Пассивные ик извещатели. Модули Arduino

Среди большого многообразия охранных извещателей, инфракрасный датчик движения является самым распространенным устройством. Доступная цена и эффективность, вот качества, обеспечившие им популярность. А все благодаря тому, что в начале девятнадцатого века обнаружили инфракрасное излучение.

Оно находится за границей видимого красного света в диапазоне 0,74-2000 мкм. Оптические свойства веществ сильно различаются и зависят от типа облучения. Небольшой слой воды является непрозрачным для ИК излучения. Инфракрасное излучение солнца составляет 50 процентов всей излучаемой энергии.

Область применения

Инфракрасные датчики движения для охраны применяются давно. Они фиксировали перемещения теплых объектов в помещениях, и передавали сигнал тревоги на контрольную панель. Их стали совмещать с видеокамерами и фотоаппаратами. При нарушении происходила фиксация происшествия. Потом область применения расширилась. Зоологи стали применять в фотоловушках для контроля исследуемых животных.

Больше всего ИК датчики применяются в системе умный дом, где играют роль сенсора присутствия. При попадании теплокровного объекта в область действия устройства, оно включает освещение в помещении или на улице. Экономится электричество и облегчается жизнь людям.

В системах контроля доступа извещатели движения управляют открыванием и закрыванием дверей общественных сооружений. По расчетам экспертов рынок ИК сенсоров будет расти на 20% ежегодно ближайшие 3-5 лет.

Принцип работы ИК датчика движения

Работа ИК извещателя заключается в контроле инфракрасного излучения определенной области, сравнении его с фоновым уровнем, и по результатам анализа выдачи сообщения.

ИК датчики движения для охраны используют активные и пассивные виды сенсоров. Первые для контроля используют собственный передатчик, облучающие все в зоне действия устройства. Приемник получает отраженную часть ИК излучения и по его характеристикам определяет, было нарушение зоны охраны или нет. Активные датчики бывают комбинированного типа, когда принимающие и передающие блоки разделены, это извещатели контролирующие периметр объекта. Имеют большую дальность действия по сравнению с пассивными устройствами.

Пассивный инфракрасный датчик движения не имеет излучателя, он реагирует на изменение окружающего ИК излучения. В общем случае, извещатель имеет два чувствительных элемента, способных фиксировать инфракрасное излучение. Перед сенсорами устанавливается линза Френеля, разбивающая пространство на несколько десятков зон.

Маленькая линза собирает излучение с конкретного участка пространства и посылает на свой чувствительный элемент. Соседняя линза, контролирующая смежный участок посылает поток излучения на второй сенсор. Излучения соседних участков примерно одинаковы. При нарушении баланса, превышении какого-то порогового значения, прибор извещает контрольную панель о нарушении зоны охраны.

Схема ИК датчика

Каждый производитель имеет уникальную принципиальную схему ИК извещателя, но функционально они примерно одинаковы.

ИК датчик имеет оптическую систему, пирочувствительный элемент, блок обработки сигналов.

Оптическая система

Рабочая область современных датчиков движения весьма разнообразна благодаря различным формам оптической системы. От устройства расходятся лучи в радиальном направлении в различных плоскостях.

Так как извещатель имеет сдвоенный сенсор, то все лучи раздваиваются.

Оптическая система ориентируется таким образом, что будет контролировать только одну плоскость или несколько плоскостей на разных уровнях. Может контролировать пространство вкруговую или по лучу.

При построении оптики ИК-датчиков часто используются линзы Френеля, представляющих множество призматических фасеток на выпуклой пластиковой чашке. Каждая линза собирает ИК поток со своего участка пространства и отправляет на ПИР элемент.

Конструкция оптической системы такова, что избирательность по всем линзам одинакова. Чтобы защититься от собственного тепла элементов, насекомых в устройстве устанавливается герметичная камера. Редко используется зеркальная оптика. Это значительно повышает дальность действия устройства и цену прибора.

Пирочувствительный элемент

Роль сенсора в ИК датчике играет пироэлектрический преобразователь на чувствительных полупроводниковых элементах. Он состоит из двух сенсоров. На каждый из них от двух соседних лучей поступает поток излучения. При одинаковом равномерном фоне сенсор молчит. При возникновении дисбаланса, в одной зоне появляется дополнительный источник тепла, а в другой нет, сенсор срабатывает.

