Realizarea unei aplicații cu ajutorul unui Senzor Infraroșu Pasiv [310143]

Universitatea “Politehnica” [anonimizat], Optoelectronică și Nanotehnologii

Conducători științifici Absolvent: [anonimizat]. Paul ȘCHIOPU Mădălina Florina Ionescu

ș.l. dr.ing Andrei DRĂGULINESCU

2016

Listă figuri

Figura 1.1 Principiul general de funcționare al unui senzor PIR [1] 17

Figura 1.2 Lungimea de undă [2] 20

Figura 1.3 Distribuția zonelor de detecție sub diferite unghiuri [1] 21

Figura 2.1 Spectrul tuturor radiaților electromagnetice răspândite din raze y la unde radio[4] 24

Figura 2.2 Dependența emisivității funcție de lungimea de undă[4] 26

Figura 2.2 a Emisivitatea pentru nemetale [4]……..……………………………………………….……26

Figura 2.2b Emisivitatea pentru metale lucioase [4]……………………………………………………..26

Figura 2.3 Senzor diferențial [4] 28

Figura 2.4 Circuit – senzor diferențial 29

Figura 2.5 Detector de mișcare prin IR folosind lentile curbate [4] 29

Figura 2.6 Realizarea imaginii termice pe elementul de detecție a detectorului de mișcare PIR [4] 30

Figura 2.7 Schemă bloc pentru dispozitiv cu senzor PIR[5] 33

Figura 2.8 Formarea lentilei Fresnel [6] 33

Figura 2.9 Senzorul PIR și circuitul echivalent al acestuia [7] 34

Figura 2.10 Răspunsul filtrului IR [7] 34

Figura 2.11 Transformarea semnalului IR în semnal electric [8] 36

Figura 2.12 Exemplu de instalare a senzorului PIR [9] 37

Figura 3.1 Senzor bazat pe efectul Doppler [12] 40

Figura 3.2 Construcția structurii deschise a senzorului cu ultrasunete [13] 42

Figura 3.3 Constructia unui senzor de tip încapsulat [13] 42

Figura 3.4 Tipuri de senzori [15] 44

Figura 3.5 Gama tipică de acoperire a senzorilor PIR și cu ultrasunete [17] 45

Figura 4.1 Pinii „microcontrollerului” ATmega 328 [20] 48

Figura 4.2 Modulul GSM [24] 49

Figura 4.3 Modul GSM cu antena [22] 49

Figura 4.4 Senzor PIR GH-718C 50

Figura 4.5 Schema de conectare a LED-ului și a tranzistorului 50

Figura 4.6 Ecranul sistemului de detecție a mișcării 51

Figura 4.7 Circuitul utilizat pentru transformarea tensiunii alimentatorului de 9V în tensiune de 5V cu ajutorul stabilizatorului LM7805 52

Figura 4.8 Sursă de alimentare în comutație utilizată pentru alimentarea modulului GSM [23] 52

Figura 4.9 Diagrama de conectare a modulelor componente 53

Figura 4.10 Montajul expermimental 53

Figura 4.11 Folosirea plăcii de dezvoltare ARDUINO pentru programarea „microcontrollerului” [24] 54

Figura 4.12 Modul de conectare al interfeței seriale FT232RL la ATmega 328 55

Figura 4.13 Conectarea senzorului PIR la ATmega 328 56

Figura 4.14 Modul de conectare al fotorezistorului la pinul A3 56

Figura 5.1 Sistemul utilizat pentru măsurarea intensității luminoase 61

Figura 5.2 Sistemul de măsură al intensității luminoase atunci când sursa de lumină este un bec 62

Figura 5.3 Sistemul de măsură al intensității luminoase atunci când nu există sursa de lumină 63

Figura 5.4 Sistemul de măsură al intensității luminoase atunci când sursă de lumină este naturală 64

Figura 5.5 Măsurarea consumului de curent al sistemului de detecție 65

Figura A.1 Schema electronică a sistemului utilizat pentru dezvoltarea aplicației de detecție cu ajutorul senzorului PIR 71

Figura A.2 PCB-ul sistemului utilizat pentru dezvoltarea aplicației de detecție cu ajutorul senzorului PIR 71

Listă tabele

Tabel 3.1 Senzor de mișcare vs. Senzor de prezență 45

Listă acronime

ADC – Convertor analog digital

AVR ISP – „Advanced Virtual RISC in- system programmer”

BAT – Baterie

Convertor AC-DC – transformă curentul alternativ în curent continuu

DTR – „Data Terminal Ready” face referire la semnalul de control în comunicația serială

FIR – „Far-infrared“, Infraroșu îndepărtat

Ft. – Foot, 40 feet = 12,2 m, echivalent cu a spune că 40 de picioare corespund unei distanțe de 12.2 m

FTDI – „Future Technology Devices International”

GND – „Ground”, se referă la punctul de masă al circuitului

GSM – „General System for Mobile Communications” – Sistemul General utilizat pentru comunicarea la distanță cu ajutorul cartelei de telefonie mobilă

HDP – „High-density polyethylene“, polietilenă cu densitate mare

ICSP – „In Circuit Serial Programming”

IDE – „Interactive Development Environment”, interfața cu utilizatorul

IR – Infraroșu

LCD – „Liquid Crystal Display”, afișaj cu cristale lichide

LED – Diodă emițătoare de lumină

LWIR – „Long-wavelength infrared“, Domeniul infraroșu cu lungimea de undă mare

Lx- Lux

MISO – „Master in Slave Out”, se referă la faptul că „Slave-ul” este folosit pentru transmiterea datelor către „Master”

MOSI – „Master Out Slave In”, „Master-ul” este utilizat pentru trimiterea datelor către elementele auxiliare din circuit

MWIR – „Mid-wavelength infrared“,Domeniul infraroșu cu lungimea de undă medie

NC – „Not Connected”, se referă la faptul că pinul respectiv nu trebuie conectat în circuit

NIR – „Near Infrared“, Infraroșu apropiat

PC – Calculator personal

PIR – Infraroșu pasiv

PVF – Fluorură de viniliden

PVDF – Polimer de fluorură de poliviniliden

PWM – „Pulse Width Modulation”, face referire la modulația impulsurilor în lățime

PWR – „ Power”, face referire starea de pornit/ oprit a modului GSM

RADAR – „Radio Detection And Ranging”, se referă la detectare prin radar și determinarea distanței

RI – „Ring Indicator”

RISC – „Reduced Instruction Set Computer“, Set redus de instrucțiuni

Rx – pinul de recepție

RS – „Register Select” – se referă la faptul că în funcție de valoarea pe care o are acest registru este vorba fie de instrucțiuni, fie de date

SCK – „Serial Clock” – Impulsul de ceas care este sincronizat cu datele generate de “Master”

SMS – „Short Message Service” – mesaje scurte, se referă la serviciul de transmitere a mesajelor cu un număr de caractere redus pe telefonul mobil

SPI – Interfața serială periferică

SRAM – „Static Random Access Memory” – memorie statică cu acces aleator, se referă la faptul că acest tip de memorie nu necesită un ciclu de reîmprospătare periodică, deoarece folosește circuite logice combinaționale pentru a memora fiecare bit

SWIR – „Shortwavelength infrared“, Domeniul infraroșu cu lungime mică de undă

TEC-J – Tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune

THT- „Through-hole technology – se referă la clasa componentelor montate prin placa cu cablaj imprimat, prin găurile de inserție

TO-5 – Carcasă tipică de metal pentru circuite integrate

Tx – pinul de transmisie

UART – „Universal asynchronous receiver/transmitter”

USB – „Universal Serial Bus”, se referă la magistrala serială universală de comunicație între portul calculatorului și sistemul ce necesită conctarea la calculator pentru a funcționa

VCC – „Nivel canal virtual”, folosit pentru alimentarea circuitului

.vs- versus

INTRODUCERE

Iluminatul este responsabil pentru aproape o treime din consumul de energie electrică din majoritatea clădirilor, fiind o cantitate de energie consumată foarte mare. O atitudine responsabilă ar consta în găsirea unei modalități de reducere a energie consumate pentru iluminat atunci când există mișcare în raza sursei de iluminat. Cum se poate realiza acest lucru? Prin implementarea și dezvoltarea aplicațiilor pentru sistemele cu senzor PIR.

Sistemele de control al luminii pot reduce intensitatea luminii artificiale dintr-o încăpere sau pot dezactiva complet lumina atunci când intensitatea luminoasă provenită de la soare este suficient de puternică. Un alt beneficiu al sistemelor de control al luminii constă în posibilitatea de dezactivare a luminii atunci când nu este simțită nici o prezență în încăpere.

Cu toate acestea nimeni nu poate controla perfect consumul indus de sistemul de iluminat atunci când controlul acestuia se face doar în mod manual. Prin urmare, a fost necesară proiectarea sistemelor automate de control al luminii artificiale pentru oprirea consumului atunci când încăperile sunt neocupate. În cele mai multe cazuri, acest lucru este posibil prin utilizarea senzorilor de mișcare, ce pot fi montați în colțurile camerei sau pe tavan, înlocuindu-se în acest mod întrerupătoarele clasice. Senzorul de mișcare are rolul de a intra în stare de funcționare atunci când intră cineva în cameră și de a se opri automat când în cameră nu mai este detectată nici o mișcare.

Casa ta este mai bine securizată datorită aprinderii neașteptate a lumnii atunci când mișcarea este detectată, iar pe lângă siguranța casei un alt factor important în controlul inteligent al luminii este unul de natură economică.

Cu ajutorul tehnologiei de ultimă generație în acest domeniu ajungem la conceptul de “casă inteligentă”. Considerentele economice și de securitate au dus la necesitatea dezvoltării majore în tehnologie a dispozitivelor electronice sensibile la lumină și a detectoarelor de mișcare.

Pe piață sunt disponibile două tipuri de senzori de mișcare: PIR (Infraroșu pasiv) și acustici. Cei mai utilizați senzori cu privire la securitatea unei încăperi sunt senzorii PIR. Atât senzorii PIR cât și senzorii cu ultrasunete interacționează cu mediul înconjurător prin depistarea mișcării. Senzorii PIR „văd” căldura țintei în mișcare, în timp ce senzorii cu ultrasunete „văd” sunetele. Ambele tipuri de senzori sunt afectați de materialele aflate în raza lor de detecție.

Având în vedere cerințete stilului de viață ale omului modern în ceea ce privește, siguranța, consumul redus de energie și comfortul, am considerat că este o idee bună să mă documentez cât mai mult în legătură cu senzorul de tip PIR, să văd din ce este alcătuit, să analizez modul de funcționare al acestuia și să prezint toate informațiile acumulate în lucrarea de față ce este alcătuită din 5 capitole: primele două capitole cuprind noțiuni teoretice în care sunt detaliate informații despre senzorii PIR, al treilea capitol se bazează pe o comparație între senzorul de tip PIR și senzorul acustic, în cel de-al patrulea capitol sunt evidențiate informații generale despre componentele utilizate și respectiv codul necesar pentru realizarea practică a unui sistem automatizat de detecție a mișcării în interiorul unei încăperi, iar în ultimul capitol este destinat măsurătorilor intensității luminoase captate de senzor.

Contribuția personală constă în realizarea schemei sistemului de detecție propus, în programul “Eagle” și dezvoltarea aplicației atât din punct de vedere “hardware” cât și “software” bazată pe un senzor PIR pentru detectarea mișcării și pe un modul GSM cu ajutorul căruia se va trimite un mesaj de tip alertă la un număr predefinit în momentul în care, în încăpere va fi detectată o mișcare și durata pe care a fost detectată această mișcare. Acest ultim serviciu va avea posibilitatea de a fi activat doar pe perioada de timp în care proprietarul locuinței este la serviciu, în concediu sau în alte situații, în funcție de caz.

CAPITOLUL 1

Senzorul de mișcare

1.1. Istoric și Generalități

Senzorul PIR se poate defini ca o componentă electronică care detectează lungimea de undă a radiației infraroșie specifică corpului uman. Fiind un element sensibil, în momentul în care acesta sesizează cea mai mică fluctuație de căldură a corpului emisă atunci când ținta se află în mișcare, acesta va intra în stare de funcționare. Un senzor PIR creează un potențial electric temporar, atunci când în gama vizibilă a senzorului apare o schimbare de radiație IR, iar potențialul electric generat are o valoare a amplitudinii foarte mică și va trebui amplificat cu o valoare semnificativă. Din acest motiv senzorul PIR nu se utilizează singur, de obicei fiind necesare, de asemenea, lentile Fresnel, un circuit de amplificare, un comparator și un circuit de întârziere.

Spre exemplu, rolul lentilelor Fresnel constă în focalizarea radiației IR pe senzorul PIR pentru ca acesta să poată măsura schimbările în IR și să creeze o diferență de potențial corespunzătoare variației radiației IR. Diferența de potențial, însă, are o valoare scăzută și trebuie amplificată fără a introduce zgomotul. Circuitele de amplificare au ca scop principal obținerea unui câștig cât mai mare pentru semnalul obținut de la senzor și în același timp suprimarea zgomotului ambiental. Așadar, în practică, se folosește un amplificator trece bandă cu două etaje. Semnalul amplificat este apoi comparat cu un semnal de prag. Dacă semnalul are valoarea în intervalul impus de prag, atunci nu este detectată nici o mișcare, altfel se presupune că există un obiect în mișcare. Din păcate, această abordare bazată pe un semnal de prag poate genera alarme false. Prin urmare, senzorii PIR obișnuiți sunt simpli și au la ieșire valoarea logică unu atunci când a fost detectată mișcare și zero când nu există nici un obiect care se deplasează în gama de vizibilitate a senzorului.

Figura 1.1 Principiul general de funcționare al unui senzor PIR [1]

Așa cum am menționat mai sus un dispozitiv cu IR pasiv este sensibil la radiațiile IR astfel încât răspunsul lor este afectat de câțiva factori precum: temperatura ambiantă, umiditatea, viteza obiectului în mișcare, direcția de mișcare, distanța față de senzor și respectiv factorul uman în mișcare. Dat fiind că dispozitivul ce folosește senzorul PIR oferă la ieșire unu logic sau zero logic, amplitudinea răspunsului nu este afectată, dar din păcate durata și răspunsul în frecvență sunt modificate din cauza acestor factori. Răspunsul la ieșire pe care îl dă senzorul este redus din cauza creșterii umidității și a temperaturii. Pe măsură ce umiditatea aerului crește, radiația IR este absorbită și atenuată din ce în ce mai mult. Pentru a înțelege mai bine acest concept un bun exemplu este creșterea căldurii atmosferice absorbită într-o încăpere întunecoasă. De asemenea umiditatea ridicată produce vapori pe suprafața senzorului care reduc radiația IR captată de senzor.

La sfârșitul anilor ’60, a existat o nevoie tot mai mare de dezvoltare a instalațiilor de securitate. PIR a plecat de la premisa că va avea un cost redus și un număr cât mai mic de alarme false, însă atingerea acestui obiectiv a durat cam în jur de zece ani. Meritele îi aparțin lui Herbert Berman, care a inventat în 1970 oglinda segmentată făcută dintr-un material de plastic metalizat ca un sistem efectiv pentru câștigul optic și modularea spațială necesară generării unui semnal atunci când oamenii traversează prin câmpul vizual. Unul din elementele de bază al senzorului PIR din zilele noastre este crearea unui numar discret de zone senzitive [2].

Tot în această perioadă s-a încercat pentru senzori folosirea materialelor piroelectrice, însă atenția cerectătorilor s-a îndreptat către folosirea PVF–ului (Florură de viniliden), ce este o peliculă de plastic. Aceste materiale polimerice sunt cunoscute sub denumirea comercială generică de material plastic Saran. Eliminarea necesității oglinzilor segmentate sau a lentilelor s-a datorat ușurinței de a mări suprafața senzorilor cu ajutorul elementelor de detecție conectate în serie sau în paralel. Într-un final senzorii realizați cu acest tip de material au dispărut de pe piață deoarece prezentau dezavantajul că nu puteau fi închiși într-o carcasă care să îi protejeze împotriva aerului și a umidității. O mare descoperire a avut loc în 1979 cu posibilitatea de comercializare a senzorului diferențial piroelectric. Senzorul piroelectric ce are integrat un tranzistor cu efect de câmp acoperit cu TO-5 este mult mai ușor de utilizat decât termistorul. Stabilizatorul de tensiune ce alimnta termistorul și amplificatorul de la intrare au fost eliminate.

