, антрацит, белый.

Legrand Galea Life. Эта серия известна массой цветовых решений, оригинальным видом, технологичностью и долговечностью. Она создана для наиболее оригинальных и элитных интерьеров. Датчики движения, относящиеся к Galea Life, обычно предлагаются без централи. Многие их модели имеют регулировку длины луча и могут отключаться владельцем. Цвета: алюминий, бронза темная, белый, титан. Кроме того, к датчикам и другим механизмам Galea Life предлагается внушительная коллекция рамок из самых экзотических материалов .

Принцип работы датчика движения

Фотоэлемент + тепловой фон. Датчик движения довольно «умен»: по комнате люди движутся и днем, но свет он зажигает лишь по вечерам. Дело в том, что в приборе имеется фотоэлемент, благодаря которому он срабатывает только в темное время суток. Кроме того, современные модели реагируют на изменение теплового фона. Датчики движения для освещения состоят из пассивного детектора инфракрасного излучения и электронного выключателя. Если тепловой фон меняется, то датчик срабатывает. Причем реагирует прибор только, если тепловая среда меняется, то есть источник тепла приходит в движение. Если же объект статичен (человек уснул) — датчик выключается.

Подальше от батарей! Не рекомендуется монтировать датчики движения вблизи отопительных приборов: от них поднимаются волны теплого воздуха (т.н. конвекция). В результате может произойти ложное срабатывание прибора.

Автоматически или вручную? Некоторые датчики работают исключительно в автоматическом режиме, в других есть опция переключения на ручной режим. Как правило, пользователь имеет возможность сам настроить размеры теплового объекта, на который должен реагировать датчик, время срабатывания и время задержки перед выключением, уровень освещенности.

• 1 из 1

На фото:

Бесконтактные смесители. Датчики движения используются не только в светильниках, но и в смесителях. К бесконтактным смесителям достаточно лишь поднести руки, и вода сама начинает течь из крана. Подобная технология призвана экономить воду – как дома, так и в общественных местах.

На фото: Смеситель 38119000 / 38120000 от Axor.