Для повышения надежности и уменьшения ложных срабатываний в последнее время стали применять счетверенные ПИР элементы. Это увеличило чувствительность и помехозащищенность прибора. Но уменьшило расстояние уверенного распознавания нарушителя. Для решения этого приходится использовать прецизионную оптику.

Блок обработки сигналов

Главной задачей блока является надежное распознавание человека на фоне помех.

Они бывают самые разнообразные:

1. солнечное излучение;
2. искусственные ИК источники;
3. кондиционеры и холодильники;
4. животные;
5. конвекция воздуха;
6. электромагнитные помехи;
7. вибрация.

Блок обработки для анализа использует амплитуду, форму и длительность выходного сигнала пироэлектрического преобразователя. Воздействие нарушителя вызывает симметричный двухполярный сигнал. Помехи выдают несимметричные значения на обрабатывающий модуль. В простейшем варианте сравнивается амплитуда сигнала с пороговым значением.

При превышении порога извещатель сообщает об этом, подавая определенный сигнал на контрольную панель. В более сложных датчиках измеряется длительность превышения порога, количество этих превышений. Для повышения помехозащищенности прибора используется автоматическая термокомпенсация. Она обеспечивает постоянную чувствительность во всем диапазоне температур.

Обработка сигнала осуществляется аналоговыми и цифровыми устройствами. В новейших устройствах начали применять цифровые алгоритмы обработки сигнала, что позволило улучшить избирательность прибора.

Эффективность использования ИК извещателя в охранной сигнализации

От правильности выбора вида сенсора, расположения на объекте охраны во многом зависит его эффективность. Пассивные ИК датчики движения уличные и внутреннего применения реагируют на перемещения теплых по сравнению с фоном объектов при определенных скоростях перемещения. При маленькой скорости движения, изменения потоков инфракрасного излучения в соседних секторах настолько незначительны, что он воспринимается, как фоновый дрейф, и не реагирует на нарушение зоны охраны.

Если нарушитель облачится в защитный костюм с отличной теплоизоляцией, то ИК датчик движения не отреагирует, не будет нарушения баланса излучения в соседних зонах. Человек сольется с фоновым излучением.

Нарушитель двигается вдоль лучей извещателя движения с малой скоростью, в этом случае он нередко молчит.

Изменения потоков оказываются недостаточными для срабатывания устройства. Особенно свойственно извещателям с функцией защиты от животных. В них уменьшают чувствительность, чтобы избежать реакции на появления домашних питомцев.

Важно правильно установить инфракрасный датчик. Требуется по конфигурации здания применять устройство типа «шторка», следует так и делать. Производитель рекомендует монтаж прибора на определенной высоте, надо соблюсти и это.

Для повышения эффективности работы инфракрасных датчиков их применяют совместно с сенсорами, работающими на других принципах.

Обычно, дополнительно придается радиоволновой извещатель с высокой чувствительностью, что снижает процент ложных срабатываний и повышает надежность охранной сигнализации. При защите окон от проникновения дополнительно устанавливается ультразвуковой извещатель, реагирующий на разбитие стекла.

Заключение

Постепенно ИК датчики усложняются, повышается их чувствительность, улучшается избирательность. Сенсоры находят широкое распространение в системах «умный дом», видеонаблюдения, контроль доступа. Совместное использование с различными устройствами повысило потребительские свойства датчиков. Им уготована долгая жизнь.