Funcționarea senzorilor diferențiali compensează influența aerului cald, a vântului, luminii zilei sau altor stimuli pentru detector, reducând drastic alarmele false. În zilele noastre nici o alarmă și nici un comutator de lumină în are liber sau în mediul ambiant nu ar funcționa fără senzorul diferențial. În 1981, Marcel Züblin vine cu ideea de a comuta lumina cu ajutorul unui PIR. El pleacă de la faptul că având două fire și un preț accesibil al produsului se poate înlocui comutatorul de lumini manual de pe perete. Deși simplu și evident în realizarea sa, comutatorul de lumini inițial nu a fost un succes mai având nevoie de câțiva ani pentru a se dezvolta și a deveni un real succes. În anul 1987 a fost dezvoltat primul senzor de lumină din lume de Steinel [3].

În ultimul deceniu, detectoarele PIR de mișcare nu au fost utilizate doar în scopul comfortului, siguranței și comutării luminii, ci și în controlul energiei din clădiri, căldurii, ventilației, cât și ajustarea luminii după nevoile utilizatorului.

Așadar, se pare că senzorul PIR este o metodă eficientă în detecția oamenilor deoarece prezintă următoarele avantaje: este mic, ieftin, simplu de integrat în aplicațiile practice și în același timp are un consum de putere scăzut și nu emite nici o radiație. Senzorul PIR în combinție cu un transmițător radar pentru sisteme de alarmă wireless devine în mod special folositor datorită caracterului său pasiv permițând utilizarea continuă timp de 10 ani a unei baterii de litiu.

Printre atâtea beneficii senzorul PIR prezintă și un dezavantaj. Dezavantajul constă în faptul că există posibilitatea ca senzorul să se poată declanșa atunci când este vorba de o “prezență falsă” ce provine de la zgomot sau de la interferențe. Fenomenul de “prezență falsă” se poate explica prin faptul că mișcarea unei persoane este indicată printr-un singur impuls sau printr-un număr foarte mic de impulsuri, iar semnalul generat de senzor ce este de foarte joasă frecvență (0.2…4 Hz) datorită inerției termice, nu se poate integra într-o anumită perioadă de timp.

Schimbările bruște de temperatură pot creea, de asemenea, o alarmă falsă, iar în cazul în care această situație persistă, răspunsul senzorului fluctuează, cu alte cuvinte ieșirea comută mereu între zero și unu. Această situație poate fi observată în mod special atunci când bate vântul. Pe de altă parte, atunci când corpul în mișcare este voluminos sau se apropie foarte mult de senzor, acesta va răspunde mai repede, iar durata răspunsului devine mai mare. Atunci când corpul în mișcare este prea mic sau prea departe de senzor, senzorul poate ignora sau eventual poate da un răspuns de foarte scurtă durată. În plus, atunci când corpul în mișcare emite mai multă căldură, senzorul va da un răspuns de durată mai mare. Mai mult decât atât, direcția de mișcare și viteza obiectului în mișcare duc la obținearea unei caracteristici neliniare a răspunsului senzorului. Pe măsură ce viteza obiectului în mișcare crește, durata de răspuns scade, dar în situația în care obiectul se mișcă foarte încet, exista posibilitatea ca senzorul să nu distingă persoana. Deoarece câmpul vizual al senzorului este limitat de unghiul sub care acesta poate capta imaginea, obiectele rapide se află pentru mai puțin timp în câmpul vizual, acest lucru ducând la o durată de răspuns mai scurt. Direcția corpului în mișcare dă rezultate diferite. Spre exemplu dacă este vorba despre o mișcare paralelă cu senzorul sau în direcția senzorului se vor obține diferite tipuri de răspunsuri.

S-a încercat analiza formei de undă a semnalului, dar din păcate toate încercările de a filtra semnalul sau de a interpreta forma de undă au avut foarte puțin succes. Amplitudinea și perioada semnalului este determinată de temperatura corpului persoanei în mișcare, viteza de mers a acesteia, precum și de distanța de la senzor la toți acești parametrii variabili.

Singura abordare utilizată în alarme constă în numărarea unei secvențe de pulsuri în detrimetul detecției senzitive mai mici și mai lente.

Această problemă a fost discutată peste ani și s-a ajuns la concluzia că ar putea fi rezolvată cu ajutorul unei rețea de senzori care să cuprindă cel puțin o parte din rezoluția imaginii. Astfel de părți ce integreză pe placheta de Siliciu straturi piroelectrice sau termopile sunt disponibile pentru detecția imaginilor termice. Cu toate acestea, sensibilitatea necesară aplicațiilor PIR nu a fost atinsă încă. O alternativă ar putea fi asocierea, în spectrul vizibil, a unui senzor PIR cu o cameră cu rezoluție scăzută. Pentru a depista mișcările oamenilor ar fi adecvat un număr redus de pixeli. În zilele noastre un astfel de sistem ar putea înlocui ansamblul format dintr-un senzor PIR și senzori cu microunde sau cu ultrasunete.

Spectrul infraroșu al detectorilor PIR

În concordanță cu legea lui Planck, spectrul radiaței infraroșii emisă de un corp la temperatura ambiantă (293K) atinge maximul la lungimea de undă de 10 micrometri (curba numărul 1). Absorbția substanțială este determinată de prezența umidității, prafului și absorbția moleculară. Cea mai potrivită lungime de undă pentru ca radiația termică să fie percepută pe distanță mai mare are valori cuprinse între 8 și 14 micormetri (curba 3). Puțini oameni consideră că dispozitivul PIR poate sesiza diferența de contrast dintre corpul uman și fundal. Contrastul este determinat prin derivarea primei ecuații a lui Planck, ce are varfuri de aproximativ 8,3 micrometri, dar mai degrabă se pot extinde până la 5 micrometri (curba 2). Aproape orice PIR are o lentilă sau o fereastră frontală realizate din polietilenă. Acest material are absorbția benzilor caracteristice la 7 și 14 micrometri. Absorbția crește exponențial cu distanța, iar efectele atmosferice asupra detectoarelor de mișcare PIR, cu o gamă de 10 sau 20 de metri pot fi complet neglijate. Din toate cele prezentate mai sus, pentru un filtru ce perminte trecerea lungimilor mari de undă va da un semnal mai bun decât un filtru de bandă cu o lungime de undă cuprinsă între 8 și 14 micrometri [2].

Figura 1.2 Lungimea de undă [2]

Ce se preferă? Oglinzile sau lentilele?

Cele mai multe oglinzi segmentate au dispărut în favoarea lentilelor Fresnel, din cauza costului, disponibilității producției standard, proiectării greoaie și a instrumentelor pentru lentile. Lentilele sunt mult mai flexibile în dispunerea zonelor de detecție. Avantajul celor mai multe sisteme de oglinzi îl constituie faptul că fereastra frontală este intersectată de către aceste regiuni, ceea ce înseamnă ca această fereastră frontală poate fi realizată la o dimensiune mult mai mică decât a unei singure lentile. Datorită funcționării diferențiale a senzorului sunt compensate perturbațiile, cum ar fi razele soarelui, vântul sau aerul cald dintr-un sistem de încălzire pe fereastra frontală. În consecință, sistemele formate din oglinzi sunt foarte utile pentru aplicații exterioare [2].

Cât de multe zone pot intra în raza de detecție a senzorului?

O controversă în rândul producătorilor de PIR este legată de elemente optice (oglinzi sau lentile) și în aceeași măsură de numărul regiunilor al lentilelor segmentate. La început, din punctul de vedere al vânzătorilor și al oamenilor specializați în marketing se pare că este bine să existe cât mai multe zone, distribuie într-un unghi larg. O analiză mai detaliată constă în luarea în considerare a dimensiunii corpului uman față de dimensiunea unghiului regiunilor, dimensiunea senzorilor, a distanței focale și respectiv faptul că senzorul este lent și nu poate urmări tranzițiile rapide prin aceste zone. În general, aceste regiuni sunt proiectate pentru a avea o secțiune transversală egală cu corpul uman, la jumătate din distanța de detecție maximă. Suprafața fiecărui segment de lentilă determină energia primită direct de la țintă. Câștigul optic este definit ca raportul dintre suprafața lentilei și suprafața senzorului și va determina ieșirea maximă a semnalului. Lentilele cu dimensiuni mai mici de 2 mm nu vor avea nici un câștig de semnal, iar senzorul PIR nu va putea funcționa. Considerentele practice includ de asemenea și grosimea lentilelor puternic absorbante și deformările apărute pe durata formării lentilelor subțiri. Din punct de vedere optic canalele Fresnel sunt în exterior, proiectantul le vrea în interior, deoarece are în vedere razele oblice (zonele care nu sunt perpendicular pe lentilă/obiectiv). Pentru a face o lentilă cât mai puternică este recomandat utilizarea unui număr cât mai mic posibil de regiuni pentru aplicații și realizarea unor lentile cât mai largi. Din punct de vedere electronic acesta va deveni mai simplu, cu semnale mai puternice, fiabil sau rezistent, cu o mai bună compatibilitate electromagnetică, deci în ansamblu un sistem mai bun cu un cost cât mai redus [2].

Figura 1.3 Distribuția zonelor de detecție sub diferite unghiuri [1]

Cum se realizează cele mai bune lentile?

În prezent alarmele și comutatoarele de lumină realizate pe baza senzorilor PIR ne arată o gamă foarte variată de modele de lentile. Evident, cel mai ușor de realizat sunt lentilele netede. În mod surprinzător, nu își pierd puterea de focalizare în momentul în care sunt îndoite într-o formă cilindrică, lucru ce perminte detecția sub unghiuri orizontale largi, de până la 270°.

În ultimul timp, datorită ingeniozității instumentelor utilizate a fost permis formarea prin injectare a lentilelor tridimensionale, în felul acesta existând un număr nelimitat în aranjarea și combinarea lentilelor Fresnel, lentilelor de difracție, lentilelor sferice sau asferice, lentilelor cilindrice sau a altor lentile în structuri tridimensionale sau în combinație cu prisme sau oglinzi de deviere. Odată cu trecerea timpului au apărut din ce în ce mai multe modele diversificate de lentile. Pe de altă parte, modele de lentile în formă de minge de golf oferă un model plăcut și în același timp costuri de producție reduse.

Cele mai multe sisteme de alarmă sunt montate în colțurile camerei pentru a fi cât mai puțin vizibile și pentru a avea un câmp vizual de 90°, câmp ce cuprinde întreaga cameră. Numărul de regiuni este limitat pentru a menține semnalul puternic și pentru a fi un număr cât mai redus de alarme false. Pentru a fi posibilă detectarea persoana trebuie să ajungă la o anumită distanță. Proiectarea comutatoarelor de lumină este din ce în ce mai creativă din punctul de vedere al poziției de montare și al câmpului vizual sub un anumit unghi: de exemplu, câmpul vizual sub un unghi de 180° este cea mai comună metodă ce permite montarea oriunde pe perete, câmpul vizual sub un unghi de 270° este utilizat pentru a detecta în apropierea colțurilor, iar câmpul vizual sub un unghi de 360°, deși este la modă prezină ca dezavantaj faptul că utilizatorul trebuie să acopere minuțios lentila pe direcțiile care nu sunt de interes. Detectoarele de prezență utilizate în birouri au nevoie de un număr mai mare de regiuni de detecție pentru a cuprinde complet camera. O persoană trebuie să fie detectată oriunde, întrucât astfel de detectoare au nevoie, de asemenea, de o sensibilitate ridicată pentru a sesiza mișcarea mâinii sau clătinarea capului; acest lucru implică utilizarea unui număr mai mare de senzori cu canale paralele de detecție. Spre deosebire de sistemul redundant Berman, ieșirile de canal sunt logice sau cu fir [2].

Dispozitive optice cu focalizare în trepte

Pentru o detecție ideală, regiunile cu domeniile reduse ar trebui să aibă un unghi de deschidere mai mare decât regiunile cu domenii mai largi pentru a putea fi îndeplinit criteriul de a avea o secțiune transversală la jumătate din gama nominală. Stratul de oglindă a fost realizat pentru prima oara pentru a realiza detecția prin plasarea segmentelor mai mici de oglindă cât mai aproape de senzor. Această soluție a fost folosită în mod repetat, dar din păcate, obținerea unor forme cât mai exotice nu a fost posibilă. Principiul este, de asemnea, dificil de aplicat la lentilele Fresnel. În zilele noastre se discută dacă lentile de difracție, lentilele Fresnel cu crestături periodice corespunzând unei forme de interferență de tip zonă plată, pot rezolva problema.

O descoperire mai recentă este reprezentată prin „imunitatea animalelor“ la detectoarele de alarmă. Ideea este menținerea sistemului de alarmă activat, cât timp sunt animale în casă. Unii producători pretind că această problemă se poate rezolva prin extinderea zonelor pe verticală cu ajutorul unor oglinzi mai mici, lucru care ar duce la mărirea dimensiunilor senzorului sau prin utilizarea unor segmente de lentile Fresnel cilindrice, astfel încât semnalul produs de animalele de companie să fie cât mai redus. Rezolvarea acestei probleme este pusă sub semnul întrebării, în contextul distingerii dintre un hoț și cu câine de talie înaltă, de exemplu un dalmațian, fără ajutorul unui aparat de fotografiat suplimentar ce are integrat un program de recunoaștere a imaginilor [2].

37° să fie o temperatură care cauzează probleme detecției?

O întrebare adesea întâlnită este ce se întâmplă cu un PIR la temperatura de 37°, atunci când se pare că nu exită nici o diferență față de temperatura corpului uman. În primul rând, atunci când temperatura aerului este de 37°, nu înseamnă că și fundalul (ex. pereții camerei) este tot la această temperatură. Fundalul este, în general, foarte variabil. În al doilea rând temperatura corpului nu este temperatura pielii de sub haine. Pentru înțelegerea acestui concept, se pune în eviență următorul exemplu: o persoană poate avea temperatura facială de 28° și temperatura de sub îmbrăcăminte să fie de 24° la o temperatură ambiantă de 20°. Așa cum oamenii nu sunt precum niște cameleoni, întotdeana va exista o diferență de temperatură pe care senzorul PIR o poate detecta. Comparativ cu temperaturile de îngheț, semnalele la temperatura ambiantă de 30° pot fi mai mici, însă dezvoltarea tehnologiei cu senzori PIR compensează acest lucru. În general, este mai bine să vorbim despre “probabilitatea de detecție”, deoarece condițiile reale de detecție (temperatura țintei, temperatura ambiantă, dar, de asemenea, coeficienții de emisie și reflecțiile luminii) variază de la caz la caz [2].

Implementarea „hardware” analogică nu este atât de flexibilă în ceea ce privește utilizarea algoritmilor sofisticați sau schimbare de la un algoritm la altul pentru a se adapta la schimbările parametrilor de mediu.

CAPITOLUL 2

Detecția în infraroșu îndepărtat a mișcării

O altă versiune a unui detector de mișcare care operează în domeniul optic al radiației termice, este cel reprezentat fie de infraroșu mediu, fie de infraroșu îndepărtat. Astfel de detectoare sunt responsabile pentru căldura radiată și schimbată între elementul de sensibilitate și obiectul în mișcare. În continuare se prezintă tehnica de depistare a persoanelor în mișcare, însă această tehnică se aplică pentru orice obiect indiferent dacă este cald sau rece.

Principiul detecției termice se bazează pe teoria fizică de emitere a undelor electromagnetice dinspre orice obiect a cărui temperatură este pozitivă.

Pentru detecția mișcării, este esențial ca temperatura de la suprafața unui corp să fie diferită de cea a obiectelor din jur, astfel încât să existe o diferență de temperatură între acestea. Toate obiectele emană radiații de la suprafață și intensitatea radiației termice este guvernată de teoria Stefan-Boltzmann. Dacă obiectul este mai cald decât mediul înconjurător, radiația termică este modificată spre lungimi de undă mai mici, iar intensitatea radiației devine mai puternică. Cele mai multe obiecte în mișcare pentru a fi detectate sunt nemetale, prin urmare ele răspândesc energia termică destul de uniform.

În plus, obiectele dielectrice, în general, au o emisivitate de radiație destul de ridicată. Pielea este un emitor de radiație termică, rata sa de emisivitate este de peste 90℅. Cele mai multe țesături naturale și sintetice au, de asemenea, un factor între 0,74 și 0,94. Este cunoscută existența a două tipuri de detectoare de mișcare IR: pasiv și activ.

