I sensori della casa intelligente possono dirci di più

Nei film di Hollywood, come Ocean’s Eleven - Fate il vostro gioco e Missione impossibile, abbiamo visto diversi sistemi elaborati per il rilevamento di intrusi malintenzionati. Nel grande cinema, gli "incursori" rigorosamente agili e vestiti di nero hanno sempre bisogno di affrontare tappetini ultraintelligenti sensibili alla pressione, campi laser, termocamere e altri dispositivi strabilianti. Nel mondo reale, in innumerevoli case ed uffici, i sensori ad infrarossi passivi che "fanno l'occhiolino" dagli angoli delle stanze, sono considerati mezzi sufficienti a dissuadere i topi di appartamento.

La tecnologia PIR viene ritenuta dai proprietari di case e dalle società di sicurezza la soluzione migliore per il rilevamento di intrusi in ambienti domestici: economica, affidabile, facilmente regolabile per evitare falsi allarmi. Si tratta attualmente della tecnologia preferita per il rilevamento della presenza.

Sempre tra le prime scelte

I produttori di sensori PIR li hanno migliorati per superare le debolezze conosciute della tecnologia di rilevamento a infrarossi. I sensori si basano sul differenziale di temperatura tra il target e lo sfondo, inoltre richiedono che tale target si muova affinché possa essere rilevato. Per ridurre al minimo questi effetti, i sensori serie MP di Panasonic come AMN11112, integrano quattro recettori per il rilevamento di precisione anche di piccoli movimenti. Tali recettori sono sensibili a differenze di temperatura minime, il che garantisce un rilevamento accurato anche in climi caldi in cui le temperature ambiente possono avvicinarsi a quelle del corpo umano.

Panasonic ha anche miniaturizzato i suoi recettori in modo tale da assicurare alta sensibilità e precisione a dispetto delle dimensioni ridotte e nonostante l'adozione di lenti altrettanto piccole. L'alto livello di integrazione che comprende l'amplificatore, i componenti passivi, il filtro ottico e la schermatura elettromagnetica (Figura 1), semplifica il progetto e migliora l'affidabilità. L'evoluzione costante ha permesso alla tecnologia PIR di rimanere quella favorita per i progettisti dei sistemi di sicurezza.

Figura 1: Maggiore integrazione e sensibilità hanno portato i sensori PIR ai primi posti tra le preferenze dei progettisti.

Gli edifici intelligenti richiedono di più

Oggi che l'era della casa intelligente è diventata realtà, ci si attende che i sensori, come i PIR, non solo supportino il rilevamento degli intrusi ma aiutino anche l'automazione del controllo delle luci, del riscaldamento e di altri servizi monitorando l'occupazione delle stanze. In questo contesto, alcune delle caratteristiche note del rilevamento PIR diventano dei punti di debolezza. Dato che il sensore fa affidamento sul rilevamento di cambiamenti nella scena termica tenuta sotto controllo, il target deve muoversi per poter essere rilevato. In un sistema di sicurezza questo comportamento è accettabile dato che si presuppone che un intruso debba muoversi all'interno della casa che ha violato. Per quanto riguarda gli occupanti invece, possono stare fermi per lunghi periodi, ad esempio seduti in una stanza, parlando o guardando un film. Il sistema dovrebbe essere in grado di non ritenere in tal caso che l'ambiente non sia occupato ed evitare dunque di spegnere servizi come illuminazione o riscaldamento.

Inoltre, i servizi del futuro della casa intelligente possono dipendere da una raccolta più dettagliata di informazioni sugli occupanti, come la loro posizione esatta nell'ambiente. Ciò potrebbe permettere al sistema di ottimizzare automaticamente l'illuminazione in una zona specifica, ad esempio sopra una scrivania o sul piano di lavoro della cucina, abbassando al contempo la luce nel resto della stanza per ottimizzare i consumi energetici.

Il rilevamento più intelligente dell'occupazione può essere utile anche per servizi come la domotica per categorie deboli, tenuto conto che oggi sempre più persone anziane vorrebbero continuare a vivere nella propria casa in modo indipendente e sicuro. I parenti più giovani non sempre possono prendersene cura a tempo pieno e i professionisti sono costosi. La supervisione automatizzata può offrire un mezzo per rilevare se un anziano ha bisogno di assistenza e determinare l'allerta tempestiva del badante o dei servizi di emergenza.