Видео: Датчик движения, принцип работы

Как обмануть ИК-детектор
Изначальный недостаток ИК-пассивного метода обнаружения движения: человек должен явно отличаться по температуре от окружающих предметов. При температуре в комнате 36,6º никакой детектор не отличит человека от стен и мебели. Хуже того: чем ближе температура в комнате к 36,6º, тем хуже чувствительность детектора. Большинство современных устройств частично компенсируют этот эффект, повышая усиление при температурах от 30º до 45º (да, детекторы успешно работают и при обратном перепаде – если в комнате +60º, детектор легко обнаружит человека, благодаря системе терморегуляции человеческий организм сохранит температуру около 37º). Так вот при температуре на улице около 36º (что часто встречается в южных странах) детекторы очень плохо открывают двери, либо, наоборот, из-за предельно поднятой чувствительности реагируют на малейшее дуновение ветра.
Более того, от ИК-детектора легко загородиться любым предметом комнатной температуры (листом картона) или надеть толстую шубу и шапку, чтобы не высовывались руки и лицо, и, если ходить достаточно медленно, ИК-детектор не заметит столь маленьких и медленных возмущений.
В интернете ходят и более экзотические рекомендации, типа мощной ИК-лампы, которая, если ее медленно включить (обычным диммером), загонит ИК-детектор в зашкал, после чего перед ним даже без шубы можно ходить. Тут, правда, следует отметить, что хорошие ИК-детекторы в таком случае выдадут сигнал неисправности.
Наконец, наиболее известная проблема ИК-детекторов – маскирование. Когда система снята с охраны, днем в рабочие часы, вы как посетитель приходите в нужное помещение (в магазин, например) и, поймав момент, пока никто не смотрит, загораживаете ИК-детектор бумажкой, заклеиваете непрозрачной самоклеющейся пленкой или заливаете краской из баллончика. Особенно это удобно человеку, который сам там работает. Кладовщик днем аккуратно загородил детектор, ночью влез в окно, все вынес, а потом убрал все и вызвал милицию – ужас, обокрали, а сигнализация не сработала.
Для защиты от такого маскирования существуют следующие технические приемы.
1. В совмещенных (ИК + микроволновый) датчиках есть возможность выдать сигнал неисправности, если микроволновый датчик обнаружил большой отраженный радиосигнал (кто-то подошел очень близко или протянул руку непосредственно к извещателю), а ИК-датчик при этом перестал выдавать сигналы. В большинстве случаев в реальной жизни это означает вовсе не злой умысел преступника, а халатность персонала – например, высокий штабель ящиков загородил извещатель. Впрочем, вне зависимости от злого умысла если извещатель загородили, это непорядок, и такой сигнал «неисправность» очень уместен.
2. В некоторых приборах приемно-контрольных есть алгоритм контроля, когда после снятия извещателя с охраны он обнаруживает движение. То есть отсутствие сигнала считается неисправностью, пока кто-то не пройдет перед датчиком и он не выдаст нормальный сигнал «есть движение». Эта функция не очень удобна, ведь нередко снимают с охраны все помещения, даже те, в которые сегодня никто входить не собирается, а получится, что вечером, чтобы поставить помещения снова на охрану, придется зайти во все комнаты, где никого днем не было, и помахать руками перед датчиками – ППК убедится, что датчики работоспособны, и милостиво разрешит поставить систему на охрану.
3. Наконец, есть функция под названием «ближняя зона», которая однажды была включена в требования отечественного ГОСТа и которую нередко ошибочно называют «антимаскинг». Суть идеи: у извещателя должен быть дополнительный датчик, глядящий прямо вниз, под извещатель, или отдельное зеркало, или специальная хитрая линза, в общем, чтобы не было мертвой зоны внизу. (Большинство извещателей имеют ограниченный угол обзора и в основном смотрят вперед и градусов 60 вниз, так что непосредственно под извещателем есть небольшая мертвая зона, на уровне пола примерно метр от стены.) Считается, что хитрый враг как-то сможет попасть в эту мертвую зону и оттуда загородить (замаскировать) линзу ИК-датчика, а потом уже нагло ходить по всей комнате. В реальности извещатель обычно устанавливают так, что в эту мертвую зону нет никакой возможности попасть, минуя области чувствительности датчика. Ну разве что сквозь стену, но против преступников, проникающих сквозь стену, не помогут дополнительные линзы.

Радиопомехи и прочие помехи
Как я уже говорил, ИК-датчик работает близко к пределу чувствительности, особенно при температуре в помещении, приближающейся к 35º С. Конечно, при этом он весьма подвержен влиянию помех. Большинство ИК-извещателей могут выдать ложную тревогу, если рядом с ними положить сотовый телефон и позвонить на него. На этапе установления связи телефон выдает мощные периодические сигналы с периодом, близким к 1 Гц (именно в этом диапазоне лежат типичные сигналы от человека, идущего перед ИК-датчиком). Несколько ватт радиоизлучения вполне сопоставимы с микроваттами теплового излучения человека.
Помимо радиоизлучения могут быть и оптические помехи, хотя линза ИК-датчика, как правило, непрозрачна в видимом диапазоне, но мощные лампы или 100 Вт автомобильные фары в соседнем спектральном диапазоне опять же вполне могут дать сигнал, сравнимый с микроваттами от человека в нужном диапазоне. Основная надежда при этом на то, что посторонние оптические помехи, как правило, плохо фокусируются и потому одинаково воздействуют на оба чувствительных элемента ИК-датчика, таким образом, извещатель может обнаружить помеху и не выдать ложный сигнал тревоги.

