Rendre les capteurs de maison intelligente plus efficaces

Des films d'action hollywoodiens, comme Ocean's Eleven et Mission Impossible, démontrent les nombreux moyens élaborés pour détecter les intrus qui manigancent de mauvais coups. Les cambrioleurs ultra-habiles et tout de noir vêtus, qui contribuent au succès de ces films au cinéma, déjouent les dispositifs tels que les tapis de contact, les champs de laser, les caméras thermiques et d'autres dispositifs diaboliques. Dans la vie réelle, dans d'innombrables bureaux et maisons, un capteur infrarouge passif clignotant dans le coin de la pièce suffit souvent à dissuader les cambrioleurs occasionnels.

Le capteur PIR est considéré par les propriétaires et par les entreprises de sécurité comme la technologie de détection d'intrus la mieux adaptée pour les applications domestiques. À la fois économique, fiable et ajustable pour désactiver les fausses alertes, le capteur PIR constitue actuellement la technologie de détection de présence idéale.

L'indéfectible favori

Les fabricants de capteurs PIR ont amélioré la conception de leurs produits afin de pallier les faiblesses connues de la technologie de détection infrarouge. Les capteurs s'appuient sur une différence de température entre la cible et l'arrière-plan et nécessitent également que la cible soit en mouvement pour pouvoir détecter sa présence. Pour réduire ces effets au minimum, les capteurs de la série MP de Panasonic, comme le modèle AMN11112, intègrent quatre récepteurs pour une détection de précision, y compris les petits mouvements. Les récepteurs sont sensibles à de légères différences de température, ce qui permet une détection précise, même dans des environnements chauds où la température peut être proche de la température du corps humain.

Panasonic a également miniaturisé ses récepteurs pour assurer un niveau élevé de sensibilité et de précision sur les petites unités équipées de petites lentilles. Un niveau élevé d'intégration, avec un amplificateur intégré, des composants passifs, un filtre optique et un blindage électromagnétique (Figure 1), simplifie la conception et améliore la fiabilité. Ayant fait l'objet d'une évolution constante, le capteur PIR fait partie des favoris pour les concepteurs de système de sécurité.

Figure 1 : Grâce à une plus grande intégration et une meilleure sensibilité, les capteurs PIR restent en haut de la liste de souhaits des concepteurs.

Les immeubles intelligents sont plus exigeants

Cependant, à l'aube de l'ère des maisons intelligentes, les consommateurs s'attendent non seulement à ce que les capteurs, tels que les modèles PIR, prennent en charge la détection d'intrus, mais contribuent également à l'automatisation des commandes d'éclairage, de chauffage et d'autres services par la surveillance de la présence dans une pièce. Quelques-unes des caractéristiques connues des capteurs PIR deviennent alors des faiblesses dans ce contexte. Étant donné que le capteur utilise la détection des variations dans la scène thermique observée, la cible doit être en mouvement pour être détectée. Ce fonctionnement est acceptable dans un système de sécurité, étant donné qu'un intrus a plus de probabilité de se déplacer dans la maison dans laquelle il s'est introduit. En revanche, il est possible que les propriétaires et leurs invités restent longtemps assis dans une pièce, par exemple, lorsqu'ils discutent ou regardent un film. Le système ne doit pas déterminer, de manière erronée, que la pièce est inoccupée et commencer à désactiver des services, tels que l'éclairage et le chauffage.

En outre, les services de la maison intelligente du futur peuvent dépendre d'informations plus détaillées recueillies à propos de l'occupant, comme son emplacement exact dans la pièce. Le système peut ainsi optimiser automatiquement l'éclairage dans une zone localisée, par exemple, sur un bureau ou un plan de travail dans la cuisine, tout en réduisant le reste de l'éclairage de la pièce pour une efficacité énergétique optimale.

Une détection de présence plus intelligente peut également simplifier des services, tels que l'aide à la vie autonome, étant donné que les populations vieillissantes actuelles cherchent à vivre de manière indépendante et sécurisée dans leurs propres maisons à un âge avancé. Les membres plus jeunes de la famille ne peuvent souvent pas agir en tant que personnel soignant à temps plein, et les soins professionnels sont coûteux. Une supervision automatisée peut constituer un moyen de détection permettant de savoir si un propriétaire âgé a besoin d'aide et d'avertir rapidement un personnel soignant ou des services d'urgence.

Les capteurs PIR actuels, bien qu'ils aient beaucoup évolué, ne permettent pas de capturer le niveau de détails requis pour mettre en place ces types de services. De nombreuses techniques de détection alternatives sont disponibles. Par exemple, il est possible d'utiliser la détection basée sur la vidéo pour permettre à un personnel soignant de vérifier régulièrement qu'une personne âgée est en sécurité chez elle, ou pour déterminer l'emplacement exact d'un occupant dans une pièce. La surveillance vidéo intérieure n'est toutefois pas une solution recommandée, pour des raisons liées à la vie privée. Il est possible d'envisager une surveillance partielle ou d'éliminer la vidéo une fois qu'elle a été analysée, mais toujours est-il que cela peut occasionner une gêne pour les propriétaires.