Un senzor piroelectric infraroșu (PIR) este un dispozitiv ce sesizează lumina infraroșie IR în raza sa de vizualizare. Acest senzor este un dispozitiv pasiv, care măsoară schimbările între nivelele de IR emise de obiectele din jur. Din cauza faptului că este un dispozitiv de măsurare pasiv se numește senzor pasiv în infraroșu. Senzorul PIR va detecta orice obiect care emite căldură. Obiectele radiante includ atât oamenii, animalele cât și autovehiculele sau vântul. Senzorul singur are o gamă de detecție mică de maximum un metru, însă prin utilizarea unei lentile care focalizează radiația infraroșie pe senzor poate crește gama de detecție până la aproximativ 30m, așadar acest tip de senzor este mai potrivit pentru aplicațiile interioare și eventual pentru aplicațiile exterioare cu rază mică de vizualizare.

2.1. Radiația termică

Radiația infraroșie (IR) este un tip de radiație electromagnetică. Lumina în infraroșu are o lungime de undă mai mare decât lumina vizibilă. Lungimea de undă a infraroșului are valori în intervalul [750 nm, 100 µm]. Radiația IR nu este vizibilă pentru oameni, dar este simțită precum căldură. Regiunea în infraroșu poate fi în continuare divizată în subregiuni, după cum urmează :

Infraroșu apropiat (NIR): λ de la 750 nm la 1.5 µm.

Infraroșu în unde scurte (SWIR): λ de la 1.5 µm la 3 µm.

Infraroșu în unde medii (MWIR): λ de la 3 µm la 8 µm.

Infraroșu în unde mari (LWIR): λ de la 8 µm la 15 µm.

Infraroșu îndepărtat (FIR): λ ˃ 15 µm.

MWIR și LWIR sunt cunoscute și sub denumirea de infraroșu termic. Radiația termică este emisă de la suprafața unui obiect, lucru ce se datorează temperaturii sale. Corpul uman la temperatura normală emite radiații IR cu lungimi de undă în jurul valorii de 9.4 µm.

În orice obiect, fiecare atom și fiecare moleculă vibrează. Energia cinetică medie a particulelor vibrante este dependentă de temperatură. Ficare atom care vibrează conține un nucleu și o sarcină electrică care orbitează în jurul acestuia. În concordanță cu legile electrodinamicii, o sarcină electrică în mișcare este asociată cu un câmp electric variabil care produce un câmp magnetic de polaritate alternantă și invers.

Astfel, o particulă vibrantă este sursa unui câmp electro-magnetic, care se propagă spre exterior cu viteza lumnii și este guvernată de legile opticii, adică undele electromagnetice pot fi reflectate, filtrate, concentrate, etc. Unda electromagnetică asociată cu căldura se numește radiație termică.

Figura 2.1 Spectrul tuturor radiaților electromagnetice răspândite din raze y la unde radio[4]

Așadar, radiația termică este situată în gama spectrului radiațiilor în mijlocul radiației infraroșii și mai departe de aceasta.

Lungimea de undă a radiației depinde direct de frecvența, ν, prin intermediul vitezei luminii, astfel [4]:

λ = (2.1)

O relație între λ și temperatură este mai complexă și este guvernată de legea lui Planck, lege ce a fost descoperită în 1901. Această lege stabiliește densitatea fluxului radiant, , ca o funcție a lungimii de undă, λ și temperatura absolută. Densitatea fluxului radiant este puterea radiației electromagnetice pe unitatea de lungime de undă [4].

= (2.2)

ε (λ) = emisivitate

C1 = 3.74×10-12 Wcm2

C2 = 1.44 cmK

e = baza logaritmului natural

Ecuația 2.2 definește puterea radiantă la o anumită lungime de undă în funcție de temperatură. Temperatura este un rezultat al energiei cinetice medii a unui număr extrem de mare de particule vibrante. Cu toate acestea, toate particulele nu vibrează cu aceeași frecvență sau amplitudine. Lungimile de undă, energiile și diferite frecvențe opționale sunt dispuse foarte apropiat una de cealaltă, lucru ce face ca un material să fie capabil să emită un număr aproape infinit de frecvențe, răspândite la diferite lungimi de undă. Deoarce temperatura este o reprezentare statistică a unei energii cinetice medii, aceasta determinând cea mai mare probabilitate ca particulele să vibreze cu anumită frecvență și să aibă o lungime de undă specificată [4].

2.2. Emisivitatea

Așa cum lungimile de undă ale radiației infraroșii depind de temperatură și de amplitudinea undei și emisivitatea depinde de suprafață. Emisivitatea, ε, este măsurată pe o scară de la 0 la 1 și se definește ca raportul dintre fluxul radiației infraroșii emis de o suprafață și fluxul emanat de un emitor ideal. Ecuația fundamentală care leagă cele trei mărimi: emisivitate, ε, transparență, y, și reflectivitate, ρ, ale unui obiect este următoarea [4]:

(2.3)

În 1860, Kirchhoff a descoperit că emisivitatea, ε, și absorbția, α, sunt același lucru. Ca rezultat, pentru un corp opac (y = 0), ecuația fundamentală devine: ρ = 1 – ε.

Când radiația termică este detectată de către senzorul de temperatură, fluxul opus al radiației de la senzor față de obiect trebuie să fie de asemenea luat în considerare. Un senzor termic este capabil să răspundă doar unui flux termic net, spre exemplu, fluxul termic de la obiect – fluxul termic față de obiect.

Emisivitatea suprafeței unui obiect este dependentă de constanta sa dielectrică și de indicele de refracție, n. Valoarea maximă pe care o poate lua emisivitatea este 1; valoare ce este atribuită așa numitului corp negru, un emițător ideal de radiații electromagnetice. Numele sugerează apariția sa la temperatura normală a camerei. Dacă obiectul este opac (y = 0), conform ecuației 2.3, atunci când ε = α, corpul negru devine un emitor ideal și un absorbant de radiații electromagnetice. În practică, un adevărat corp negru nu există, însă acesta poate fi aproximat destul de aproape de valoarea ideală. O emisivitate mai mică de 0.98 este atribuită așa numitului corp gri [4].

Trebuie notat că emisivitatea depinde, în general, și de lungimea de undă. De exemplu, o foaie albă de hârtie reflectă mult mai mult în gama spectrului vizibil, dar practic nu emite nici o lumină vizibilă. Cu toate acestea, în domeniile spectrale din infraroșu apropiat și respectiv îndepărtat, reflectivitatea este mai mică, iar emisivitatea este mai mare (aproximativ 0.92), făcând astfel din hârtie un bun emițător de radiații infraroșii depărtate. Polietilena, care este utilizată pe scară largă pentru fabricarea lentilelor infraroșii, absoarbe puternic în benzile înguste în jurul valorilor de 3.5, 6.8 și 13.5 µm, aceste lentile fiind în același timp transparente (ne-emisive) în alte benzi.

În multe scopuri practice, emisivitatea unui material opac, în apropierea gamei spectrale a radiației termice poate fi considerată constantă. Pentru măsurătorile riguroase, atunci când radiația termică trebuie determinată cu o precizie mai mare de 1%, emisivitatea suprafeței trebuie cunoscută, sau trebuie găsite metode eficiente utilizate în reducerea efectelor emisivității. O astfel de metodă este reprezentată de așa numitul detector infraroșu dublă- bandă.

Pentru o undă din domeniul infraroșu mediu și respectiv îndepărtat, nepolarizată pe direcție normală, emisivitatea poate fi exprimată cu ajutorului indicelui de refracție prin următoarea ecuație [4]:

(2.4)

Toate nemetalele sunt buni emițători, care pot răspândi radiație termică cu constanta de emisivitate definită cu ajutorul ecuației , într-un unghi solid de aproximativ ±70°. Dincolo de acest unghi, emisivitatea începe să scadă rapid spre 0, atunci când unghiul se apropie de 90°. Ar trebui subliniat faptul că considerentele de mai sus au aplicabilitate numai pentru lungimi de undă caracteristice domeniului spectral pentru infraroșu mediu, respectiv infraroșu îndepărtat și nu sunt adevărate pentru lumina vizibilă, deoarece emisivitatea unei radiații termice este rezultatul efectelor electromagnetice care apar la o adâncime considerabilă sub suprafața unui dielectric.

Comportamentul metalelor este destul de diferit de cel al nemetalelor. În mare măsură emisivitatea lor depinde de finisajul suprafeței. În general, materialele lustruite sunt emițători slabi (sunt reflectoare bune) în cadrul unghiului solid de 70°, în timp ce emisivitatea lor crește odată cu creșterea unghiului. Acest lucru implică, faptul că, chiar și un metal poate să fie o oglindă foarte bună, reflectând slab în apropierea unghiurilor de 90°[4].

Figura 2.2 Dependența emisivității funcție de lungimea de undă[4]

Spre deosebire de corpurile solide, gazele în cele mai multe cazuri sunt transparente la radiațiile termice. Absorbția sau emiterea radiațiilor, au loc în anumite benzi spectrale, de obicei, acestea fiind benzi spectrale înguste. Unele gaze, precum N2, O2, sunt transparente la temperaturi scăzute, în timp ce CO2, H2O și hidrocarburi gazoase emit radiații și absorb în proporții considerabile. Atunci când lumina infraroșie pătrunde într-un strat gazos, absorbția scade exponential [4].

(2.5)

Φx = fluxul la grosimea x

Φ0 = fluxul termic incident

= coeficientul de absorbție (emisivitatea)

= = transmisivitate monocromatică la o lungime de undă specifică

Dacă gazul este nereflector, atunci emisivitatea specifică anumitei lunngimi de undă se poate defini astfel [4]:

= 1 (2.6)

De subliniat faptul că, deoarece gazele absorb numai în benzile înguste, emisivitatea și transmisivitatea ar trebui specificate separat pentru orice lungime de undă. De exemplu, vaporii de apă absorb foarte bine la lungimi de undă de 1.4, 1.8, 2.7 µm și sunt foarte transparenți la lungimi de undă de 1.6, 2.2 și 4 µm.

Cunoașterea emisivității este esențială, atunci când un senzor infraroșu este folosit pentru măsurarea temperaturii, fără contact. Pentru a calibra un asftel de termometru sau pentru a-i verifica acuratețea este necesară, în laborator, o sursă standard de căldură. Sursa trebuie să aibă emisivitatea cunoscută și de preferință aceasta ar trebui să se apropie cât mai mult de unitate, de ceea ce se întâmplă în practică. Cu alte cuvinte, un corp negru, ar trebui utilizat ca sursă de laborator pentru o radiație pentru infraroșu în unde medii și infraroșu îndepărtat. Emisivitatea diferită de unitate, ar putea duce la reflexii, lucru ce ar introduce erori semnificative în măsurările fluxului radiației IR. Până în acest moment, nu s-a descoperit nici un material care să aibă emisivitatea egală cu 1. Așadar, în practică, se folosește metoda simulării, în mod artificial, a unei astfel de suprafețe care utilizează efectul de cavitate, ce se bazează pe construirea unui corp negru.

2.3. Senzori pasivi de mișcare cu infraroșu

Detectoarele de mișcare cu PIR au devenit foarte populare în ultima vreme pentru asigurarea securității și gestionarea sistemelor electrice. Elementul de detecție al PIR-ului este receptiv la radiațiile IR mediu și respectiv IR îndepărtat într-o gamă spectrală de la aproximativ 4µm până la 20µm, gamă în care este concentrată cea mai mare parte a puterii termice emanată de oameni (suprafața temperaturii corpului variind de la aproximativ 28°C la 37°C. Există trei tipuri de elemente utile pentru detector: bolometre, pile și dispozitive piroelectrice; totuși elementele piroelectrice sunt folosite aproape exclusiv pentru detectarea mișcării datorită simplității, costului redus, responsivității ridicate și gamei dinamice largi. Un material piroelectric generează o sarcină electrică ca răspuns al fluxului energiei termice prin corp. Stresul indus termic ajută la dezvoltarea unei sarcini piezoelectrice pe electrozii elementului. Această sarcină este demonstrată ca fiind tensiunea aplicată pe electrozii pe partea opusă a materialului. Din păcate, proprietățile piezoelectrice ale elementului au și un efect negativ. Dacă senzorul timp de un minut este supus unui stres mecanic din cauza unei forțe externe, cum ar fi vibrațiile provenite de la sistemul audio, apare o sarcină care în cele mai multe cazuri este imposibil de distins de cea care este cauzată de unda de căldură în infraroșu.

Pentru a separa sarcina indusă termic de sarcina indusă piezoelectric, senzorul piroelectric este fabricat, in general, cu o formă simetrică. În interiorul carcasei senzorului sunt poziționate două elemente identice. Elementele sunt conectate într-un circuit electronic în așa fel încât să se producă un semnal defazat față de semnalul introdus de la intrare. Aceste interferențe produse de efectul piezoelectric sau de semnalele false de căldură sunt aplicate în același timp pe ambii electrozi astfel încât intrarea circuitului electronic este anulată. Acest lucru poate fi evitat, cât timp radiația temică va fi absorbită de un singur element, o singură dată. Acesta este ceea ce numim senzor diferențial.

Figura 2.3 Senzor diferențial [4]

O modalitate de a realiza un senzor diferențial constă în depunerea a două perechi de electrozi pe ambele părți ale elementului piroelectric. Fiecare pereche formează un condensator, care poate fi încărcat fie prin căldură, fie prin stres mecanic. Electrozii de pe partea superioară a senzorului sunt conectați împreună astfel formând un singur electrod, în timp ce electrozii din partea inferioră sunt separați, creând condensatori conectați în serie cu polaritate inversă. Pentru un flux termic, semnalul va avea fie o polaritate pozitivă, fie o polaritate negativă, în funcție de partea pe care sunt poziționați electrozii.

În aceleași aplicații, poate fi necesar un model mai complex de electrozi de detecție (de exemplu, pentru a forma zone de detecție predeterminate), astfel încât este necesară mai mult de o pereche de electrozi. Într-un astfel de caz, pentru o mai bună rejecție a semnalelor în fază (mod comun de rejecție) senzorul ar trebui să aibă un număr par de perechi în care poziția perechilor ar trebui să alterneze pentru a avea o mai bună simetrie geometrică. În unele cazuri, o astfel de conexiune se numește electrod interdigitizat.

Un element de detecție simetric ar trebui montat astfel încât ambele părți ale elementului să genereze același semnal, indiferent de influența factorilor externi. Pentru a se evita anularea semnalelor provenite de la sursa termică, la orice moment, componenta optică (lentilele Fresnel) trebuie să focalizeze imaginea termică obiectului pe suprafața unei singure părți a senzorului. Elementul generează o sarcină doar pe perechea de electrod, care este supus unui flux de căldură. Atunci când o imagine termică se mută de la un electrod la altul, curentul care curge prin elementul de detecție către rezistorul de polarizare, R, se schimbă de la zero, la pozitiv, apoi înapoi la zero, apoi la negativ și din nou înapoi la zero. Tranzistorul TEC-J, Q1, este utilizat pe post de convertor de impedanță. Valoarea rezistenței, R, trebuie să aibă o valoare foarte mare. Dacă tensiunea de ieșire pentru o anumită distanță este de 50 mV, iar valoarea tipică a curentului, generat de elementul de răspuns la o persoană în mișcare, este de ordinul 1pA (10-12A), în concordanță cu lege lui Ohm, R = , obținem o rezistență în valoare de 50GΩ. O astfel de rezistență nu poate fi conectată în mod direct pe un cirucit electronic, prin urmare tranzistorul, Q1, are rolul de amplificator operațional (câștigul are valoarea apropiată de unitate). Valoarea tipică a impedanței de ieșire este de ordinul câtorva kilohmi [4].

Figura 2.4 Circuit – senzor diferențial

Datorită costului redus și a ușurinței de fabricare cel mai des utilizate sunt materialele ceramice. Coeficientul piroelectric al materialelor ceramice poate fi controlat, într-o oarecare măsură, variind porozitatea (crearea golurilor în interiorul corului senzorului). Un material piroelectric interesant este reprezentat de o peliculă de polimer PVDF, care nu este la fel de sensibilă precum parte solidă a cristalelor, însă prezintă avantajul de a fi un material flexibil, ieftin și poate fi produs la orice dimensiune și de asemenea, poate fi îndoit sub orice formă dorită.

Pe lângă elementul de detecție, un detector de mișcare în infraroșu necesită un dispozitiv de focalizare. Lentilele de plastic Fresnel devin din ce în ce mai populare, deoarece sunt mai ieftine și pot fi turnate în orice formă, pe lângă focalizare, acestea îndeplinesc și funcția unei carcase, protejând astfel interiorul senzorului de umiditatea și poluanții externi.

