Инфракрасный датчик движения – особенности устройства и применения

Последнее обновление 2 января 2022

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

Виды датчиков движения

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

Мнение эксперта

Яковлев Алексей Сергеевич

Электрик с 20 летним стажем и богатым опытом

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

Принцип действия инфракрасного датчика движения

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

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

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

Устройство прибора

Простейший ИК-датчик состоит из двух небольших линз Френеля — сложных составных конструкций из множества призматических фасеток, образующих выпуклую чашу. Они собирают информацию о тепловых волнах с конкретного участка и передают её подсоединённым к ним чувствительным сенсорам. Обычно полученные обеими линзами данные примерно одинаковы — это значит, что движения нет. Если же между ними появляется существенная разница, то в «поле зрения» детектора появился человек или другой объект, излучающий большое количество тепла.

На деле устройство с двумя линзами будет непрактичным из-за слишком низкой чувствительности. В современных моделях датчиков их установлено по несколько десятков — от 20 до 60.

Точные схемы детекторов движения отличаются у разных производителей, но их примерное устройство похоже. Прибор состоит из следующих элементов:

• Оптическая система. Включает в себя множество линз, которые в зависимости от модели устройства могут быть разных форм и размеров, необходимых для покрытия нужного участка пространства. Отделена от прочих элементов системы герметической камерой, чтобы избежать воздействия вырабатываемого ими тепла. Может контролировать одну или несколько плоскостей пространства, а также делать это вкруговую или по лучу.
• Сенсор. Чаще всего им является пироэлектрический элемент, но иногда встречаются модели с термопарами, микроболометрами и полупроводниками. Регистрирует показания, полученные от оптической системы, и при возникновении в них неоднородности подаёт сигнал необходимому прибору.
• Блок обработки сигнала. Анализирует длину, амплитуду и форму помех в инфракрасном излучения, чтобы предотвратить ложные срабатывания. Их могут вызвать такие факторы, как солнечный свет, вибрация, электромагнитные волны, движения животных, тепло бытовых приборов или электроники и даже перемещение потоков воздуха. Более простые блоки обработки всего лишь «отсеивают» слишком слабые сигналы, в то время как сложные версии устройств анализируют длительность и частоту неоднородностей и на их основании определяют, помехи это или нет.

Стоит отметить, что всё, в чём заключается принцип действия датчика движения — это получение информации о наличии в его зоне действия человека. Поэтому он почти никогда не используется без подключения к другим устройствам, которые эту информацию используют. Ими могут быть такие приборы:

• сигнализация, включающая тревогу;
• охранные системы, отправляющие уведомление владельцу датчика и службе безопасности;
• лампы, подсветка бассейна и прочие осветительные приборы, которые включаются или выключаются в зависимости от наличия в их зоне действия людей;
• климатическая техника, изменяющая свои параметры по такому же принципу.

Чаще всего продаются ИК датчики тоже не самостоятельно, а в комплекте с охранными системами или другой техникой.

Но бывают и исключения — тогда подключать и настраивать устройства придётся самостоятельно. Пользователю для этого будет предоставлен доступ к личному кабинету на сайте и в мобильном приложении, откуда он сможет задать параметры взаимодействия приборов.

В чём преимущества инфракрасного датчика

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

Плюсы

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

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

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

Минусы

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

Сбои в срабатывании при слишком высоких или низких температурах.

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

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

Расчет срока службы батареи

Расчет времени автономной работы макетной платы осложняется наличием множества различных вариантов применения и условий эксплуатации данного типа датчиков. Подход к решению этой задачи основан на вычислении среднего значения для двух вероятных, но отличающихся друг от друга условий эксплуатации и одного наихудшего варианта использования датчика. Эти условия использования датчика представлены следующим образом:

• вариант 1 (наихудший) — 10 движений в час каждый час в течение всего срока службы батареи. Каждое движение объекта в поле зрения датчика является отдельным событием, то есть вызывает прерывание и, по завершении работы таймера, МК возвращается в спящий режим до появления следующего прерывания.
• вариант 2 — офисное помещение, 14 часов спящего режима и 10 часов непрерывного движения, при котором таймер не успевает сброситься до следующей активации.
• вариант 3 — помещение с непостоянным характером движения в рабочее время, 14 часов спящего режима и 10 движений каждый час в течение 10 часов, причем каждое движение, как и в случае 1, является отдельным событием.