Пути совершенствования ИК-датчиков
Уже лет десять почти все охранные ИК-извещатели содержат достаточно мощный микропроцессор и потому стали менее подвержены воздействию случайных помех. Извещатели могут анализировать повторяемость и характерные параметры сигнала, долговременную стабильность фонового уровня сигнала, что позволило существенно повысить устойчивость к помехам.
ИК-датчики, в принципе, беззащитны против преступников за непрозрачными экранами, зато подвержены влиянию тепловых потоков от климатического оборудования и посторонней засветке (через окно). Микроволновые (радио) датчики движения, наоборот, способны выдавать ложные сигналы, обнаруживая движение за радиопрозрачными стенами, вне защищаемого помещения. Они также более подвержены влиянию радиопомех. Совмещенные ИК + микроволновые извещатели могут использоваться как по схеме «И», что значительно снижает вероятность ложных тревог, так и по схеме «ИЛИ» для особо ответственных помещений, что практически исключает возможность их преодоления.
ИК-датчики не могут отличить маленького человека от большой собаки. Существует ряд датчиков, в которых значительно снижена чувствительность к движениям небольших объектов за счет применения 4-площадочных сенсоров и специальных линз. Сигнал от высокого человека и от низкой собаки в таком случае можно с некоторой вероятностью различить. Надо хорошо понимать, что стопроцентно отличить пригнувшегося подростка от вставшего на задние лапы ротвейлера, в принципе, невозможно. Но тем не менее вероятность ложной тревоги может быть существенно снижена.
Несколько лет назад появились еще более сложные сенсоры – с 64 чувствительными площадками. Фактически это простой тепловизор с матрицей 8 х 8 элементов. Оснащенные мощным процессором, такие (обозвать их «извещатель» совсем язык не поворачивается) способны определять размер и расстояние до движущейся теплой цели, скорость и направление ее движения – еще лет 10 назад такие сенсоры считались верхом технологии для самонаводящихся ракет, а теперь применяются для защиты от банальных воров. Видимо, скоро ИК-датчиком мы привыкнем называть небольших роботов, которые разбудят вас ночью словами: «Извините, сэр, но воры, сэр, они хотят чаю. Должен ли я подать им чаю сейчас или попросить подождать, пока вы умоетесь и возьмете ваш револьвер?»

Датчик движения – устройство, позволяющее идентифицировать любые перемещения в зоне ответственности. В качестве ответного сигнала обычно используется логический уровень цифровой электроники. В результате становится возможным определять наличие движения в рамках систем сигнализации, освещения, автоматического управления дверьми и пр.

Разновидности и принцип действия датчиков движения

Пассивные инфракрасные датчики движения

В отечественной литературе чаще речь заходит о пассивных инфракрасных датчиках движения (PIR). У указанной категории продукции отмечается ряд недостатков. Обычно пассивный инфракрасный датчик работает на основе пироэлектрического эффекта: на расстоянии чувствует тепло. Разработчики, как правило, подгадывают под температуру человеческого тела и ловят волны среднего инфракрасного диапазона в районе 10 мкм. Это намного ниже, нежели видимое излучение, вспоминается фильм с участием великого Арни и охоту на Хищника. У пришельца сенсорная система реагировала на волны теплового диапазона.

По указанной причине пассивный инфракрасный датчик возможно обмануть. Подобные в серьёзных системах сигнализации не используются. Пироэлектрический датчик движения содержит в составе кристалл, преобразующий указанную длину волны в электрический заряд. Для устранения помех на входе стоит фильтр в виде линзы из силикона. Он сильно ограничивает спектр входящих излучений, к примеру, от 7 до 15 мкм, снижая уровень внешних помех.

