Bezkontaktní měření teplot a detekce pohybu s maticovým IR snímačem

V dnešní době se stále častěji setkáváme s pohybovými PIR senzory. Najdeme je snad v každém zabezpečovacím systému, ale i v obyčejných spínačích osvětlení reagujících na pohyb. Zejména s rozvojem MEMS technologií se na trhu začínají objevovat maticové teplotní senzory, jejichž možnosti využití jsou daleko širší.

Výhody maticových snímačů

Standardní PIR senzory jsou uzpůsobeny čistě pro detekci pohybu. Ačkoliv v kombinaci se speciálními čočkami fungují spolehlivě, více možností nemají. Digitální maticové IR snímače nám naopak dokáží integrovat více funkcí do jednoho zařízení. Pomocí vhodných algoritmů lze docílit ještě spolehlivější detekce pohybu, a zejména můžeme zjistit jeho směr. V některých detektorech pohybu se tento typ senzorů používá pro rozpoznání zvířat od osob. Protože senzor měří teplotu, a ne pouze změnu teploty, umožňuje nám detekci i nepohybujících se objektů. V praxi si lze například představit situaci, že budeme inteligentně ovládat osvětlení v domácnosti. PIR senzory budou většinou zcela dostatečné například v chodbách. Pokud ale uvažujeme o místnosti, která má sloužit jako pracovna, tak zde budou nevhodné, protože v klidu sedící osobu rozpoznají velice obtížně. Zařízením s maticovými teplotními senzory to však nevadí a přítomnost osoby poznají spolehlivě. Dále si také můžeme představit zařízení, které slouží jako zabezpečovací a současně řídí topné systémy. Pokud v takovémto případě měříme teplotu místnosti jednobodovým snímačem s širokým zorným úhlem, můžeme získat výsledek silně zkreslený. Do výstupu se zahrnou všechny zdroje tepla, jako jsou ústřední topení či teplé elektrické spotřebiče. Při maticovém měření lze zdroje rušení vyřadit z výsledku.

Příklad praktického využití

Touto tematikou se zabývala i jedna ze studentských prací Středoškolské odborné činnosti 2016. Jejím cílem bylo zkonstruovat vlastní zařízení, které bude demonstrovat některé z klíčových vlastností tohoto typu senzoru. Jako nejvhodnější pro tuto práci byl vybrán senzor Panasonic Grid-EYE, protože měl z dostupných senzorů nejvyšší rozlišení. Vyrábí se ve verzích s rozsahem –20 až +80 °C a –20 až +100 °C pro napájecí napětí 3,3 V nebo 5 V. V nedávné době byla uvedena nová řada senzorů GridEYE se sníženým šumem NETD 0,16 °C oproti 0,26 °C u starší řady.

Schéma zapojení senzoru vychází z doporučení dle katalogu. O zpracování a odesílání dat do počítače se stará mikrokontroler PIC18F26K20. Komunikace s počítačem probíhá přes virtuální sériový port díky převodníku FT232RL. Ačkoliv získaná data byla celkem uspokojivá pro zobrazování teploty, pro detekci pohybu vykazoval senzor značný šum. Oproti katalogovému zapojení bylo vzhledem k napájení ze zarušeného USB nutno přidat několikastupňový LC filtr. Ve výsledku je ke keramickému kondenzátoru o kapacitě 10 μF (katalogové zapojení) přidán elektrolytický kondenzátor s nízkou impedancí o kapacitě 2 200 μF. Vzhledem k tomu, že senzor pro měření využívá matici termočlánků ohřívanou pouze tepelným zářením, není tato citlivost na kvalitu napájení nijak překvapivá.

Popis zařízení

Vlastnosti výrobku:

• Rozsah měřených teplot: –20 až +100 °C s rozlišením 0,25 °C a přesností ±3 °C
• Rozlišení: 8 × 8 pixelů při rychlosti 10 fps
• Zobrazování dat na matici 8 × 8 RGB LED ve 3 režimech zobrazení (zobrazení detekovaného objektu, maticové zobrazení teplot a maticové zobrazení teplot s eliminací šumu)
• Detekce přítomnosti osoby a směru pohybu
• Výkonový výstup (3 A, max. 20 V) spínaný při detekci objektu
• Počítání průchodů
• PC aplikace s podrobným zobrazením a možností odesílat varovné emaily

Zařízení je navrženo tak, aby mohlo pracovat samostatně nebo komunikovat s PC aplikací. Z tohoto důvodu je nutné, aby veškerá data byla analyzována v mikrokontroleru. Po zapnutí dojde k nasnímání 40 snímků prostředí. Získané hodnoty jsou zprůměrovány a slouží pro kompenzaci odlišných teplot v různých místech prostředí. Dále dochází po přečtení každého dalšího snímku k vypočtení rozdílu oproti prázdnému prostoru pro každý pixel. Rozdíl je umocněn, a pokud dojde k překročení stanoveného prahu, je detekována přítomnost osoby. Pro zvýšení spolehlivosti je přítomnost osoby zaznamenána, pokud je detekována minimálně dvěma pixely. Zpracovaná data jsou odeslána do počítače a zobrazena na matici 64 RGB LED s integrovaným řadičem (WS2812S). V případě detekce osoby je vyhodnocen směr jejího pohybu a je sepnut výkonový výstup. V opačném případě dojde ke korekcím dat tepelného pozadí kvůli eliminaci přirozených změn teploty v místnosti.

Na obr. 3 nalezneme uživatelské rozhraní PC aplikace. Ta slouží pro lepší zobrazení dat, než které dovolují RGB LED. Zobrazuje se zde aktuální snímek, dlouhodobý průměr teploty, je zde indikován detekovaný pohyb a jeho směr, počet průchodů, teplota uvnitř senzoru a sériové číslo zařízení. Dále umožňuje odesílání varovných emailů s možností přiložení snímku z webkamery v případě zaznamenání poplachu ze senzoru.

Závěr

Toto zařízení slouží pro demonstraci vlastností digitálních maticových IR snímačů. V současné fázi vývoje není určeno pro sériovou výrobu. Nabídka těchto senzorů se bude zajisté rozšiřovat a bude zajímavé sledovat další možnosti jejich uplatnění.

Na závěr bych chtěl poděkovat firmě JABLOTRON ALARMS a. s. za podporu při tvorbě této studentské práce.