Одним из способов оптимизации срока службы батареи в данной макетной плате является продолжительность активного режима таймера. Значение по умолчанию в программе составляет одну минуту. Поскольку этот параметр можно легко изменить, для демонстрации возможности увеличения срока службы батареи случаи 1 и 3 были пересчитаны для продолжительности работы таймера 30 с.

Формула для расчета срока службы батареи выглядит следующим образом:

где

Понижающий коэффициент в формуле учитывает саморазряд батареи. Анализ результатов расчетов показывает, что планируемый средний срок службы батареи в данной макетной плате с установкой таймера на 1 минуту составляет 11,22 года. Пересчет срока службы для случаев 1 и 3 с установкой таймера на 30 с дает значения, соответственно, 9,9 и 11,99 года. Средний срок службы батареи с установкой таймера на 30 с составляет таким образом 11,34 года. Для наихудшего случая установка таймера на 17 с или менее увеличивает срок службы батареи как минимум до 10 лет.

Область применения

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

Автоматизация домашнего освещения

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

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

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

Охранные функции

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

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

Управление климатической техникой

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

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

Функциональные характеристики

Чувствительность детектора движения

Чувствительность датчика была измерена для нескольких типов детекторов движения с различными параметрами цепей питания и двух коэффициентов усиления Av активного фильтра. В таблице 3 приведены сводные данные результатов этих измерений. Выделенная ячейка этой таблицы показывает чувствительность детектора движения для конфигурации, реализованной в макетной плате данного проекта TI.

Таблица 3. Чувствительность ИК-детекторов движения в различных режимах работы

Дальность беспроводной связи

Дальность передачи данных по радиоканалу, измеренная в типичной офисной обстановке с частичным перекрытием линии прямой видимости, составила 220 м. Уровень радиосигнала на максимальном удалении, измеренный с помощью анализатора пакетов CC1111, составил менее – 100 дБм?. Несмотря на то, что полученную дальность, учитывая малые размеры антенны на печатной плате, можно считать отличным результатом, имеются способы увеличения этого расстояния. Первый из них основан на использовании штыревой антенны, имеющей более высокий коэффициент усиления по сравнению с антенной на печатной плате. Другим способом является увеличение мощности передатчика CC1310 до максимального уровня за счет некоторого увеличения потребляемого тока в моменты передачи данных.

Критерии выбора инфракрасного датчика движения

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

Питание

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

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

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

Передача данных

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

Угол обзора

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

Радиус действия

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

Особенности размещения

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

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

Оснащение фотоэлементом

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

Устаревшая технология детекции касаний – ПАВ

Бонусом этой статьи является короткая информация о том, устройства с какими интерактивными экранами мы не рекомендуем использовать, в силу их ненадёжности.

ПАВ – поверхностно-акустические волны

. Помните те самые киви-терминалы, которые постоянно глючили, не реагировали на касания или реагировали некорректно? Так вот, именно такие экраны использовались в этих информационных киосках. Почему же так происходило? Ответ кроется в технологии. Эти экраны нельзя использовать на улице, стоит только попасть влаге на поверхность (например протереть влажной тряпкой) – происходит нарушение поверхностно-акустических волн, из-за чего устройство выходит из строя и сложно поддаётся ремонту, чаще дорогостоящая замена.

Поэтому внимательно изучайте спецификации оборудования перед покупкой интерактивных изделий.

Популярные датчики движения

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

РЭВ ДДВ-3

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

ИЭК ЛДД10-009-1100-001

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

ИЭК ЛДД11-024-1100-001

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

REV 15283 5

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

TDM ЕLECTRIC SQ0324-0016

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

HIPER IoT M1

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

Aqara Motion Sensor

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

Вопрос-ответ

Будет ли датчик реагировать на домашних животных?

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

Чем датчик движения отличается от датчика присутствия?

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

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

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