Figura 2.5 Detector de mișcare prin IR folosind lentile curbate [4]

În această figura, este ilustrat modul de lucru al lentilelor din plastic Fresnel și al peliculei de PVDF. Este utilizată o lentilă, realizată dintr-un material HDP, având fațete multiple, precum și un senzor realizat cu un strat de PVDF. Proiectarea senzorului îmbină aspectul lentilei cu forma complexă a electrodului. Lentilele și pelicula sunt curbate cu aceleași raze de curbură egale cu jumătate din distanța focală f, asigurându-se că pelicula este întotdeauna poziționată în planul focal corespunzător fațetei lentilei.

Pelicula are o pereche de electrozi interdigitizați de dimensiuni mari, care sunt conectați pe intrarea pozitivă si respective pe cea negativă a amplificatorului diferențial situat în modulul electronic. Amplificatorul refuză funcționalitatea modului comun, astfel amlificând o tensiune termică indusă. Pentru lentilele este necesar un înveliș organic pentru a îmbunătății absorbția în gama spectrală a infraroșului îndepărtat. Acest montaj conduce la obținerea unei bune rezoluții (detecția unei mișcări la o distanță mare) și o dimesiune redusă a senzorului. Senzorii de dimensiuni reduse sunt folositori în special în instalațiile sau în dispozitivele în care dimensiunea este crucială [4].

2.4. Eficiența Senzorului PIR

2.4.1. Piroelectricitatea

Indiferent de tipul de dispozitiv optic utilizat, majoritatea senzorilor PIR moderni funcționează pe baza efectului fizic numit piroelectricitate.

Piroelectricitatea se poate definii ca fiind fenomenul ce constă în abilitatea unor materiale de a genera temporar un potențial electric atunci când materialele sunt încălzite sau răcite. Cu alte cuvinte este o migrare a sarcinii pozitive ca urmare a unei modificări de temperatură, acest lucru determinând o polarizare electrică ce conduce la apariția unui potențial electric temporar, cu toate că, acesta va dispărea după timpul de relaxare dielectric.

Piroelectricitatea poate fi văzută ca o parte a unui triunghi, unde fiecare colț reprezintă un tip de energie din cristal: termică, electrică sau energie cinetică. Latura formată între colțul ce îi corespunde energiei cinetice și colțul energiei electrice reprezintă efectul piroelectric și nu poate produce energie cinetică [4].

Acest efect este observat în cuarț. În cazul în care cristalul dezvoltă o sarcină pozitivă pe una din fețe în timpul încălzirii, în mod similar va dezvolta pe aceeași față o sarcina negativă în timpul răcirii. Această proprietate a cristalelor este utilizată în detectarea radiațiilor infraroșii.

Pentru a analiza performanțele acestor tipuri de senzori, în primul rând trebuie calculată puterea în infraroșu, care apoi este transformată de elementul detector în sarcină electrică. Dispozitivul optic focalizează radația termică, formând în miniatură imaginea termică pe suprafața senzorului. Energia fotonică a imaginii este absorbită de elementul detector și este transformată în căldură de către suprafața care absoarbe căldură. Această căldură, la rândul său, este transformată de cristalul piroelectric într-o sarcină electrică timp de un minut. În final, sarcina electrică determină trecerea unui curent foarte mic pe intrarea circuitului. În condițiile date, distanța maximă de funcționare poate fi determinată de nivelul de zgomot al detectorului, în cel mai rău caz puterea zgomotului poate fi de cel puțin zece ori mai mică decât puterea semnalului. Senzorul piroelectric este un convertor al fluxului de energie termică în sarcină electrică [4].

Figura 2.6 Realizarea imaginii termice pe elementul de detecție a detectorului de mișcare PIR [4]

În esență, fluxul energiei necesită existența unui gradient termic peste elementul de detecție. În detector, elementul de grosime h are partea din față expusă lentilelor, în timp ce partea din spate este expusă spre interiorul carcasei, care în mod normal este la temperatura amibiantă, Ta. Partea din față a elementului senzorului este acoperită cu un înveliș ce absoarbe căldura în scopul de a crește cât mai mult posibil (cât mai aproape de unitate) emisivitatea, . Atunci când fluxul termic este absorbit de către partea frontală a elementului, căldura crește, iar temperatura începe să se propage prin senzor către partea din spate a senzorului.

Pentru a estima nivelul de putere al suprafeței absorbante a senzorului se fac unele presupuneri. Se presupune ca obiectul în mișcare este o persoană a cărui suprafață efectivă este b, temperatura acestei suprafețe ( este distribuită uniform și este exprimată în grade Kelvin. Obiectul în mișcare se deplasează la o distanță L față de detectorul în mișcare și fiind un emitor difuz emite uniform energia infraroșului în emisfera cu aria A = 2π. De asemenea, se presupune că dispozitivul de focalizare a elementului focalizează o imagine clară a obiectului în mișcare. Pentru acest calcul a fost aleasă o lentilă a cărui suprafață este a. Temperatura senzorului în Kelvin este , aceeași cu temperatura ambiantă.

Puterea totală în infraroșu pierdută în jurul obiectului poate fi determinate conform legii Stefan-Boltzmann [4]:

σ(-) (2.7)

σ = constanta lui Boltzmann

= emisivitatea obiectului și respectiv emisivitatea înconjurătoare

Cel mai uzual caz este acela în care obiectul are o temperatură mai mare decât cea a mediului înconjurător, puterea netă în infraroșu este distribuită spre un spațiu deschis având temperatura ambiantă . Având în vedere că obiectul este un emițător care propagă unda de căldură în diferite direcții se poate considera că aceeași densitate de flux poate fi detectată în orice punct echidistant de suprafață. Cu alte cuvinte, intensitatea puterii infraroșii este distribuită uniform de-a lungul suprafeței sferice având o rază L. Ipotezele prezentate mai sus sunt destul de ample, totuși acestea permit exprimarea unei părți din fluxul infraroșu primit de lentilă. Dacă se pleacă de la premisele că împrejurimile și suprafața obiectului sunt emițători ideali, că și că emisivitatea elementului de detecție este , densitatea netă a fluxului la distanța L se poate exprima astfel [4]:

Φ =σ (2.8)

Cu y se notează coeficientul de transmisie sau eficiența lentilelor și poate varia de la 0 la 0.92 depinzând de proprietățile de material ale lentilelor și de forma acestora. Pentru lentilele Fresnel, coeficientul de transmisie are valori între 0.5 și 0.75. Temperatura la puterea a patra din ecuația (2.8) poate scădea prin ignorarea neliniaritățilot neînsemnate, iar puterea termică absorbită se poate exprima ca [4]:

= ay ay(-) (2.9)

Cu ajutorul ecuației (2.9) este pus în evidență faptul că fluxul infraroșu focalizat de lentile pe suprafața elementului de detecție este invers proportional cu pătratul distanței de la obiect și direct proporțional cu aria lentilelor și respective cu cea a obiectului.

Valoarea fluxului pentru infraroșu,, este pozitivă dacă obiectul este mai cald ca senzorul, iar dacă obiectul este mai rece, fluxul devine negativ, ceea ce înseamnă că acesta își va schimba direcția, în felul acesta căldura propagându-se de la senzor la obiect. În mod real, acest lucru se întâmplă atunci când o persoană intră într-o cameră caldă venind dintr-un mediu exterior rece. Fluxul va deveni negativ atunci când temperatura hainelor este mai scăzută decât cea a senzorului. În continuare se va considera că obiectul este mai cald, comparativ cu senzorul, deci fluxul va fi pozitiv.

Pe baza curgerii radiației IR, temperatura elemntului de detecție crește sau descrește cu o rată ce poate fi derivată în timp din absorbția puterii termice, și a capacității termice, C, a elementului [4]:

≈ (2.10)

Această ecuație este valabilă într-un interval relativ scurt, imediat ce senzorul este expus fluxului termic și poate fi utilizat pentru a evalua amplitudinea semnalului.

Curentul electric generat de senzor poate fi exprimat prin următoarea formulă fundamentală [4]:

(2.11)

Q = sarcina electrică dată de senzorul piroelectric; depinde de coeficientul piroelectric, P, de suprafața, s, a senzorului și de schimbarea temperaturii [4]:

(2.12)

Capacitatea termică, C, poate fi derivată din căldura specifică, c, a materialului, suprafața s și grosimea elementului, h [4]:

(2.13)

Prin substituirea relațiilor (2.10), (2.12) și (2.11) și (2.13) se poate calcula curentul de vârf generat de senzor ca răspuns al fluxului termic incident [4]:

= (2.14)

Pentru a stabili o relație între curent și obiectul în mișcare, fluxul calculat în relația (2.9) trebuie înlocuit în relația (2.14) și se va obține următoarea relație [4]:

b (2.16)

Raportul, caracterizează detectorul, în timp ce b se referă la obiect. Curentul piroelectric, i, este direct proporțional cu diferența de temperatură (contrastul termic) între obiect și împrejurimile sale, de asemenea, curentul piroelectric este proporțional cu suprafața obiectului. Din cauza faptului că temperatura ambiantă în ecuațiile (2.9) și (2.15) apare la puterea a treia, contribuția acesteia nu este așa de importantă. Temperatura ambiantă trebuie exprimată în grade Kelvin, prin urmare variațiile sale devin relativ mici în raport cu scara. Amplitudinea semnalului este afectată în mod direct de grosimea lentilelor. Pe de altă parte, curentul piroelectric, i, nu depinde de suprafața senzorului, atâta timp cât lentilele focalizează întreaga imagine pe elementul senzorial.

2.5. Modul de lucru al dispozitivelor cu senzori PIR

Structura generală a unui senzor PIR este formată din patru blocuri și este evidețiată în figura următoare:

Figura 2.7 Schemă bloc pentru dispozitiv cu senzor PIR[5]

Primul bloc format din energia termică și lentilele Fresnel este pentru focalizarea optică a radiației IR pe senzor. Cel de-al doilea este blocul de detecție al senzorului. Acest bloc conține un senzor PIR pentru detecția radiației IR. Filtru IR fiind montat pe senzor este direct răspunzător pentru gama optimă de frecvențe. Al treilea bloc este cel în care se realizează amplificarea semnalului de la ieșirea senzorului. Un amplificator tipic este format din două etaje de amplificare în care fiecare etaj de amplificare are câștigul aproximativ 100. Ultimul bloc este format dintr-un comparator ce oferă tensiunea de ieșire specifică senzorului pentru nivelul logic unu și 0V pentru nivelul logic zero.

Robustețea circuitului este crescută prin adăugarea în circuit a unui comparator suplimentar. Prin această îmbunătățire s-a ajuns la dezvoltarea celei de a doua generație de dispozitive cu senzori PIR. Evoluția tehnologiei a dus evident la dezvoltarea generației a treia de dispozitive ce folosesc acest senzor PIR. În această generație comparatorul este înlocuit cu un microcontroler și un ADC (convertor analog-digital).

Lentile Fresnel

Așa cum s-a prezentat în capitolul anterior, o lentilă Fresnel este o lentilă plan convexă, care a fost turtită pentru a forma o lentilă plată cu rolul de a-și păstra caracteristicile optice, dar datorită faptului că are o grosime mică va avea pierderi mici în ceea ce privește absorbția.

Figura 2.8 Formarea lentilei Fresnel [6]

Materialul din care este realizată lentila Fresnel este un transmițător în IR, care este sensibil la radiația corpului uman. Acesta are o gamă de transmisie de la 8 µm până la 15µm. S-a ales acest mod de proiectare a lentilei pentru ca elementul senzorial IR să întâlnească “șanțurile”, iar partea netedă să se expună, deoarece în cele mai multe cazuri aceasta reprezintă elementul exterior al caracasei senzorului.

Se știe că o problemă pe care o întâmpină o lentilă Fresnel constă în forma acesteia deoarece modelul este în strânsă legătură cu performanțele lentilei. Pentru creșterea performanțelor și a ariei de acoperire au fost realizate cât mai multe tipuri de modele.

Senzorul PIR

Senzorul PIR este un dispozitiv electronic care generează sarcină electrică atunci când este expus la radiația IR. Așa cum sugerează și numele senzorul PIR este făcut dintr-un material piroelectric, precum cristalul. Când radiația IR care lovește cristalul se schimbă, sarcina electrică se schimbă și ea. Această sarcină este depistată și convertită într-un nivel de tensiune de către tranzistorul TEC-J, tranzistor ce este situat în interiorul senzorului. Senzorul este sensibil la un spectru destul de larg. Circuitul echivalent al senzorului este arătat în următoarea figură:

Figura 2.9 Senzorul PIR și circuitul echivalent al acestuia [7]

În partea stânga sus a circuitului este un filtru IR ce are rolul de a limita gama de sensibilitate a senzorului. În general, acest filtru este proiectat cu o bandă de trecere în intervalul 0.5 µm ÷15 µm.

Figura 2.10 Răspunsul filtrului IR [7]

Elementele duale compensate de sensibilitate sunt puse cu scopul de a suprima interferențele ce apar în urma variațiilor cu temperatura, rezultând în felul acesta o mai bună stabilitate a senzorului. O creștere a energiei IR de a lungul întregului senzor este auto-anulată și în acest fel nu va fi declanșat dispozitivul. Acest lucru îi oferă senzorului o rezistență ridicată în ceea ce privesc indicațiile false de schimbare atunci când senzorul este expus la licăriri puternice continue. Iluminarea continuă ar putea satura materialele din care este construit senzorul și implicit să împiedice senzorul să înregistreze viitoarele informații. În același timp folosind modul diferențial, sunt minimizate interferențele care sunt prezente în modul comun, oferindu-i dispozitivului persistență la declanșare atunci când este prezent în apropiere câmp electric.

Circuitul de amplificare

Deoarece valoarea tensiunii de la ieșirea senzorului PIR este foarte scăzută, aceasta trebuie amplificată. Pentru un senzor de prima generație circuitul de amplificare în mod clasic este format din două etaje de amplificare. Fiecare etaj are un câștig de aproximativ 100, ceea ce corespunde unui câștig total de 10000, ducând astfel la folosirea unui amplificator cu caracteristici trece bandă.

Ieșirea unui senzor PIR are o tendință de scădere în frecvență în jurul valorii continue la aproximativ 10 Hz [7]. Așadar, răspunsul în frecvență al blocului amplificator tinde să elimine sau să reducă componentele la frecvențe înalte, cât timp ieșirea senzorului PIR este amplificată în banda de frecvență corespunzătoare.

Se obține la ieșirea blocului amplificator un semnal analogic. Pentru a obține la ieșire o putere semnificativă pentru prima și cea de a doua generație de senzori, semnalul analogic este comparat cu un prag, în timp ce pentru senzorii din a treia generație se ia în considereare acest semnal, fără a se mai compara cu vreun prag. După ce are loc obținerea semnalului analogic, se trece în domeniul digital și are loc procesarea semnalului [7].

Comparatorul

Acest bloc funcționează pe principiul comparării informației obținute la ieșirea senzorului cu niște praguri de tensiune prestabilite. Dacă semnalul se află între cele două valori de prag, atunci semnalul nu provine de la un corp în mișcare, deci la ieșirea comparatorului va fi valoarea 0. Pe de altă parte, dacă există mișcare semnalul va avea o amplitudine mai ridicată depășind astfel valorile de prag și la ieșirea lui obținându-se valoarea maximă de alimentare.

Pentru senzorii din a doua generație schema comparatorului este mai complicată, deoarece se dorește pe cât mai mult posibil reducerea alarmelor false.

2.6. Generații de senzori

2.6.1. Prima generație de senzori

Prima generație de senzori reprezintă cea mai puțin dezvoltată parte electronică din gama senzorilor. Acest tip de senzori are cea mai mare rată de alarme false și întâmpină probleme în ceea ce privește distingerea corpurilor în mișcare.

2.6.2. A doua generație de senzori

Cea dea doua generație de senzori reprezintă versiunea modificată a primei generații. Singura componentă care rămâne nemodificată este senzorul PIR. Pentru lentilele Fresnel a fost modificată geometria pentru a avea performațe mai ridicate în ceea ce privește gama de detecție și senzitivitatea. Reducerea zgomotului are la bază modificarea părții ce cuprinde etajul amplificator. Partea ce cuprinde comparatorul, a fost modificată prin crearea unui nou comparator și punerea în schema electrică a unui circuit suplimentar pentru a putea fi implementați algoritmi pentru procesarea semnalelor (ex. Semnalul folosit pentru compensarea în temperatură). În urma acestor schimbări rata alarmelor false scade și sistmul de detecție poate face diferența între animale și oamenii, răspunzând în mod corespunzător.

