Infraroterfassung der nächsten Generation mit dem MAXREFDES131

Alles bewegt sich in Richtung Automatisierung: Autos, Industrieanlagen und sogar unser Heim. Zur Unterstützung dieser Automatisierung werden viele unterschiedliche Sensoren benötigt. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf Heim- und Büroanwendungen, die erfahren müssen, wann eine Person einen Bereich oder einen Raum betritt, verlässt oder einfach anwesend ist.

Die Anwesenheitserkennung im Heim oder im Büro bietet viele Annehmlichkeiten. Sie ermöglicht z. B. das Ein- und Ausschalten der Beleuchtung, wenn Personen einen Bereich betreten oder verlassen, die Regelung von HLK-Systemen abhängig von der Anwesenheit von Personen sowie Sicherheitssysteme, die eine unerwartete Aktivität erkennen können.

In vielen Systemen, die diese Art von Anwendungen unterstützen, werden passive Infrarotsensoren (PIR) eingesetzt. PIR-Sensoren werden üblicherweise in Automatisierungs- und Sicherheitssystemen in Gebäuden eingesetzt, um die Anwesenheit von Personen oder Objekten zu erkennen. Sie funktionieren sogar, wenn es um die Erfassung der Bewegung von Personen oder Objekten geht. Die Anforderungen von anspruchsvolleren Erkennungsanwendungen können allerdings von PIR-Sensoren aufgrund ihrer Einschränkungen nicht erfüllt werden.

Anforderungen an Anwesenheitssensoren der nächsten Generation

PIR-Sensoren können keine bewegungslosen Objekte oder Bewegungsrichtungen mit akzeptabler Genauigkeit erkennen und keine Wärmebilder erstellen. Diese Aufgaben sind bei der Entwicklung der nächsten Generation von intelligenten Automatisierungs- und Sicherheitssystemen wesentlich. Die Fähigkeit, bewegungslose Personen zu erfassen, ist für die Anwesensheitserkennung entscheidend. Wenn eine Person einen Raum betritt, wird sie vom intelligenten Heim- oder Bürosystem erfasst und die Beleuchtung und die HKL-Anlage wird automatisch entsprechend der Belegung dieses Bereichs geregelt. Wenn diese Person für eine beliebige Zeit an einer Stelle bleibt, muss das System dies erkennen, auch wenn keine Bewegung erfolgt.

Die Erkennung von Bewegungsrichtungen würde ein intelligentes System in die Lage versetzen, das Licht anzuschalten oder HKL-Parameter in Räumen oder Bereichen zu regeln, auf die sich eine Person zubewegt, bevor sie ihn tatsächlich betritt.

Die Fähigkeit, Wärmebilder zu erstellen, würde ein System dabei unterstützen, zu bestimmen, ob es sich bei einem erkannten Objekt um eine Person, ein Tier oder um etwas anderes handelt, das einem vorbestimmten Muster entspricht. Dies würde einem intelligenten System erlauben, Haustiere oder anderen Tiere bei der Regelung von Umgebungsparametern zu ignorieren bzw. Objekte bei Sicherheitsanwendungen gegebenenfalls zu ignorieren.

Die Lösung von Panasonic

Einfache PIR können dies alles nicht, aber das Grid-EYE von Panasonic ist dazu in der Lage (Abbildung 1). Während die meisten PIR-Sensoren nur ein Thermoelement haben, verfügt das Grid-EYE über 64 Thermosäulen in Form eines 8x8-Arrays, mit denen die Temperatur und die Temperaturgradienten unter einem Blickwinkel von 60° gemessen werden können. Das Grid-EYE verfügt über ein ASIC, das sämtliche Signale der 64 Thermosäulen in ein digitales Format umwandelt und auf die von einem internen Thermistor gelieferte Umgebungstemperatur bezieht, bevor sie an einen Mikroprozessor geschickt werden. Sobald der Mikroprozessor diese Signale erhält, kann er Berechnungen durchführen, die die Temperaturdaten einem Wärmebild zuordnen.

Abbildung 1: Das Infrarotsensor-Array Grid-EYE von Panasonic

Darüber hinaus kann das Grid-EYE Bewegungen von Personen und Objekten nach oben, unten, links, rechts und in diagonaler Richtung erkennen (Abbildung 2). Es können sogar mehrere Objekte erkannt werden, die sich in verschiedene Richtungen bewegen. Der Baustein kann auch Handbewegungen in nächster Nähe erkennen. Dies ermöglicht eine einfache Gestensteuerung.