Как правило, система состоит из двух частей, чтобы регистрировать одновременно внешний фон. Окно чипа, пропускающее излучение, разбивается на две эквивалентные части, каждая смотрит в сторону относительно центра. В результате, если в поле зрения окна окажется движущееся теплое тело, разница немедленно станет очевидной. Разработчики уверяют, благодаря линзам Френеля для получения отклика хватит мощности порядка 1 мкВт. В свете изложенного большинство пассивных инфракрасных датчиков движения требует времени не обучение. В течение недолгого периода в поле зрения линз не должно попадать перемещающихся объектов.

Период длится до минуты, потом датчиком движения допустимо пользоваться. Принцип передачи сигнала разнится. Как правило, производитель в рамках серии микросхем выпускает сенсор и соответствующий многофункциональный контроллер, с задачами работы с сопутствующим типом аппаратуры. Это делает возможным создание сложных систем. Уровень соответствует, к примеру, логической единице КМОП, либо выдаёт серию импульсов указанной частоты. Известны пассивные инфракрасные сенсоры, с возможностью настройки указанного параметра, что делает микросхемы более гибкими.

Внутри стоит усилитель для формирования нужного отклика. Это требует подведения питания извне. Схема разъёма предельно проста:

1. Ножка питания.
2. Заземление (схемный нуль).
3. Выход информационного сигнала.

Недостатки пассивных инфракрасных датчиков движения

Любой человек, сведущий в электронике, осознает недостатки описанных выше сенсоров: излучение легко экранируется. Достаточно в поле зрения датчика поместить сплошной предмет, чтобы нарушить работоспособность системы. Тепловое излучение перестанет достигать чувствительного элемента. Одетый человек, к примеру, формирует гораздо меньший отклик.

Вдобавок ограничена дальность действия. Определяется чувствительностью элемента и силой теплового излучения объекта. В большинстве случаев — считанные метры, что накладывает ограничения на использование.

Большое значение носит температура среды, по мере её снижения температурная картина начнёт опускаться по шкале частот, искажая чувствительность датчика. Спорным считается вариант, когда первое окно сенсора смотрит на улицу, а второе – в помещение. Приходится ориентироваться на рекомендации производителя по условиям применения.

Лазерные прерыватели

Лазерные датчики известны в фильмах про денежные банки. Это методика фиксации движения на прямой. Друг напротив друга ставятся источник и приёмник излучения. При попадании между ними предмета вырабатывается сигнал тревоги. Лазер порой невидимый, использование специальных баллончиков с газом, светящимся под действием инфракрасных или ультрафиолетовых лучей, не выдумка кинематографистов. Явление люминесценции используется для определения местоположения невидимых трасс.

По мере роста длины волны направленные свойства излучения резко падают, радиодиапазоны в качестве лучей уже не применяются. Что касается высоких частот, способных проходить сквозь препятствия, как рентген, они для использования не годятся по понятным причинам.

Сенсоры на эффекте Допплера

В группу относят раздельно два семейства: ультразвуковые и микроволновые сенсоры движения. Принцип действия основан на едином эффекте. Допплер открыл явление в 1842 году, наблюдая системы двойных звёзд и прочие небесные тела. Тремя годами позже Бёйс-Баллот доказал, что смещение спектра наблюдается и для источников звука.

Каждый житель столицы и обитатели других крупных городов замечали, что гудок приближающейся электрички более высокий, нежели удаляющейся. Таким образом, человек, мало-мальски одарённый музыкально, способен определить, подходит поезд к платформе либо убегает. Это эффект Допплера: любая волна, излучаемая объектом, воспринимается неподвижным наблюдателем сообразно взаимной скорости перемещения. От скорости зависит величина смещения в спектре.

Удаляющаяся звезда кажется чуть холоднее, чем в действительности: спектр сдвинется вниз по шкале частот. Наоборот – цвет приближающейся выглядит теплее. Подобный эффект наблюдается в любом диапазоне: радио, звуковом и прочих. Читатели уже догадались, как работают датчики на эффекте Допплера. В эфир излучается колебание ультразвука или радиочастоты, ловится отклик. При наличии движущихся объектов картина меняется коренным образом: вместо однородной излучённой волны принимается целый сонм отличных по частоте от исходной.