Cu toate că cea de-a doua generație de senzori, este o versiune îmbunătățită a primei generații, acest tip de senzor întâmpină uneori anumite probleme în ceea ce privește declanșarea alarmelor false și totodată senzorul nu este utilizat într-un mod eficient. În cea de doua generație semnalul analogic obținut la ieșirea amplificatorului este convertit în pulsuri, iar decizia de declanșare a dispozitivului este luată în funcție de aceste pulsuri. Această metodă nu este foarte utilă pentru aplicarea algoritmilor, deoarece în felul acesta sunt limite aplicațiile ce se pot dezvolta cu ajutorul senzorilor PIR.

2.6.3. A treia generație de senzori

În cea de a treia generație de senzori, în locul pulsurilor, se folosește un convertor ADC, iar la ieșirea amplificatorului se obține versiunea eșantionată a semnalului analogic ce este prelucrată de „microcontroller”.

După eșantionarea semnalului de la intrare, datele obținute sunt transmise către „microcontroller”. Cu ajutorul „microcontrollerului” se pot dezvolta și implementa diverși algoritmi care pot optimiza funcționarea senzorului. O modalitate de transmitere a informației constă în folosirea unui canal de comunicație serială cu calculatorul.

Principalele componente ale unui senzor de mișcare din a treia generație sunt:

Partea optică – rol în focalizarea energiei termice pe senzor (lentile FRESNEL) [8]

Senzorul propriu-zis – rol de a converti energia infraroșie în energie electrică [8]

Figura 2.11 Transformarea semnalului IR în semnal electric [8]

„Microcontrollerul” sau circuitul care are rolul de a procesa semnalele – analizează semnalul electric și separă alarmele reale de cele false. Sunt utilizate praguri multiple pentru măsurarea relației complexe între amplitudinea semnalului, polaritatea acestuia și durata [8].

O problemă majoră pentru a doua generație de senzori constă în distorsionarea semnalului de la ieșirea circuitului de amplificare prin “intrarea în saturație a amplificatorului“ atunci când există o sursă intensă cu IR. Câștigul amplificatorului este ajustat astfel încât un om care trece prin fața senzorului la o distanță de 1m nu va duce la “saturarea amplificatorului” [7].

2.7. Montarea senzorului

Așa cum s-a mai spus, una dintre marile probleme în ceea ce privește montarea senzorului este că acesta tinde să aibă alarme false. Atunci când se montează un detector de mișcare trebuie ținut cont de locul unde se va instala astfel încât să se obțină eficiență maximă și alarmele false să fie cât mai puține. Atunci când detectorul este declanșat de aerul cald provenit de la calorifer, sau de mișcarea gândacilor pe podea, aceste lucruri simple duc la o multitudine de alarme false. Aceste probleme tind să fie mai accentuate atunci când sistemul funcționează cu unde acustice sau cu fascicule fotoelectrice. Datorită tehnologiei avansate din zilele noastre, sistemele de senzori ce sunt formate cu un “microcontroller” sunt programate astfel încât senzorul să recunoască căldura specifică animalului de companie, evitându-se în acest fel declanșarea inutilă a sistemului de detecție. Nu s-a găsit însă nici o soluție pentru evitarea declanșării sistemului atunci când este vorba de gândaci, furnici sau șoareci.

Pentru a alege cel mai bun loc de montare a senzorului este necesară o poziție a senzorului în așa manieră, încât acesta să poată acoperi întreaga suprafață. Senzorul PIR trebuie montat la înălțimea specificată în foaia de catalog.

Cea mai bună poziție pentru detectoarele cu PIR în orice încăpere, este în mod ideal într-unul din colțurile camerei – poziție ce ajută la reducerea unghiurilor moarte, cu vizibilitate spre toate ferestrele. În cazul în care nu este posibilă o asemenea așezare, este indicat ca PIR-ul să bată cât mai mult pe direcția ferestrei, deoarece fereastra constiuie o potențială sursă de efracție.

Raționamentul pentru o astfel de așezare este faptul că vizibilitatea sistemului de detecție a mișcării creează un factor descurajant pentru un potential intrus și de asemenea este mult mai folositor pentru funcționarea PIR-ului, în situația în care o persoană se deplasează de-a lungul camerei, dar nu spre direcția senzorului, sistemul trebuie de asemenea să fie într-o poziție vizibilă [9].

Figura 2.12 Exemplu de instalare a senzorului PIR [9]

Exemplul din figura 2.12 a) arată așezarea a trei dispozitive de detecție în cea mai practică metodă raportată la planul podelei, fiind ușor de observat din zona ferestrelor. În această configurație se obține eficiența maximă. În figura 2.12 b) se evidențiază cum nu ar trebui să fie montat un senzor.

Nu este indicat ca senzorul să fie fixat: deasupra caloriferului, în așa manieră încât senzorul să bată direct spre fereastră, în încăperi unde sunt multe animale, etc.

CAPITOLUL 3

Comparație între senzorii PIR și senzorii RADAR

3.1. Introducere

De-a lungul anilor, tehnologia a avansat cu o rată exponențială. În ultima vreme, lumea s-a axat din ce în ce mai mult pe eficiența și conservarea energiei. O altă tendință de dezvoltare a tehnologiei constă în conceptul de automatizare a locuinței și a locului de muncă.

O altă categorie de senzori utilizați în detecția mișcării, controlul sistemelor de iluminat, reducerea consumului de energie și asigurarea unei securități ridicată este reprezentată de senzorii de prezență radar sau senzorii ultrasonici. Denumirea de radar vine de la „RAdio Detection and Ranging” – detecție prin radio și determinarea distanței.

Senzorii de proximitate sunt definiți ca fiind dispozitive care permit detectarea și semnalizarea prezenței unor obiecte în câmpul lor vizual fără contact fizic cu ținta respectivă.

Radarul utilizează principiul reflexiei undelor radio, ce constă în emiterea undelor radio în direcția unei ținte și înregistrarea semnalului reflectat pentru a detecta prezența țintei, iar în același mod un senzor acustic transmite unde acustice în aer și detectează undele reflectate de un obiect. Senzorii ultrasonici sunt utilizați în diverese aplicații cum ar fi sistemele de alarmă, deschiderea automată a ușilor, etc.

Radarul nu mai este doar un echipament pentru a sprijini industria aerospațială și activitățile maritime. Inovațiile, precum casa inteligentă, monitorizarea de la distanță și sisteme avansate de securitate fac accesibile noi oportunități pentru detectoarele bazate pe radar.

Așa cum am discutat în capitolul precedent pentru detecția mișcării in interiorul locuinței este folosit un senzor PIR. Senzori PIR sunt disponibili la un cost relativ scăzut și oferă performanțe acceptabile pentru obținerea automatizării locuinței, însă aceștia prezintă o serie de limitări. Senzori PIR, de exemplu, au un interval de detecție relativ scurt, acesta fiind de aproximativ 10 metri. În plus, obiectivul trebuie să fie în mișcare și trebuie să existe o diferență semnificativă de temperatură între țintă și mediul înconjurător. Există o probabilitate ridicată de apariție a alarmelor false, dar în același timp și eșecuri de detectare în condiții nefavorabile, cum ar fi în cazul în care temperatura din aer poate fi aproape de temperatura corpului sau dacă ținta se deplasează foarte încet .

Un senzor de prezență bazat pe radar poate avea gamă de detecție mult mai mare decât cea pe care o are senzorul PIR, până la 30÷40m în funcție de proprietățile de reflexie ale obiectului și de capabilitatea de detecție a prezenței țintei chiar atunci aceasta este încă în picioare. Fluctuațiile temperaturii ambiante nu afectează procesul de detecție. Mai mult decât atât, detectoarele bazate pe radar pot fi proiectate pentru a calcula poziția unui corp, în felul acesta oferindu-se posibilitatea de a dezvolta cât mai mult clădirea inteligentă. Reglarea intensității luminoase a lămpii poate fi redusă, de exemplu, pentru a asigura o luminozitate optimă pentru studiu, acest lucru conducând la reducerea consumului de energie.

Radarul poate detecta, de asemenea, viteza țintei în mișcare și direcția de mișcare, ceea ce creează oportunități pentru evoluția automatizării clădirilor. În cazul senzorilor utilizați pentru controlul ușilor glisante, detectarea direcției poate face diferența între trecători și clienții care intenționează să intre în magazin, prin aceasta evitându-se deschiderea și închiderea nedorită a ușilor. Viteza și direcția de detecție ajută la detectarea hoților, făcând echipamentul să devină mai inteligent și să furnizeze informații mai detaliate pentru personalul de securitate [10].

Condusă de dezvoltarea rapidă a tehnologiei procesării informației, senzorii ultrasonici sau radar si-au găsit aplicabilitatea în diverse domenii de inginerie.

Având în vedere tehnologia de realizare a materialelor ceramice cu efect piezoelectric, Murata a dezvoltat diverse tipuri de senzori cu ultrasunete, care sunt compacte, dar totuși au o performanță ridicată.

Unul dintre avantajele detectoarelor cu ultrasunete este capabilitatea remarcabilă de detecție obiectelor greu de sesizat, deoarece ultrasunetele se pot propaga prin orice fel de medii, inclusiv solide, lichide și gazoase, cu excepția vidulului.

3.2. Detectoarele DOPPLER

Detectorul de proximitate (folosit numai pentru obiectele în mișcare) se bazează pe efectul Doppler și este cunoscut sub denumirea de radar cu microunde. Acesta funcționează în banda X, în intervalul de frecvențe 10.675-10.7 GHz.

Deși această tehnologie pare greu de realizat, prețul senzorilor de proximitate radar este în mod surprinzător mult mai mic decât cel al senzorilor PIR. Senzorul de proxitate este format dintr-un oscilator cu diodă Gunn ce are o antenă de emisie de 10 mW la ieșire și o antenă de recepție ce conține un “mixer diode”. O parte a ghidului de undă, între antene, alimentează cu o parte de la ieșirea oscilatorului mixerul atunci când are loc schimbarea frecvenței, iar la ieșirea mixerului este generat un semnal de mică frecvență când orice obiect din câmpul vizual al senzorului este în mișcare, ce este amplificat într-un bloc separat.

Capacitatea de detecție a senzorului depinde de dimensiunile țintei, un corp în mișcare poate fi detectat de la o distanță de un metru până la cincisprezece metrii. Un corp în mișcare generează un semnal Doppler a cărui frecvență este centrată in jurul frcvenței de 50 Hz, iar senzitivitatea maximă a amplificatorului din sistemul Doppler este obținută la această frecvență. Acest lucru duce la impunerea a două restricții când este utilizat sistemul. Prima se referă la faptul că atunci când sistemul funcționează, ținta să nu fie fluorescentă. Gazul ionizat dintr-un tub fluorescent acționează ca un reflector cât timp tubul este într-o stare de conducție, dar nu și atunci când acesta este într-o stare opusă, așadar pentru orice sursă de lumină fluorescentă se va putea obține o undă electromagnetică puternic reflectată la 100 Hz. Această restricție nu este așa de importantă precum pare, deoarece metodele de detecție radar în mod particular sunt potrivite pentru spațiile închise, în timp ce pentru detecția în spațiile deschise este recomandat folosirea metodelor optice.

Cealaltă restricție se referă la faptul că senzitivitatea ridicată a amplificatorului necesită o tensiune de alimentare de 12V pentru o frecvență de 50 Hz [11].

Figura 3.1 Senzor bazat pe efectul Doppler [12]

În figura 3.1 se observă că receptorul prelucrează semnalul obținut prin înmulțirea semnalului transmis cu semnalul primit, reflectat de la tinta în mișcare. Datorită efectului Doppler, viteza de mișcare a unui obiect, față de antenă, duce la modificarea frecvenței; aceasta fiind calculată prin următoarea relație:

(3.1)

Unde este viteza mutuală și este o mărime ce se exprimă în metri pe secundă, f este frecvența semnalului, unitatea de măsură este Hz, iar c este viteza luminii.

Recent, s-au dezvoltat radare anti-coliziune utilizate pentru menținerea distanței optime între autoturisme și respectiv atenționarea șoferului vizual și auditiv pentru a determina apăsarea pedalei de frână. Frecvența de lucru este de aproximativ 77Ghz, dar dacă se consideră viteza mașinii de 100 km/h și un semnal de 10GHz, printr-un calcul simplu frecvența Doppler este egală cu 1851.85 Hz [12].

(3.2)

Frecvența Doppler este constituită numărul de ondulații ale frecvenței semnalului trecut pe lângă țintă într-o secundă. Cu cât viteza este mai ridicată, cu atât frecvența Doppler va fi mai mare.

Un astfel de sistem, ce poate detecta semnalele în fază, poate de asemenea să indice sensul de mișcare al țintei: obiectele care ies din raza de acțiune generează un semnal de frecvență mai slabă comparativ cu frecvența semnalului detectorului, în timp ce obiectele care se apropie generează semnale cu o frecvență mai ridicată.

Un astfel de sistem Doppler este folosit de către poliție pentru a detecta mașinile care circulă cu o viteză mai mare decât este admis. Aceste detectoare pot detecta până la o distanță de 100 de metri, utilizând un emițător cu o putere tipică de 10-100 mW.

Sistemele Doppler au de obicei un cost redus, pot detecta obiectele în medii dense, iar atunci când sunt montate în configurație de triunghi, se poate măsura viteza vector țintei. Dispozitivele care funcționează cu unde de ordinul milimetrilor pot ajuta persoanele oarbe să se deplaseze.

3.3. Senzorii ULTRASONICI

3.3.1. Caracteristici generale ale undelor cu ultrasunete

Undele cu ultrasunete sunt sunete care nu pot fi auzite de către urechea umană, cu frecvențe mai mari de 20kHz. Caracterisicile de bază ale undelor cu ultrasunete sunt explicate în următoarele paragrafe.

Lungimea de undă și radiația

Viteza de propagare a undei este exprimată prin multiplicarea frecvenței și a lungimii de undă. Viteza unei unde electromagnetice este de 3·m/s , în timp ce viteza de propagare a undelor acustice în aer este de aproximativ 344 m/s (la 20°C). La aceste viteze mici lungimile de undă sunt scurte, iar acest lucru înseamnă că distanța și direcția se pot estima cu precizie [13].

Reflexia

În scopul detecției prezenței corpului, undele cu ultrasunete sunt reflectate de obiecte. Deoarece materiale precum metalul, lemnul, sticla, hârtia, cauciucul refectată în totalitate undele cu ultrasunete, obiectele confecționate din aceste materiale pot fi detectate cu ușurință. Materialele ca bumbac, lână, stofă absorb undele cu ultrasunete, făcând dificilă detecția. Greu de detectat sunt și obiectele cu suprafață mare curbată din cauza reflecției neregulate [13].

Efectele temperaturii

Viteza de propagare a sunetului, c, se exprimă prin următoarea formulă:

(m/s) [13], unde t reprezintă temperatura (°C) (3.3)

Deoarece viteza sunetului variază în funcție de temperatura circumferențială, pentru a măsura cu precizie distanța până la țintă este necesară verificarea temperaturii la fiecare moment de timp.

Atenuarea

Puterea undelor ultrasonice propagate în aer scade proporțional cu distanța, pentru că apar pierderi prin difuzie pe o suprafață sferică. Această energie este absorbită de mediu din cauza faptului că apar fenomene de difracție [13].

3.3.2 Modul de construire și principiul de funcționare

Atunci când este aplicată o tensiune pe ceramica piezoelectrică, apar distorsiuni mecanice în funcție de tensiune și de frecvență. Pe de altă parte atunci când sunt aplicate vibrații pe ceramicele piezoelectrice, se produce o sarcină electrică. Prin aplicarea acestui principiu, atunci când un semnal electric este adăugat unui material ce are proprietatea de a vibra construit fie din două plăci de material ceramic piezoelectric, fie dintr-o placă de ceramic piezoelectric și o placă de metal un semnal electric este radiat prin curbura radiațiilor. Semnalul electric apare ca efect invers atunci când vibrația acustică este adăugată materialului ce are proprietatea de a vibra. Din aceste considerente, în realizarea senzorilor cu ultrasunete este folosită ceramica piezoelectrică.

Figura 3.2 Construcția structurii deschise a senzorului cu ultrasunete [13]

Senzor ultrasonic de tip “open structure”

Așa cum se observă din figura 3.2 vibratorul multiplu este fixat pe soclu. Acest vibrator multiplu este compus dintr-un rezonator și un vibrator care la rândul său are în componență o placă metalică și o placă de ceramică piezoelectrică.

Senzor ultrasonic de tip încapsulat

Datorită faptului că senzorii cu ultrasunete au în componența lor o capsulă ce îi protejează de rouă, ploaie și praf aceștia se pot utiliza cu ușurință în mediul exterior. Ceramica piezoelectrică este așezată în partea de sus a carcasei metalice. Intrarea în carcasă este acoperită cu rășină.