Abbildung 2: Mithilfe von Wärmebildern des Grid-EYE von Panasonic kann die Bewegungsrichtung erkannt werden

Das Referenzdesign von Maxim

Für typische Automatisierungs- und Sicherheitsanwendungen in Heim und Büro wären mehrere dieser Sensoren erforderlich, um verschiedene Räume bzw. Eingänge zu überwachen. Eine effiziente Verbindung mit einer gemeinsamen Verarbeitungsstelle könnte ein logistisches Problem darstellen. Erfreulicherweise hat Maxim mit seinem Referenzdesignboard MAXREFDES131# eine Lösung entwickelt (Abbildung 3).

Abbildung 3: 1-Draht-Referenzdesignboard MAXREFDES131# für das Grid-EYE von Maxim.

Dieses Board implementiert das Grid-EYE AMG8833 von Panasonic und die 1-Draht-I²C-Brücke DS28E17 zusammen in einem Referenzdesign. Mit der I²C-Brücke DS28E17 ist das MAXREFDES131# in der Lage, über eine einzige Leitung mit einem bis zu 100 Meter entfernten Hauptprozessor zu kommunizieren. Ein typischer I²C-Bus würde nur eine Entfernung von wenigen Metern erlauben. Nach den Angaben auf der Maxim-Website ist eine grafische Testoberfläche verfügbar, die ein „visuelles Feedback von bis zu 10 in Reihe geschalteten 1-Draht-Grid-EYE-Sensoren MAXREFDES131#“ erlaubt. Das Maximum von 100 Metern für die Kommunikation gilt übrigens unabhängig davon, wie viele Boards zusammengeschaltet werden. Damit ist es möglich, diese Bausteine an schwer zugänglichen Orten anzuordnen und die relevanten Informationen auf einem Hostprozessor über nur eine Leitung zu sammeln. Es sind keine an verschiedenen Standorten aufgestellten Hostprozessoren erforderlich, von denen jeder mit einigen Sensoren ausgestattet ist, die zusammenarbeiten müssen, um die gewünschten Bereiche im Heim oder Büro abzudecken.

Wenn in einer Anwendung mehr als ein MAXREFDES131# eingesetzt wird, muss der Prozessor die einzelnen Boards identifizieren können, um den von ihnen überwachten physischen Standort zu kennen. Dazu dient der auf dem Board enthaltene adressierbare 1-Draht-Schalter DS2413 mit zwei Kanälen, mit dem jede Einheit einzeln enumeriert werden kann (Abbildung 4).

Abbildung 4: Blockdiagramm des Referenzdesigns MAXREFDES131# von Maxim. (Bild mit Genehmigung von Maxim Integrated)

Wenn der DS2413 einen Enumerierungscode erhält, stellt ein dualer SPDT-Schalter MAX4717 eine Verbindung mit COM2 zur Kommunikation mit dem DS28E17 her. Wenn das Board nicht angesprochen werden kann, stellt der MAX4717 eine Verbindung mit COM1 her, damit der Hostprozessor eine Kommunikation mit anderen möglicherweise nachgeschalteten MAXREFDES131#-Boards herstellen kann. Wenn der DS28E17 von COM2 getrennt wird, geht er in den Ruhemodus über und trennt den AMG8833 von der Stromversorgung. Im Ruhemodus zieht der MAXREFDES131# anstelle von 8 mA nur 0,5 mA.

Maxim stellt auf seiner Website Beispielcode für die mbed- und Arduino-Plattformen sowie die bereits erwähnte grafische Testoberfläche bereit. Mithilfe dieses Codes und der grafischen Oberfläche kann schnell ein ganzes Netzwerk von MAXREFDES131#-Boards aufgesetzt und für eigene Anwendungen angepasst werden.

Fazit

Mit dem MAXREFDES131# können Entwickler den Grundstein für Anwendungen mit Anwesenheits- und Bewegungserkennung der nächsten Generation für das intelligente Heim, für Büros und für Sicherheitssysteme legen. Dieses Referenzdesign erfüllt die gehobenen Anforderungen der Erkennung von bewegungslosen Objekten und Personen, der Bestimmung der Bewegungsrichtung, der Generierung von Wärmebildern und der flexiblen Kommunikation mit einem Hostprozessor – alles in einer Einheit.