Solution de radar monopuce

Au cours de ces dernières années, la technologie de détection radar a fait son entrée sur les marchés grand public. Les systèmes d'assistance d'aide à la conduite automobile, notamment pour l'évitement des collisions, en font partie, par exemple. Les émetteurs radar basse consommation fonctionnant dans la plage de fréquences ISM de 24 GHz non soumise à une licence sont désormais disponibles à un coût considéré comme acceptable sur le marché des maisons/immeubles intelligents. Les principes de la détection de présence en surveillant les ondes radio réfléchies et de la mesure de distance en calculant la durée du trajet de retour de la transmission, ont été élaborés pour la première fois vers le début du 20^e siècle.

Un circuit intégré d'émetteur-récepteur radar de 24 GHz, tel que le BGT24MTR11 d'Infineon, peut être utilisé pour créer un capteur basse consommation adapté à une détection de présence en intérieur. La technologie radar permet des fonctionnalités avancées, telles que la détection d'occupants immobiles, la détermination de l'emplacement exact de l'occupant et la détection de la direction pour n'importe quel mouvement. L'utilisation de la technologie radar dans un environnement domestique a également pour avantage la non-nécessité pour l'émetteur et le capteur d'avoir une ligne de visibilité dégagée vers la cible et, par conséquent, la possibilité de les positionner dans un endroit discret. Cela peut être derrière des matériaux de construction légers, tels que des dalles de plafond, ce qui permet de placer le capteur hors de vue.

Le BGT24MTR11 intègre un canal d'émission et un canal de réception, requis pour la détection de présence ainsi que de la vitesse et de la direction du mouvement, dans un seul dispositif qui ne nécessite qu'un petit nombre de condensateurs externes pour constituer un circuit entièrement opérationnel. Cela permet non seulement un gain d'espace sur la carte, mais également l'élimination des difficultés liées à l'adaptation RF. Si le système doit être utilisé pour détecter l'emplacement de l'occupant, deux récepteurs sont requis. Le BGT24MTR12, qui intègre deux canaux de réception et un émetteur, est idéal dans ce cas.

Conception pour un fonctionnement basse consommation

Avec une puissance de sortie RF maximale de 15 dBm, le BGT24MTR11 peut être utilisé en toute sécurité dans la bande ISM. La consommation énergétique totale de 528 mW du circuit intégré en mode continu avec une puissance d'émission maximale peut être considérablement réduite en appliquant un schéma de rapport cyclique qui désactive l'alimentation vers la puce entre les mesures. En fonction des durées de mesure nécessaires pour détecter un décalage Doppler à faibles vitesses de cible, l'activation du circuit intégré pendant seulement 10 ms toutes les demi-secondes permet de mesurer des vitesses de cible jusqu'à environ 25 km/h avec une résolution d'environ ±1 km/h. Ce fonctionnement convient à des applications typiques de détection en intérieur et réduit la consommation énergétique à seulement 12 mW par cycle.

La Figure 2 montre l'utilisation du circuit intégré de radar en conjonction avec le microcontrôleur XMC4500 d'Infineon qui programme les registres BGT24MTR11 via le port SPI, surveille la fréquence de l'oscillateur commandé en tension (VCO), contrôle les tensions d'accord du VCO via ses convertisseurs numérique-analogique (CNA) intégrés à la puce, et contrôle un commutateur de charge permettant de désactiver l'alimentation du BGT24MTR11 entre les cycles de mesure. Comme le montre le schéma, la conception ne nécessite que quelques composants clés.

Figure 2 : Radar Doppler à mode pulsé pour applications de détection de présence en intérieur.

Conclusion

À mesure que la révolution dans les bâtiments intelligents s'accélère, les nouveaux services et applications exigent des informations plus détaillées décrivant les activités à l'intérieur des maisons et des immeubles. Les technologies améliorées de détection de présence doivent capturer ces informations sans compromettre la vie privée. La détection basée sur un radar en bande de fréquence ISM 24 GHz peut être réalisée en toute sécurité et plus facilement qu'auparavant en tirant profit des derniers modèles d'émetteurs-récepteurs monopuces, qui améliorent considérablement la conception du système. Des techniques écoénergétiques ont été démontrées et permettent aux concepteurs de créer des capteurs exigeant un faible niveau de maintenance pour une utilisation en intérieur, avec une consommation énergétique moyenne de seulement 10 mW.