Figura 3.3 Constructia unui senzor de tip încapsulat [13]

3.3.3. Caracteristici electrice

Caracteristicile presiunii acustice

Nivelul de presiune a sunetului (S.P.L) este unitatea care indică volumul sunetului exprimat prin următoarea formula :

S.L.P = 20 (3.4)

P este presiunea acustică a senzorului (Pa), iar este presiunea acustică de referință a senzorului ~ .

Caracteristici de sensibilitate

Sensibilitatea este unitatea care indică nivelul de recepție al sunetului și este exprimată prin următoarea formula [13]:

Sensibilitatea(dB) (3.4)

S este tensiunea senzorului (V) și este presiunea de referință acustică (V/Pa).

Radiația

Senzorul cu ultrasunete este montat pe un perete. Pentru a exprima radiația cu precizie, este necesar să se cunoască relația între unghi și presiune (sensitivitatea). Unghiul la care nivelul presiunii acustice (senzitivitatea) este atenuat cu 6dB comparativ cu nivelul principal se numește unghiul cu atenuare la jumătate, .

3.4. Comparație între senzori PIR și senzori cu ultrasunete

Din punct de vedere al modului de funcționare, infraroșu este o categorie a radiațiilor electromagnetice cu o lungime de undă între 750nm și 100µm. Infraroșu este în afara spectrului vizibil al luminii, dar este emis de obiectele și ființele umane. Adesea este util să asociem radiația în infraroșu cu căldura radiată de un corp. Elemenetul de detecție al senzorului PIR este un dispozitiv piroelectric care generează temporar un potențial electric atunci când crește sau scade radiația infraroșie. După ce timpul de relaxare dielectric permite detecția continuă potențialul ajunge la zero. Lentilele Fresenel sunt montate deasupra dispozitivului piroelectric, cu scopul de a fi prevenite alarmele false, de a furniza o sensibilitate uniformă și pentru lărgirea câmpului vizual al senzorului. Aria de acoperire a senzorului este văzută de către lentilele Fresnel ca un evantai în care zonele de acoperire sunt organizate în mod corespunzător cu mici goluri între acestea. Devierea între aceste zone este interpretată prin apariția unui corp în zona de detecție. Aceasta este mai sensibilă la mișcarea care apare între fiecare zonă laterală a senzorului. Cu cât sunt mai depărtate zonele laterale de senzor, cu atât vor fi mai mari golurile între aceste zone, lucru care duce la scăderea proporțională a senzitivității în raport cu distanța. Cei mai mulți senzori sunt sensibili la mișcarea completă a corpului cam la aproximativ 40 ft., dar, de asemenea, sunt sensibili și la mișcarea mâinii, sensibilitatea este mai discretă, de aproximativ 15 ft.

Senzorii cu ultrasunete lucrează în mod similar senzorilor cu radar, bazându-se pe principiul Doppler.

Un traductor piezoelectric convertește energia electrică într-o undă acustică cu frecvență tipică în intervalul 40-50 kHz. Această frecvență ridicată a undei acustice, lovește un obiect și este reflectată înapoi spre un alt traductor care convertește unda acustică înapoi în energie electrică. Distanța la care se află ținta poate să fie estimată, imediat ce ecoul a fost primit înapoi. Pentru a calcula distanța se folosește următoarea relație, în care mărimile utilizate sunt: d și reprezintă distanța, c, viteza sunetului și t, este timpul consumat de semnal. În cazul în care mediul de propagare este aerul, viteza sunetului, c, are valoarea egală cu 340.29 m/s [14].

(3.5)

a) PIR Sensor b) Senzor cu ultrasunete

Figura 3.4 Tipuri de senzori [15]

Senzorii PIR au fost folosiți de-a lungul anilor ca detectoare de mișcare, datorită fiabilității lor ridicată și opunerii în ceea ce privește declanșarea alarmelor false. Acest tip de senzori nu poate fi afectat în mod negativ de fluxul de aer precum alte tipuri de senzori. De asemenea, datorită naturii lor pasive, senzorii PIR au un consum redus de putere, așadar sunt potriviți pentru aplicațiile cu utilizează ca sursă de alimentare o baterie.

Senzorii cu ultrasunete nu au goluri în zona de acoperire precum au senzorii PIR și de asemenea pot fi sensibili la mișcări neînsemnate la o distanță aproape dublă. Per-total gama de detecție a senzorilor cu ultrasunete este comparabilă cu cea a unui senzor PIR. Un avantaj al senzorului cu ultrasunete comparativ cu senzorul PIR este reprezentat de faptul că acesta poate detecta mișcarea chiar dacă în raza sa de vizibilitate se află obstacol parțial. Diferența majoră între un senzor cu ultrasunete și un senzor PIR constă în capacitatea senzorului de a calcula distanța față de obiectul în mișcare.

Deși senzorul PIR ar părea o alegere ideală pentru aplicațiile dezvoltate în ceea ce privește detecția mișcării, trebuie luate în considerare și câteva dezavantaje. Acesta nu are capabilitatea de a distinge cu ușurință oamenii de animalele mici și este pasibil la “punctele moarte”, care au zone în afara câmpului vizual, unde mișcarea nu poate fi detectată. Cu cât se îndepărtează mai mult ținta de senzor, cu atât aceasta va fi mai greu de detectat.

Unul din principalele avantaje ale senzorului cu ultrasunete, adesea este unul din principalele dezavantaje. Deseori sensitivitatea ridicată a senzorilor acustici duc la provocarea alarmelor false. Spre exemplu, aerul provenit de la un ventilator cauzează declanșarea senzorului.

Senzorul PIR este sensibil la schimbările drastice cu temperatura, în timp ce senzorul cu ultrasunete este afectat de temperatura aerului.

Senzorii acustici din punct de vedere al costului sunt mai scumpi, dar totodată oferă o arie de acoperire mai mare, sunt independeți de temperatura corpului și pot detecta mișcarea prin sticlă, lemn, etc.

Senzorii PIR sunt potriviți pentru spațiile închise și pentru spațiile deschise, suprafețele cu tavan înalt, spațiile cu flux ridicat de aer, spații în care este necesară mascarea anumitor zone de detecție nedorite. Aceste spații includ birourile private, holurile, culoarele magaziilor, sălile de conferință, librăriile. Senzorii cu ultrasunete, sunt mai adecvați pentru spațiile în care nu este posibilă detecția, cum ar fi camerele separate și în spațiile în care este necesar un nivel mai ridicat de sensibilitate. Astfel de spații sunt grupurile sanitare, scăriile, holurile închise, etc. În cazul senzorilor PIR pot apărea diverse probleme cauzate fie de nivelul scăzut de mișcare al persoanelor din incintă, fie de obstacolele care blochează raza de vizibilitate a senzorului și respectiv de locul în care sunt montați acești senzori (locuri unde sunt prezente vibrațiile). În cazul senzorilor cu ultrasunete probleme ce pot apărea sunt din cauza nivelului tavanului mai ridicat de 14 ft., nivelului ridicat de vibrații sau de fluxului de aer care poate creea neplăceri în ceea ce privește declanșarea senzorului; și spațiile deschise care necesită o acoperire selectivă [16].

Prin compararea senzorilor acustici cu senzorii PIR în ceea ce privește performanța generală se poate observa că aceștia oferă caracterisici asemănătoare.

Alte tehnologi de senzori: În industria manipulării luminii, piața senzorului este dominată de senzorul PIR și respectiv senzorul acustic. Senzorii ce utilizează tehnologia micorundelor sunt deasemenea disponibili. Cu toate acestea, senzorii cu microunde sunt limitați în utilizarea sistemelor de alarmă și securitate. Alte tipuri de senzori se pot baza în mod indirect pe detecția mișcării, însă acest tip de senzor are o utilitate limitată, fiind utilizat numai în aplicații speciale.

Figura 3.5 Gama tipică de acoperire a senzorilor PIR și cu ultrasunete [17]

În concluzie, senzori de mișcare se diferențiază față de senzorii de prezență, în principal prin:

Modul în care este detectată ținta în mișcare

Zonele unde sunt utilizați acești senzori

Modul de conectare al senzorilor

Tabel 3.1 Senzor de mișcare vs. Senzor de prezență

CAPITOLUL 4

Proiectarea și implementarea unei aplicații cu ajutorul unui senzor PIR

Introducere

Securitatea casei este un lucru care influențează viața de zi cu zi și reprezintă un aspect important în viața noastră. Creșterea rapidă a populației a dus la dezvoltarea tehnologiei, în domeniul securității, acesta bazându-se pe caracterisiticile tehnologiei mobile pentru obținerea informațiilor într-un mod rapid și ușor accesibil. Dezvoltarea acestei aplicații se concentrează, în principal, pe detectarea unui corp în mișcare și atenționarea utilizatorului, atunci când acesta nu se află în preajma casei. Utilizatorul este atenționat print-un mesaj text, în care se specifică ora și durata pe care a avut loc declanșarea dispozitivului în care este inclus senzorul. Prin această facilitate, bazată pe tehnologia comunicării la distanță realizată cu un dispozitiv GSM, mesajele sunt transmise rapid, cu precizie spre numărul specificat și la un cost redus. Modulul GSM este foare util atunci când este integrat într-un sistem de securitate. Informațiile sunt trimise de către sistemul de securitate și recepționate de utilizator sub formă de mesaj text. Automatizarea acestui sistem s-a realizat cu ajutorul limbajului C, din cadrul platformei de dezvoltare ARDUINO.

4.2. Sistemul realizat practic

Realizarea sistemului are la bază următoarele componente: un „microcontroller” ATmega 328 cu ajutorul căruia sistemul realizat îndeplinește funcționalitatea pentru care a fost creat prin încărcarea programului, un senzor PIR pentru detectarea mișcării, de tipul GH-718C, un tranzistor BC337, un LED, un modul GSM-LoNet SIM800L pentru comunicarea la distanță cu telefonul utilizatorului, un ecran LCM1602CSL – pe care sunt afișate informații referitoare la starea senzorului – declanșat sau nedeclanșat, valoarea intensității luminoase obținută prin punerea în circuit a unui fotorezistor, un stabilizator în comutație, ce este utilizat pentru a oferi modulului GSM tensiunea de 4V, un stabilizator liniar de tensiune cu rolul de a alimenta „microcontrollerul” cu o tensiune specifică de 5V, rezistențe, condensatoare, programator și un alimentator de 9V cu rolul de a alimenta întregul circuit și două “breadboard-uri”.

4.2.1. Unitatea de control

Unitatea de control are la bază microcontrolerul ATmega 328. ATmega 328 este un circuit integrat de înaltă performanță, de mică putere, cu un set redus de instrucțiuni, ce funcționează pe 8 biți, are în componență 28 de pini și în plus acesta are o memorie SRAM și o memorie “flash”. Datorită memoriei “flash” nu mai este necesară reîncărearea programului în “microcontroller” la fiecare rulare a acestuia. Acesta are 14 pini digitali de intrare sau ieșire, 6 pini analogici care pot funcționa prin aplicarea unui semnal de tip PWM, un cristal de cuarț (16MHz), conectori pentru comunicația serială sau prin USB, conectori pentru alimentare, ICSP și un buton de reset. „Microcontrollerul” este alimentat fie printr-un cablu USB conectat la un calculator fie printr-un adaptor AC-DC sau chiar cu o baterie. „Microcontrollerul” ATmega 328 funcționează într-o gamă tipică de tensiuni între 1.8V-5.5V. Viteza de funcționare a „microcontrollerului” variază în funcție de tensiunea de alimentare. Spre exemplu pentru o tensiune de alimentare în intervalul 1.8–5.5V avem o frecvență între 0 și 20MHz. Curentul consumat pentru o tensiune de 1.8V și frecvență de 1MHz, la temperatura ambiantă de 25°C, atunci când „microcontrollerul” este în modul activ este de 0.2 mA, iar când nu funcționează este de 0.1 µA [19].

Figura 4.1 Pinii „microcontrollerului” ATmega 328 [20]

4.2.1.1. Programarea „microcontrollerului” ATmega 328

Sunt două modalități de programare a acestui „microcontroller”:

ICSP – “in circuit serial programming”

SERIAL

Pentru programarea „microcontrollerului” prin ICSP este necesară conectarea următorilor pini: MISO, MOSI, SCK, RESET, VCC, GND la un programator extern. Cu ajutorul programatorului extern ICSP permite programarea memoriei „flash” a „microcontrollerului”.

Pentru programarea „microcontrollerului” SERIAL se vor folosii pinii: Rx, Tx, RESET, VCC, GND, NC (aici nu se folosește). Dacă se optează pentu acest mod de programare trebuie făcută mai întâi programarea prin ICSP.

Codul „microcontrollerului” se poate scrie în mediul de programare ARDUINO IDE sau AVRSTUDIO. Am optat pentru utilizarea acestui „microcontroller” deoarece permite utilizarea platformei de dezvoltare „software” Arduino, fără a utiliza o placa de dezvoltare Arduino. Pentru ca acest „microcontroller” să funcționeze cu mediul, Arduino IDE, a fost necesară conectarea în circuit a unui cristal extern de 16 MHz.

4.2.1.2. Interfața serială/ Dispozitivul – FTDI FT232RL – Foca V2.2

Dispozitivul FT232RL este un dispozitiv care face conversia dintre interfața USB și interfața serială UART.

Interfața serială a fost folosită pentru a încărca codurile în „microcontrollerul” Atmega 328. Acest modul are o dimensiune redusă de numai 45.72mm x 29.21mm x 1.6 mm poate funcționa cu o tensiune de alimentare de 5V și are un consum de curent de 20 mA, iar tensiunea de ieșire este de 3.3V [21]. Nu am întâlnit probleme de comunicație cu sistemul de operare cu care lucrez și anume cu Windows 10.

4.2.2. Modulul GSM

Modulul GSM este alcătuit dintr-o unitate ce utilizează SIMCOM SIM800L. Acest modem are dimensiuni reduse, 23mm x 35mm x 5.6mm, suportă conexiune la rețea GSM/GPRS și este utilizat în această lucrare pentru transmiterea mesajelor la distanță. Placa are un consum de curent scăzut. Datorită tehnicii de reducere a consumului, curentul consumat este mai mic de 1mA în modul de repaus. Gama tensiunii de alimentare este cuprinsă între 3.4V și 4.4V. Cartela SIM utilizată este una de tip standard [24].

Figura 4.2 Modulul GSM [24]

Figura 4.3 Modul GSM cu antena [22]

Butonul de pornire – prin apăsarea acestui buton timp de 2s, atunci când circuitul este alimentat se poate porni sau nu modulul

Antena GSM – atunci când este adaugată antena se face conectarea la rețeaua de telefonie mobilă

Indicatorul de internet – este evidențiat prin LED-ul roșu și are rolul de a atenționa utilizatorul dacă modulul GSM s-a conectat la internet. Se poate dezactiva prin adăugarea unui conector de șuntare pe pinul LEDs_EN

Indicatorul de stare – reprezentativ pentru acesta este LED-ul verde. Când acest LED este aprins utilizatorul interpretează că modulul este în funcțiune. Precum indicatorul de internet și indicatorul de stare se poate dezactiva prin adăugarea conectorului de șuntare pe pinul EN_LEDs.

EN_LEDs – acest comutator de stări este în mod implicit conectat. Reducerea consumului de putere și dezactivarea celor două LED-uri se face prin tăierea efectivă a conexiunii.

Rolul pinilor de pe modulul GSM

BAT – acest pin reprezintă principala sursă prin care se face alimentarea acestui modul pentru o tensiune de intrare între 3.4V și 4.4V.

RI – informează utilizatorul dacă modulul este pornit și dacă există apeluri sau mesaje primite. Timp de 120 ms nivelul de tensiune pentru acest nivel este scăzut atunci când este recepționat mesaj sau apel și are un nivel ridicat atunci când modulul este pornit.

RXD/TXD – pinul de intrare/pinul de ieșire, reprezintă portul serial și este utilizat atât pentru recepționarea datelor/comenzilor cât și pentru transmiterea acestora.

DTR – setează modulul în modul de repaus

VIO – nivelul logic de referință pentru portul serial al modulului. Tensiunea de intrare depinde de nivelul logic pe care îl are „microcontrollerul” folosit.