I sensori PIR di oggi, per quanto si siano evoluti, non sono in grado di acquisire la grande quantità di dettagli necessari a gestire servizi come questi. Sono disponibili però numerose tecnologie di rilevamento alternative. Il rilevamento basato su video ad esempio potrebbe essere usato per permettere ai badanti di controllare periodicamente se un anziano nella propria casa è al sicuro o stabilire con precisione la posizione di una persona in una stanza. Per ragioni di riservatezza tuttavia, la videosorveglianza interna non è la soluzione preferibile. Può essere presa in considerazione una sorveglianza parziale, o il video può essere cancellato dopo l'analisi, ma l'occupante di una casa potrebbe comunque sentirsi a disagio.

Soluzione radar su singolo chip

Negli ultimi anni, la tecnologia di rilevamento basata su radar ha iniziato ad entrare nei mercati consumer. Un esempio ci viene dai sistemi di assistenza alla guida per le automobili, come quello anti collisione. I trasmettitori radar a bassa potenza nella frequenza ISM senza licenza di 24 GHz oggi sono disponibili a basso costo e possono essere considerati accettabili sul mercato delle case/edifici intelligenti. Già agli inizi del XXsecolo si è iniziato a sviluppare il principio di rilevamento della presenza monitorando le onde radio riflesse e misurando la distanza con il calcolo del tempo del tragitto della trasmissione.

Un ricetrasmettitore radar CI a 24 GHz come BGT24MTR11 di Infineon può essere utilizzato per realizzare un sensore a bassa potenza idoneo per il rilevamento dell'occupazione di ambienti. La tecnologia radar permette di sfruttare funzioni avanzate come il rilevamento di occupanti statici, l'esatta posizione e l'individuazione della direzione di ogni movimento. Un ulteriore vantaggio nell'uso della tecnologia radar in ambiente domestico deriva dal fatto che trasmettitore e sensore non devono necessariamente essere a vista e senza ostacoli rispetto al target e quindi possono essere messi in posizioni nascoste. Possono essere installati dietro materiali da costruzione leggeri, come le tavelle del soffitto, il che permette di nasconderli.

BGT24MTR11 integra un canale di trasmissione e uno di ricezione, necessari per rilevare la presenza e la velocità e la direzione del movimento, in un singolo dispositivo che richiede solo qualche condensatore esterno per realizzare un circuito operativo completo. In tal modo, non solo si risparmia spazio su scheda, ma si eliminano anche le difficoltà di sintonizzazione delle frequenze radio. Se il sistema deve rilevare la posizione del target nell'ambiente, sono richiesti due ricevitori. BGT24MTR12, che integra due canali ricevitori e un trasmettitore, si rivela ideale per questo scopo.

Progetto per funzionamento a bassa potenza

Con una potenza massima di uscita RF di 15 dBm, BGT24MTR11 è un dispositivo sicuro per l'impiego nella banda ISM. Il consumo totale del CI è di 528 mW in modalità continua con la massima potenza di trasmissione; applicando uno schema di ciclo di lavoro che spegne l'alimentazione al chip tra le misurazioni, i consumi possono essere drasticamente ridotti. Prendendo come base i tempi di misurazione necessari per rilevare lo spostamento Doppler a basse velocità del target, l'attivazione del CI per soli 10 ms ogni 0,5 secondi consente la misurazione di un target fino a circa 25 km/h con una risoluzione di circa ±1 km/h. Questo valore è adeguato per una tipica applicazione in interni e riduce il consumo a soli 12 mW per ciclo.

La Figura 2 illustra come un CI radar è usato in abbinamento a un microcontroller XMC4500 di Infineon, che programma i registri BGT24MTR11 attraverso la porta SPI, monitora la frequenza del VCO e controlla le tensioni di regolazione del VCO tramite i DAC su chip, inoltre controlla un interruttore di carico responsabile dello spegnimento dell'alimentazione al BGT24MTR11 tra i cicli di misurazione. Come mostrato nello schema, è richiesto solo un limitato numero di componenti chiave per completare il progetto.

Figura 2: Radar Doppler in modalità a impulsi per applicazioni di monitoraggio dell'occupazione di interni.

Conclusione

Con il crescente sviluppo della rivoluzione delle case intelligenti, nuove applicazioni e nuovi servizi richiederanno informazioni più dettagliate per descrivere l'attività all'interno di case ed edifici. Sono necessarie tecnologie avanzate di rilevamento dell'occupazione di ambienti per acquisire tali informazioni senza compromettere la privacy. Il rilevamento basato su radar nella frequenza ISM a 24 GHz è sicuro, discreto e può oggi essere implementato più facilmente che mai sfruttando i più recenti ricetrasmettitori basati su singolo chip che semplificano enormemente la progettazione del sistema. Le tecniche di risparmio energetico permettono ai progettisti di realizzare sensori a bassa manutenzione per l'uso in interni, con consumi medi di soli 10 mW.