Плюс метода: излучение легко огибает препятствия или проходит сквозь. Но движение фиксируется в отношении любых объектов, включая неживые. Температура тела значения не имеет. От частоты излучения зависят особенности работы системы. К примеру, радиодиапазон по большей части запрещён для использования. Оставлены небольшие окна, редактируемые специальным государственным комитетом. Ультразвук ограничений не имеет, но вреден для человеческого слуха (пусть не ощущается непосредственно). К примеру, отпугиватели для собак и тараканов функционируют в указанном диапазоне.

Итак, ультразвуковые и радиочастотные датчики движения заэкранировать намного сложнее.

Томографические сенсоры движения

Слово напоминает медицинское оборудование, по словам разработчиков, означает наличие в системе сетки из активных передатчиков. Комплекс работает в разрешённом диапазоне 2,4 Гц, где функционируют модемы WiFi, микроволновые печи и ряд устройств. Что немедленно накладывает ограничения: в поле зрения системы полагается ограничить употребление перечисленных выше изделий.

Эффект основан на общеизвестном поглощении излучения частоты 2,4 Гц молекулами воды. В тело живого существа самая распространённая жидкость на планете входит с избытком, делая возможным построение картины внутри помещения. Волны 2,4 Гц сравнительно легко проходят через стены, удается покрыть относительно большие площади сложной конфигурации. На местности монтируется сеть приёмопередатчиков, наподобие точек доступа WiFi.

Сложная компьютерная система анализирует распределение поля. Подразумевается этап обучения, когда оцениваются условия распространения волн в конкретно взятом помещении. В дальнейшем по специальным алгоритмам система способна указать местоположение любых тел в пространстве. Удаётся засечь и неподвижные живые тела. Когда биологическая форма жизни попадает в область действия волн, сила их начинает затухать по определённым законам. Энергия переходит в тепло, как происходит в микроволновой печи. В результате становится возможным выработать сигнал тревоги.

Излучатели не опасны для человека, а рабочая мощность нормируется согласно законодательству. Местному администратору предлагается, начиная с некоторого размера, систему зарегистрировать в установленном порядке. Сенсоры дороже прочих из представленных в обзоре. Допплеровские тоже стоят немало.

Видеокамеры в качестве датчиков

Сегодня большая часть цифровых видеокамер обнаруживает опцию фиксации движения. Появляется возможность записи сигнала на регистратор, подача тревоги в установленном порядке. Датчика вполне хватит для нужд организации. Процесс регистрации, начало и окончание фиксации событий определяется возможностями отдельно взятого оборудования.

Большой плюс системы в возможности действовать в автоматическом режиме и в шансе записать противоправные действия в случае необходимости. Единственным препятствием считается закон о частной жизни граждан. Предлагается чётко отличать противоправные действия от прочих. И не распространять полученные сведения в обход закона.

Для работы в темноте используются регистраторы инфракрасного диапазона с непременной подсветкой окружающего пейзажа. В интернете найдутся руководства, где предлагается изготовить инфракрасный регистратор из видоискателя камеры для ночной съёмки. Подсветка собирается на базе обычных диодов инфракрасного диапазона. Дальность съёмки в этом случае сильно зависит от мощности инфракрасных лучей. С целью усиления рекомендуется применять рефлекторы.

Использование датчиков движения

Часто применение датчиков движения наталкивается на определённые ограничения. Пассивные инфракрасные сенсоры в этом плане простейшие, их применение ничем не нормируется. Где начинаются ультразвук и радиоволны — предлагается тщательно просчитать последствия. Лазеры небезопасны, предупреждающая табличка на лазерном принтере не шутка. Когерентное излучение прожигает сетчатку не хуже бумаги, становясь причиной серьёзной травмы.

Тесно связаны с датчиками движения системы определения наличия дыма в помещении. В этом случае используются явления изменения условий прохождения излучения, плюс эффект Допплера. Чисто химические методики достаточно редки.

Датчики движения применяются в системах:

• сигнализации и охраны;
• управления дверьми;
• развлекательных комплексов;
• иллюминации.

Спектр применения зависит только от фантазии авторов, поэтому зарубежные производители и выпускают интегральные системы с возможностью встраивания их в более сложные. Так, для покрытия некоторой площади, допустимо набирать набор датчиков подобно конструктору. Наибольшей гибкостью в этом плане обладают томографические системы, но и стоят дороже. Простейшие инфракрасные сенсоры больше годятся для управления единичными объектами, допустим, дверями.