4.2.3. Senzorul PIR

Senzorul GH-718C este un model destul de des utilizat pentru detecția mișcării. Se poate pune cu ușurință în conexiune cu un „microcontroller”. Acest senzor necesită un curent de 50 µA și tensiunea de alimentare aplicată pe borna „+” poate avea valori în intervalul 4.5V ÷ 20V. Amplitudinea semnalului de la ieșire este de 3.3V în momentul în care a fost detectată mișcarea și 0V atunci când nu a avut loc nici un eveniment de detecție. Poate detecta până la o distanță de maximum 7m sub un unghi de 110°.

Figura 4.4 Senzor PIR GH-718C

Figura 4.5 Schema de conectare a LED-ului și a tranzistorului

S-a ales folosirea un tranzistor BC 337 de tip NPN pentru că atunci când este atacat în bază acesta are un consum redus de curent, deoarece curentul prin baza tranzistorului are valoare foarte mică. În acest fel nu mai este suprasolicitat senzorul PIR, astfel colectorul tranzistorului fiind alimentat de la sursa de 5V. R1 este rezistența de sarcină și este utilizată pentru a evita arderea LED-ului din cauza unui curent prea mare. În această aplicație LED-ul se aprinde atunci când a avut loc declanșarea senzorului. Am decis să conectez LED-ul la tranzistor în loc de a face conexiunea direct la “microcontroller”, pentru că prin această modalitate mă pot verifica cu ușurință că ceea ce apare pe afișajul LCD în legătură cu starea senzorului PIR este în concordanță cu aprinderea LED-ului dacă a avut loc declanșarea senzorului și respectiv stingerea LED-ului în caz contrar.

Rezistorul necesar pentru funcționarea corectă a LED-ului se poate calcula comform următoarei formule:

În montajul experimental se folosește un LED roșu ce trebuie alimentat la tensiunea de 1.7V și care

are o strălucire maximă atunci când este străbătut de un curent de 0.005A. În această situație valoarea rezistorului ce trebuie adăugat în circuit are o valoare de minim 320Ω.

=320

Totuși este recomandat folosirea unui rezistor de valoare mai mare comparativ cu cea valoarea rezistenței calculată teoretic. Eu am ales să folosesc o rezistența de 330Ω.

4.2.4. Ecranul 1602

1602 semnifică faptul că acest ecran este format din 16 coloane și două linii. Se poate alimenta cu o tensiune de 5V. În circuitul realizat am mai adăugat un potențiometru ce are rolul de a regla contrastul ecranului. După rularea programului pe ecran sunt afișate următoarele informații:

1 – a avut loc declanșarea senzorului pentru că a fost simțită prezența

0 – nu s-a detectat nici o mișcare

Valoarea intensității luminoase

Valoarea duratei pentru cât timp a fost declanșat senzorul

Figura 4.6 Ecranul sistemului de detecție a mișcării

4.2.5. Stabilizatorul liniar de tensiune LM 7805

Stabilizatorul liniar de tensiune LM7805 are trei teminale, „INPUT”, „GND” și „OUTPUT” și o tensiune de ieșire fixă de 5V. Caractersitici ale acestui stabilizator de tensiune sunt evidențiate prin faptul că poate avea un curent maxim de ieșire de 1.5A, protecție la temperatură și la suprasarcină. Datorita faptului că pentru alimentarea ansamblului s-a folosit un alimentator de 9V, iar „microcontrollerul” necesită o tensiune de alimentare de 5V, ultilizarea acestui stabilizator este necesară pentru a oferi „microcontrollerului” tensiunea corespunzatoare. Condensatoarele C1 și C2 sunt puse în circuit pentru a asigura stabilitatea funcționării stabilizatorului.

Figura 4.7 Circuitul utilizat pentru transformarea tensiunii alimentatorului de 9V în tensiune de 5V cu ajutorul stabilizatorului LM7805

4.2.6. Sursa de alimentare în comutație a modulului GSM

Această sursă de alimentare în comutație este un adaptor pentru modulul GSM. Se poate alimenta cu o tensiune intre 5V și 16V, iar tensiunea oferită la ieșire este de 4V cu un curent tipic de 600 mA [23].

Figura 4.8 Sursă de alimentare în comutație utilizată pentru alimentarea modulului GSM [23]

4.3. Diagrama de conectare a acestor module

Pornind de la diagrama de conectare a acestor module am început realizarea practică a circuitului. În primă fază am conectat pe plăcuță „microcontrollerul”, un buton ce permite resetarea acestuia în mod manual ori de câte ori este necesar, cuarțul de cristal extern căruia i-am asociat două condensatoare cu valoarea de 22 pF, senzorul PIR și afișajul LCD. Cuarțul împreună cu condensatoarele C1, C2 și cu amplificatorul intern de la bornele XTAL1 și XTAL2 ale „microcontrollerului” formează un oscilator cu cuarț. Valoarea cuarțului este cea care oferă valoarea ceasului de la „microcontroller”. Cele două condensatoare au rolul de a porni și menție oscilația la o anumită frecvență, așadar cu ajutorul celor două condensatoare este stabilizată funcționarea cristalului de cuarț. Deoarece inițial nu am avut la dispoziție un programator am folosit placa de dezvoltare Arduino pe post de ArduinoISP („in-system programmer”) ceea ce mi-a permis să încarc “bootloader-ul” în „microcontroller”, lucru ce se face o singură dată atunci când folosești pentru prima oară „microcontrollerul” ATmega 328. De pe plăcuța de dezvoltare am conectat pinii digitali 13, 12, 11, pinul 10 ce îi corespunde pinului de resetare, pinul pentru alimentare (5V) și pinul de masă la conectorul ISP al „microcontrollerului” reprezentat de pinii: SCK, MISO, MOSI, reset, VTG și GND. Am folosit un cristal de cuarț extern de 16MHz. Conexiunea pe plăcuță s-a realizat astfel: un pin al oscilatorului cu cuarț a fost pus în conexiune cu pinul 9 al „microcontrollerului” și conectat în paralel cu un condensator cu valoarea de 22pF, iar celălalt pin a fost legat în aceeași manieră; singura diferență constând în fapul că acesta a fost conectat la pinul 10 al „microcontrollerului”.

Figura 4.11 Folosirea plăcii de dezvoltare ARDUINO pentru programarea „microcontrollerului” [24]

După ce programul a fost încărcat se poate înlătura placa de dezvoltare Arduino deoarce nu mai este nevoie de o reprogramare a acestuia, însă dacă algoritmul a suferit modificări este necesară o soluție alternativă pentru încărcarea acestuia în „microcontroller”. Eu am ales să înlocuiesc placa de dezvoltare cu o interfață serială FT232RL, deoarece este configurată cu un port mini USB, în felul acesta putându-se realiza procesul de comunicație cu ajutorul unui cablu de conexiune între PC și circuit în cazul în care programul a fost modificat. Pinii interfeței seriale FT232RL sunt conectați la „microcontroller” astfel: pinul TXD cu pinul digital 2, adică RX, pinul RXD la pinul digital 3,TX, și pinul DTR se conectează la un terminal al condensatorului cu valoarea de 100nF, iar celălalt terminal al condensatorului se conectează la pinul 1, pinul de RESET al „microcontroller-ului”.

Figura 4.12 Modul de conectare al interfeței seriale FT232RL la ATmega 328

În figura 4.12 se observă că în serie cu pinul de resetare al „microcontroller-ului” și cu condensatorul C1 este conectată o rezistență de „pull-up” de 10kΩ, acestea formând circuirul de resetare atunci când montajul este alimentat. Atunci este aplicată tensiunea de alimentare, Vcc, condensatorul C1 este descărcat, iar pinul de „RESET” este ținut în nivelul logic „0”, astfel resetându-se „microcontroller-ul”. Pinul de „RESET” va sta în „1” în momentul în care condensatorul C1 este încărcat prin rezistența R1. Se consideră că încărcarea se va sfârși dupa 5 R1C1.

Circuitul va porni în bune condiții datorită acestui „RESET”. În lipsa acestui „RESET” „microcontroller-ul” ar fi stare de incertitudine datorită tensiunilor tranzitorii care apar atunci când circuitul este alimentat, iar sursa de alimentare va intra în regim staționar după un timp mai îndelungat. În cazul în care nu se conectează pinul DTR apare o eroare în programul de dezvoltare al codului atunci când se dorește încarcarea programului în „microcontroller”, însă montajul experimental are un buton de reset ce trebuie apăsat la fiecare încărcare pentru evitarea acestei probleme.

Deoarece mă interesează să văd informații precum intensitatea luminoasă, sau pentru ce durată a avut loc declanșarea senzorului, am optat să folosesc pentru dezvoltarea acestui proiect și un afișaj LCD.

Conexiunea între afișajul LCD și „microcontroller” se face prin punerea în asociere a pinilor celor două componente astfel: pinul RS (dacă valoarea lui RS = 0 înseamnă instrucțiune, iar RS = 1 înseamnă date) al ecranului se leagă cu pinul digital 12 al „microcontrollerului” și anume pinul numit MISO, pinul de activare ce se comandă înainte ca datele/instrucțiunile să fie transmise („pinul de enable”) se leagă cu MOSI, iar pinii D4, D5, D6 și D7, ce reprezintă magistrala de date pe care sunt transmise comenzile spre sau dinspre LCD și sunt legați la PD5, PD4, PD3 și PD2. Suplimentar am mai adăugat și un potențiometru de 10kΩ, conectat cu un terminal la pinul de alimentare, cel de al doilea terminal la pinul de masă, iar cel de-al treilea terminal se conectează la al treilea pin și anume pinul de contrast al LCD-ului pentru a regla contrastul afișajului și o rezistență de 470Ω ce se conectează între pinul 15 și alimentare cu scopul de a alimenta LED-urile de luminozitate ale afișajului. Rezistorul și potențiometrul se leagă în serie cu rolul de a fi asigurată toată plaja de rotire a potențiometrului în gama tensiunilor mici. Programarea afișajului nu este foarte complicată doarece pentru majoritatea compilatoarelor și implicit pentru aproape orice limbaj de programare sunt existente librării și funcții ce permit scrierea unor caractere pe afișaj, ștergerea acestuia, etc.

Senzorul PIR este interfațat cu „microcontrollerul” ATmega 328 pentru a detecta mișcarea din încăperea în care este plasat. Acest tip de „microcontroller” consideră că orice tensiune cu valori cuprinse între 2V și 5V este de nivel înalt. Pinul specific tensiunii de ieșire al senzorului PIR este legat direct la pinul 19 (SCK) al „microcontrollerului”, pinul “+” se pune la “+-ul” de pe placă și similar pinul “-” la pinul “-” de pe placă.

Figura 4.13 Conectarea senzorului PIR la ATmega 328

În circuitul din figura 4.12 am prezentat modul de conectare al senzorului PIR la „microcontroller”.

„Microcontrollerul” va primi și va interpreta semnalul de la ieșirea senzorului, astfel încât acesta va știi dacă senzorul a fost declanșat sau nu.

Pentru a putea măsura intensitatea luminoasă m-am folosit de un fotorezistor. Fotorezistorul sau traductorul de lumină este o componentă electronică a cărui rezistență scade odată cu creșterea intensității luminoase sau crește atunci când intensitatea luminoasă pe care o captează este de nivel redus. Principiul de funcționare al fotorezistenței are la bază efectul fotoelectric în semiconductor. Atunci când semiconductorul este supus câmpului electromagnetic al undelor luminoase, energia transportată de fotoni va rupe electronii din interiorul atomilor, astfel rezultând electroni liberi ce au sarcini negative și ioni ce au sarcini pozitive, ducând la apariția purtătorilor de sarcină. Rezistența electrică a semiconductorului se datorează apariției purtătorilor de sarcină, rezultând astfel efectul fotoelectric. Curentul care traversează fotorezistorul depinde atât de iluminare cât și de tensiunea aplicată la bornele acesteia.

Fotorezistorul se conectază într-un mod simplu la „microcontroller”. Un pin al fotorezistorului se conectează la pinul analogic A3, iar celălalt pin la tensiunea de alimentare a „microcontrollerului”, cea de 5V. În plus am mai folosit o rezistență de „pull-down” cu valoare de 10 k ce are rolul de a face ca pinul analogic A3 al „microcontrollerului”, să fie la masă atunci când valoarea fotorezistorului se apropie de 0.

Figura 4.14 Modul de conectare al fotorezistorului la pinul A3

În acest proiect pentru a se putea realiza comunicația la distanță prin mesaj text a fost necesar si un modul GSM. Am ales utilizarea acestui modul deoarece are un consum redus de curent. În continuare se va exemplifica modul de conexiune al pinilor pentru îndeplinirea funcției pentru care a fost utilizat. Pinul de alimentare (Vcc) și pinul de masa (GND) de la modulul GSM se leagă la pinul Vcc și respectiv pinul de GND de la sursa de alimentare în comutație. Restul pinilor RXD, TXD, VIO și PWR sunt conectați la „microcontroller”, la următorii pini: PB1 (pinul digital 9), PB2 (pinul digital 10), alimentarea și PB0 (pinul digital 8). Acest modul funcționează la o tensiune de 4V.

Sursa de alimentare pe care o folosesc este de 9V, iar interfața serială, „microcontrollerul” și afișajul funcționează cu o tensiune de alimentare de 5V, în această situație fiind necesar și un stabilizator LM7805. Circuitul ce conține această componentă a fost realizat pe un “breadboard” separat, de dimensiuni mai mici, astfel încât să se poată refolosi și în dezvoltarea altor aplicații. Într-unul din paragrafele anterioare a fost desenată schema electrică a circuitului. Se observă că în paralel cu pinul de intrare și pinul de ieșire al stabilizatorului sunt două condensatoare cu valoare de 100nF ce au rolul de a minimiza brumul de rețea și pentru a se evita riscul de apariție al oscilațiilor. În circuitele care implică folosirea „microcontrollerelor” este neindicată existența variațiilor de curent.

Deoarece tensiunea exterioară, (Vext) și masa sursei de alimentare în comutație sunt conectate la “breadboard-ul” pe care este amplasat stabilizatorul de tensiune LM7805 se poate afirma despre sursa în comutație că este și ea un stabilizator de tensiune, pentru că primește la intrare o tensiune mai mare, iar la ieșire oferă tensiunea necesară alimentării modulului GSM

4.4. Proiectarea schemei electronice și a PCB-ului

S-a folosit programul “Eagle – Easily Applicable Graphical Layout Editor” pentru proiectarea schemei electrice și a PCB-ului.

Pentru proiectarea schemei electronice am luat în considerare diagrama bloc a componentelor utilizate și modul de conectare a acestora descris în subcapitolul anterior.

În vederea realizării PCB-ului s-a țint cont de grosimea traseelor pentru masă, 9V, 5V, 4V. Grosimea traseelor pentru masa trebuie să fie cât mai mare pentru a avea o rezistență a acestora cât mai mică și totodată pentru evitarea interferențelor electromagnetice. Mufele pentru conectarea senzorului PIR, modulului GSM, interfeței seriale FT232RL și sursei de alimentare în comutație cu gama tensiunilor de ieșire între 3.3V-4.4V sunt situate pe marginea plăcii pentru reducerea pe cât mai mult posibilă a dimensiunii plăcii.

PCB-ul este realizat în două straturi: „Top” reprezentat de culoarea roșie și „Bottom” de culoarea albastră. Am optat pentru această metodă de proiectare în două straturi tot pentru reducerea dimensiunii PCB-ului.

Pentru realizarea acestui circuit Componentele folosite sunt de tip THT, făcându-se referire la clasa componentelor montate prin placa cu cablaj imprimat, prin găurile de inserție.

4.5. Diagrama de stări și descrierea algoritmului pentru detecția mișcării

Prin realizarea diagramei de stări se arată modul în care funcționează sistemul. Aceasta constituie baza pentru dezvoltarea algoritmului de detecție a mișcării utilizat și pentru trimiterea mesajului text către utilizator atunci când a fost detectată mișcarea.

Figura 4.15 Diagrama de stări utilizată în dezvoltarea aplicației de detecție cu ajutorul senzorului PIR

4.5.1. Dezvoltarea programului ce se va încărca în „microcontroller”

Codului pentru aplicația descrisă mai sus i-au fost adăugat anumite funcții și biblioteci predefinite astfel încât aplicabilitatea acesteia să se muleze cât mai bine pe cerințele omului modern, și anume reducerea consumului de energie și garantarea securității.

Prin urmare, am dezvoltat un algoritm care permite informarea la distanță a utilizatorului că a fost detectată mișcare și de asemenea are capabilitatea de a măsura intensitatea luminoasă captată de senzor pentru a verifica funcționalitatea sistemului în diferite condiții. Codul descris în Anexa 1 se va încărca în „microcontrollerul”, ATmega 328, iar pentru dezvoltarea acestuia s-a folosit programul Arduino IDE. Compilatorul utilizat poate fi folosit pentru a programa în limbajul C. Programul ce va rula, pentru afișaj, modulul GSM și pentru interfața serială FT232RL va utiliza bibliotecile: “#include<LiquidCrystal.h>”, “#include <SoftwareSerial.h>” și “#include< Adafruit_FONA.h>”. Conform codului descris în Anexa 1, se observă că instanțierea obiectelor de lucru cu senzorul PIR și cu fotorezistorul necesită următoarele declarații:

#define SenzorPIR 13 //pe pinul digital 13

#define Fotorezist A3 // pe pinul analogic 3

#define prag 512 // 512= 1024/2 (fotorezistorul funcționează pe 10 biți)

#define ESANTIOANE 19 // numărul de eșantioane pentru media aritmetică

Montajul este pus în funcțiune, apoi urmează inițializarea portului serial, modulului GSM, LCD-ului și a senzorului PIR. Secțiunea „setup”, va configura pinul digital de intrare al senzorului PIR, pinul analogic al fotorezistorului și de asemenea, va inițializa modulul GSM și afișajul LCD. În secțiunea „loop”, prin citirea valorii intensității luminoase de pe pinul analogic A3 al „microcontrollerului” se calculează prin medierea a 20 de eșantioane și se afișează în cadrul unei bucle “for” valoarea intensității luminoase captată de fotorezistor. Întrucât, timp de un minut se pot efectua foarte multe captări ale intensității luminoase, eventual chiar și cu valori diferite, atât pentru obținerea unei valori cât mai aproape de valoarea intensității luminoase și pentru minimizarea erorilor, am ales ca valoarea intensității care este afișată pe LCD să fie media celor 20 de eșantioane. În funcție de semnalul trimis de către senzorul PIR, semnal ce este recepționat de „microcontroller”, urmează o structură de decizie care constă în repetarea pașilor anteriori dacă nu a fost detectată nici o mișcare și stocarea timpului parcurs în variabila „anothertime”. Această buclă se execută cât timp millis() – anotherTime<= 2500 ms. Dacă a avut loc declanșarea senzorului PIR (stare_SenzorPIR ==1) se va trece la pasul următor și se va contoriza în variabila „time” timpul care a trecut de la pornirea „microcontrollerului”. „ millis()” este o funcție predefinită ce returnează o valoare de tip „unsigned”, adică fără semn a timpului parcurs. Atunci când pornește sistemul, concomitent pornește și un ceas care măsoară timpul. Valoarea 0 are semnificația că senzorul nu s-a declanșat. După ce a fost luată decizia în ceea ce privește starea senzorului (stare_SenzorPIR = digitalRead(SenzorPIR);), se trece la următoarea etapă ce constă în afișarea pe LCD a informațiilor despre starea senzorului, valoarea timpului și valoarea intensității luminoase captată de senzor pe durata de 2500 de ms, valoare ce este stocată în variabila „valoare_Fotorezist”. Utima etapă în acest sistem constă în trimiterea mesajului text de tip alertă: „Alerta: s-a declansat senzorul PIR și durata de declanșare” către numărul prestabilit. Pentru aceasta programul va include două proceduri: cea de inițializare a „shild-ului” GSM, a cartelei SIM și a comunicației GSM și cea “sendSMS(numarSMS, textSMS)” – utilizat pentru transmiterea efectivă a mesajului text. Un prim pas în ceea ce privește inițializarea comunicației cu “shild-ul” GSM este stabilirea vitezei comunicației seriale, acesta neavând o viteză prestabilită. (“fonaSerial->begin(4800);”). Comanda „AT+CMGF=1” setează modemul GSM în modul SMS text. Întreaga perioadă de detecție este: period += String(totalTime); unde totalTime = millis() – time; Timpul contorizat este resetat la fiecare modificare de stare a senzorului PIR.

Pentru o ușoară examinare a funcționării codului, nu numai pe afișaj, dar și în monitorul serial sunt afișate informații despre starea senzorului, valorea fotorezistorului.

Atât în cadrul secțiunii „setup” cât și în cadrul secțiunii „loop” se vor utiliza două proceduri pentru ștergerea afișajului (lcd.clear();) și cât și setarea cursorului pe afișaj (lcd.setCursor(9, 1);- cursorul este poziționat pe linia 1 și coloana 9).

Figura 4.16 Informațiile afișate în consola programului Arduino IDE și mesajele recepționate de către utilizator

CAPITOLUL 5

Măsurători pentru determinarea intensității luminoase captată de senzorul PIR

Intensitatea luminoasă este măsurată prin două metode. Pentru prima metodă, valoarea intensității luminoase se obține în urma rulării codului și se afișează pe LCD valoarea mediată pe 20 de eșantione a acesteia, iar pentru cea de a doua metodă intensitatea luminosă se obținune cu ajutorul aplicației „Luxmeter” instalată pe telefonul mobil, Samsung S5 – aplicație ce simulează aparatul de măsură utilizat în laborator pentru măsurarea intensității luminoase.

Montajul pentru realizarea măsurătorilor pentru determinarea intensității luminoase este cel descris anterior. Acesta este amplasat într-o încăpere cu o suprafață de 9m2 pe o masă dintr-un material de lemn.

Figura 5.1 Sistemul utilizat pentru măsurarea intensității luminoase

Sursă de lumină de natură artificială

Figura 5.2 Sistemul de măsură al intensității luminoase atunci când sursa de lumină este un bec

Primul set de măsurători a fost realizat când sursa de lumină este una de natură artificială provenind de la o lampă ce are un bec de 75W, așezată pe direcție perpendiculară pe montaj și pe telefonul mobil.

Intensitatea afișată pe LCD are valoarea de 751 lx, în timp ce intensitatea măsurată cu ajutorul aplicației de pe telefonul mobil are o valoare de 742.50 lx.

Se observă că apare o diferență de 8.5 lx între cele două modalități de măsurare. Această diferență apare din cauza faptului că fotorezistorul și telefonul mobil nu sunt situați la aceeași distanță față de sursa de iluminat și că telefonul are un anumit tip de fotorezistor, diferit de cel utilizat in sistemul cu senzor PIR.

În încăpere nu este nici o sursă de iluminat

Figura 5.3 Sistemul de măsură al intensității luminoase atunci când nu există sursa de lumină

Cel de al doilea set de măsurători a fost realizat în absența unei surse de lumină.

Intensitatea afișată pe LCD are valoarea de 24 lx, în timp ce intensitatea măsurată cu ajutorul aplicației de pe telefonului mobil are o valoare de 1.20 lx.

Se observă că și în această situație apare o diferență între cele două metode de măsură. Din imagine se poate vedea că fotorezistorul captează lumina provenită de la cele două leduri aflate pe plăcuța modulului GSM și a interfeței seriale FT232RL, așadar fotorezistorul va detecta o intensitate puțin mai mare comparativ cu cea detectată cu ajutorul telefonului mobil.

Sursă naturală de lumină

Figura 5.4 Sistemul de măsură al intensității luminoase atunci când sursă de lumină este naturală

Cel de al treilea set de măsurători a fost realizat când raza luminoasă provine la soare. Cele două sisteme de măsură, fotorezistorul și telefonul mobil au fost așezați la o distanța de 100 cm față de fereastră.

Intensitatea afișată pe LCD are valoarea de 824 lx, în timp ce intensitatea măsurată cu ajutorul aplicației de pe telefonului mobil are o valoare de 812.60 lx.

Se observă că și în această situație apare o diferență de 11.4 lx între cele două modalități de măsurare. Această diferență apare din cauza faptului că fotorezistorul și telefonul mobil nu sunt situate în aceeași poziție, senzorul de detecție al intensității luminoase al telefonului mobil se află la o distanță de aproximativ 8 cm față de fotorezistență și că telefonul are un anumit tip de fotorezistor, diferit de cel utilizat in sistemul cu senzor PIR.

Deși măsurătorile pentru intensitatea luminoasă realizate cu ajutorul fotorezistorului sau a aplicației „Luxmeter” de pe telefonul mobil nu au fost efectuate în condiții ideale, rezultatele obținute sunt destul de precise.

Metodologia de măsurare a intensității luminoase folosită în lucrarea de față prezintă anumite limitări. Se poate măsura, respectiv calcula, intensitatea luminoasă, însă valorile obținute nu vor fi identice, depinzând foarte mult de dispozitivele folosite și implicit de existența surselor de iluminare de orice natură.

5.1. Măsurarea consumului de curent al sistemului de detecție cu ajutorul senzorului PIR

Figura 5.5 Măsurarea consumului de curent al sistemului de detecție

Pentru a măsura consumul de curent s-a folosit multimetrul UT55, a cărui sondă roșie se conectează la borna “mA”, sonda neagră la borna “COM”, iar aparatul de măsură se înseriază pe “+ ul” alimentării.

Din figura 4.19 se observă că sistemul de detecție a mișcării cu ajutorul unui senzor PIR are un consum de aproximativ 39 mA. Trebuie menționat că acest curent nu se poate măsura atunci când sistemul trimite mesaj, deoarce în acel moment apare un curent instantaneu și că această valoare a consumului de curent este măsurată în absența LED-ului și tranzistorului BC337.

CONCLUZII

În ultima perioadă, conceptul de „casă inteligentă” atrage tot mai mult atenția. Oamenii devin din ce în ce mai preocupați de minimizarea consumului energetic al locuinței și de factorii de securitate ai acesteia. Dispozitivul de detecție al mișcării oferă un mijloc de monitorizare al imobilului prin utilizarea senzorului PIR și al unui modul GSM conectate la un „microcontroller”.

Acest sistem anunță prin mesaje text utilizatorul în timp real, la câteva secunde, faptul că a avut loc o schimbare a stării senzorului și timpul de detecție al mișcării. Situația poate deveni deranjantă la un moment dat, dar susține aplicabilitatea și utilizabilitatea sistemului de detecție în orice locuință.

Comparativ cu costul de achiziție al sistemelor echivalente deja existente pe piață, am ajuns la concluzia că montajul descris în această lucrare oferă un raport calitate-preț mai bun, fiind date avanjele suplimentare pe care le-ar putea oferi posibilului client.

Posibilitatea de control, monitorizare în timp real de oriunde și faptul că aplicația se poate modifica în funcție de cerințele utilizatorului fac din acest sistem un proiect de mare interes pentru viitor.

Acest proiect oferă posibilitatea de dezvoltare atât din punct de vedere al automatizării procesului de detecție, cât și din punct de vedere al modulelor adăugate astfel încât conectarea cablului de alimentare la rețeaua electrică nu mai este necesară. O soluție constă în introducerea unui acumulator ce poate oferi sistemului o autonomie de funcționare mai mare. De asemenea, se poate folosi o cameră video cu ajutorul căreia se identifică de către cine a fost declanșat sistemul ce înglobează senzorul PIR. O posibilă îmbunătățire ar fi implementarea unor algoritmi care să permită detecția mișcării indiferent de poziția senzorului sau care să calculeze și alte caracterisitici ale acestuia pentru a reduce riscul de apariție al alarmelor false.

BIBLIOGRAFIE

[] „Passive Infrared (PIR)“: 
Infrared Systems For Detecting Heat radiated from the Body, https://pirtechnology.wordpress.com/2011/09/09/hello-world/, accesat la: 26.02.2016

[] Hans J. Keller, „30 Years of Passive Infrared Motion Detectors – a Technology Review”, http://www.kube.ch/downloads/pdf/kube_irs2paper.pdf, accesat la: 04.03.2016

[] „Senzor de mișcare“, https://ro.wikipedia.org/wiki/Senzor_de_mi%C8%99care, accesat la: 07.03.2016

[4] Jacob Fraden, „Handbook of Modern Sensors”, editura Springer, http://folk.ntnu.no/andberge/Sensors.pdf, accesat la: 07.03.2016

[] „Care este cea mai buna alegere pentru senzorii de miscare din sistemele de alarma“

http://www.hit.ro/sisteme-securitate/care-este-cea-mai-buna-alegere-pentru-senzorii-de-miscare-din-sistemele-de-alarma, accesat la: 10.03.2016

[] Amy Lo, Jonathan Arenberg, “ New architecture for space telescopes uses Fresnel lenses”, http://spie.org/newsroom/0333-new-architecture-for-space-telescopes-uses-fresnel-lenses accesat la: 05.05.2016

[] Emin Birey Soyer, „Pyroelectric Infrared (PIR) Sensor Based Event Detection” http://signal.ee.bilkent.edu.tr/Theses/EminBireySoyer.pdf, accesat la:14.03.2016

[] „Senzori de mișcare“, https://senzor-miscare.ro/senzori/senzori-de-miscare/, accesat la: 10.05.2016

[] „Alarm Movement Sensor (PIR) Advice, How & Where To Fit“

https://ultrasecuredirect.com/blog/how-and-where-would-i-install-a-pir-in-my-house-during-an-alarm-installation/ , accesat la: 20.05.2016

[] Kim Lee, „Advancements in Radar-Based Motion & Proximity Detection“, http://www.pddnet.com/article/2016/05/advancements-radar-based-motion-proximity-detection, accesat la: 23.05.2016

[] Ian Sinclair, „Sensors and Transducers”, editura Newnes, https://books.google.de/books?id=s_WIb91uKK8C&pg=PA156&lpg=PA156&dq=proximity+radar+sensor+for+human+detection&source=bl&ots=cN6l9sTGiF&sig=yLgXmOaVkhWgzTyRwWpuhCk9VBA&hl=ro&sa=X&ved=0ahUKEwjrtvXktOHMAhVHtRQKHV_OBBw4ChDoAQhKMAc#v=onepage&q=proximity%20radar%20sensor%20for%20human%20detection&f=false, accesat la: 25.05.2016

[] Jiri Polivka, „An Overview of Microwave Sensor Technology”, http://highfreqelec.summittechmedia.com/Apr07/HFE0407_Polivka.pdf, accesat la: 27.05.2016

[13] „Ultrasonic Sensor“,http://www.symmetron.ru/suppliers/murata/files/pdf/murata/ultrasonic-sensors.pdf accesat la: 28.05.2016

[] „Ultrasonic and Passive Infrared Sensor Integration for Dual Technology User Detection Sensors” http://www.egr.msu.edu/classes/ece480/capstone/fall09/group05/docs/ece480_dt5_application_note_lhodges.pdf, accesat la: 29.05.2016

[] „IT’S EASY TO CHOOSE THE RIGHT SENSOR TECHNOLOGY”

http://www.wattstopper.com/products/sensors/sensor-technology.aspx, accesat la: 29.05.2016

[] Craig DiLouie, „Selecting Coverage Patterns and Planning Layouts for Sensors”, http://www.facilitiesnet.com/lighting/article/Selecting-Coverage-Patterns-and-Planning-Layouts-for-Sensors–9609?source=previous, accesat la: 30.05.2016

[] „Motion Sensors (Occupancy Sensors)”, http://www.efficiencymaine.com/docs/OccupancySensors.pdf, accesat la: 29.05.2016

[18] „Senzori”, http://govnet.ro/uploads/files/42_Steinel%20-%20Govnet%20Lighting%20Industry%20Forum%202015.pdf, accesat la: 30.05.2016

[19] „ATMEL 8-BIT MICROCONTROLLE R WITH 4/8/16/32KBYTES IN-SYSTEM PROGRAMMABLE FLASH” http://www.atmel.com/images/atmel-8271-8-bit-avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-328p_datasheet_summary.pdf, accesat la: 02.06.2016

[] „Learning about electronics”, http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/Atmega328-pinout.php, accesat la: 02.iunie.2016

[] „ FOCA V2.0” ftp://imall.iteadstudio.com/Modules/IM120525005_Foca/DS_IM120525005_Foca.pdf, accesat la: 04.06.2016

[] „LoNet – GSM/GPRS Breakout”, http://www.seeedstudio.com/wiki/LoNet_-_GSM/GPRS_Breakout, accesat la: 06.06.2016

[] „switching power supply for GSM / 3G shield (micro)”

https://itbrainpower.net/3G-GSM-shield-switching-power-supply/3G-GSM-shield-switching-power-supply-g-SPS-features.php, accesat la: 06.06.2016

[] „From Arduino to a Microcontroller on a Breadboard”, https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ArduinoToBreadboard, accesat la: 07.06.2016

ANEXE

Anexa 1: Schema electronică și PCB-ul sistemului utilizat pentru dezvoltarea aplicației de detecție cu ajutorul senzorului PIR

Anexa 2: Codul sursă al aplicației realizată cu ajutorul unui senzor PIR