Датчики и сенсоры движения

В каждой квартире или частном доме имеются помещения, не требующие постоянного освещения. Например, в коридорах и на лестницах свет нужен только во время нахождения здесь людей. Поэтому, в целях экономии электроэнергии хозяева устанавливают датчик движения и освещенности, разрывающий питающую цепь. Его влияние распространяется на определенную зону, и при начале в ней любого движения, происходит замыкание контактов и последующее включение света.

Эти устройства хорошо зарекомендовали себя не только во внутренних помещениях. Но, также на улице, в подвалах, подъездах и других объектах, расположенных вне жилых зданий.

Принцип работы

Принцип действия датчика довольно простой. Когда в установленную зону, на которую распространяется чувствительность прибора попадает движущийся предмет, происходит его срабатывание с последующим включением освещения. После прекращения перемещения наступает автоматическое размыкание цепи и отключение осветительных приборов.

Большинство подобных устройств имеют установленный угол обзора, равный 180 градусам. Существуют модели, охватывающие 360 градусов, применяемые в больших помещениях.

Подключение прибора движения и освещения в цепь такое же простое, как и подключение стандартного выключателя. Основной функцией является замыкание и размыкание электрической цепи с подключенными светильниками. Поэтому схемы подключения обоих приборов практически одинаковы. Схема прилагается к каждому устройству в виде инструкции, а у наиболее качественных моделей от известных производителей схемы наносятся на корпус.

Задняя крышка датчика прикрывает клеммную колодку вместе с подключением проводников. Многожильные провода рекомендуется подключать с помощью изолированных наконечников НШВИ. Для подачи питания используются два провода – фазный и нулевой. Выходя из датчика, фаза подключается к светильнику, поэтому при срабатывании, контакты замыкаются и ток начинает поступать к лампе накаливания.

Классификация

Датчики представлены различными видами, каждый из которых лучше всего подходит для тех или иных условий эксплуатации. Например, датчики движения, устанавливаемые на улице, обладают высокой степенью защищенности корпуса с IP не ниже 55. Внутри помещений вполне достаточно IP22 и более.

В соответствии с типом питания приборы классифицируются на подключаемые к сети 220 вольт и беспроводные, питающиеся от аккумуляторов или батареек. Первая группа считается наиболее востребованной и многочисленной, а вторая используется преимущественно вместе с низковольтными осветительными приборами.

Основной классификацией являются способы, позволяющие определить начало движения в контролируемой зоне. Они основаны на различных принципах обнаружения:

• Акустические устройства, реагирующие на шум. Относятся к категории пассивной аппаратуры. Они включаются при появлении различных звуков.
• Приборы движения и освещённости инфракрасного типа. Срабатывают при наличии теплового излучения, выделяемого теплокровными существами – людьми или животными. Реакция на животных нередко приводит к ложным срабатываниям. Эти виды датчиков тоже являются пассивной коммутационной аппаратурой.
• К видам активных устройств можно отнести различные типы микроволновых приборов, оборудованных сенсором. Они испускают излучение в микроволновом диапазоне и следят за их возвращением. Когда в зону контроля попадает передвигающийся объект, изменяющиеся волны дают команду на срабатывание или выключение прибора. Для охранных систем применяются устройства с повышенной чувствительностью, способные определять объект независимо от наличия конструктивных элементов и других помех.
• Примерно по аналогичной схеме работают ультразвуковые коммутирующие сигнальные устройства. Они отличаются лишь диапазоном, в котором происходит излучение волн. Применяются очень редко и только в нежилых помещениях, или используются как уличный прибор.
• Наиболее дорогими и эффективными считаются комбинированные устройства, сочетающие в себе различные способы фиксации движения. Такая конструкция предотвращает ложные срабатывания, повышая надежность следящих систем.

Основные параметры датчиков

Определившись с конструкцией, необходимо сделать правильный выбор параметров и технических характеристик данных устройств.

Важным показателем считается обзорный угол, который может составлять от 90 до 360 градусов по горизонтали. Этот показатель выбирается исходя из количества направлений, по которым возможно подойти к нужной точке. Если датчик монтируется на стену – достаточно и 180 градусов, а при закреплении к столбу потребуется уже 360. Во внутренних помещениях можно обойтись узконаправленными приборами, а при наличии нескольких дверей потребуются устройства с расширенными функциями. Эти модели отличаются высокой стоимостью, поэтому при выборе следует руководствоваться конкретными условиями эксплуатации.

Существует и угол обзора по вертикали, составляющий для дешевых устройств примерно 15-20 градусов. Дорогие устройства могут работать в вертикальном диапазоне до 180 градусов. Такие приборы применяются в системах охраны, поскольку для регулировки света они экономически нецелесообразны. Устанавливаются на оптимальной высоте, во избежание так называемого мертвого пространства.

Немаловажную роль играет расстояние, на котором прибор считается наиболее эффективным. Внутри помещений вполне достаточно 5-7 метров. Уличный датчик может иметь большую длину действия, которая зависит от площади контролируемой зоны. Однако, если этот показатель окажется чересчур большим, возможен рост количества неправильных или ложных срабатываний.

Следует учитывать и фактор мощности осветительных приборов, подключенных к данной цепи. Все типы датчиков движения соответствуют определенной нагрузке и силе тока с установленным номиналом. Поэтому, выбирая то или иное устройство, нужно учитывать общую мощность ламп, установленных в люстрах, плафонах и т.д.

Дополнительные критерии выбора

Помимо основных параметров, существуют и другие критерии, которые в определенное время могут приобрести решающее значение.

Датчики движения и освещенности выбирается по месту монтажа и способу крепления. Они могут закрепляться на стенах или потолках и быть установленными на кронштейне, как это предусмотрено для корпусных моделей. Все варианты скрытой установки обеспечиваются миниатюрными встраиваемыми устройствами, монтируемыми в специальных углублениях в незаметных местах.

Некоторые датчики обладают дополнительными функциями. Их возможности существенно расширяются за счет встроенного в одном корпусе датчика освещенности. Когда прибор устанавливается на улице или возле окна, то в дневное время его работа не требуется поскольку света и так достаточно. Фотореле может подключаться отдельно или входить в конструкцию датчика движения.

Полезной функцией является защита от домашних животных – собак, кошек и других. При ее наличии ложные срабатывания случаются значительно реже. То же самое можно сказать и о задержке отключения света. Во многих случаях отключение света происходит сразу же после выхода объекта из зоны действия прибора. Это не всегда удобно, поскольку освещение бывает еще нужно. Поэтому наиболее удобными считаются модели не только с задержкой, но и с возможностью ее регулировки.

После приобретения датчика для включения света, его необходимо правильно разместить, обеспечив тем самым его корректную работу. С связи с этим необходимо соблюдать установленные нормы и правила:

• Осветительные приборы не должны располагаться рядом с датчиком.
• То же самое касается кондиционеров и систем отопления, поскольку возможна реакция датчика на воздушные потоки.
• Слишком большая высота установки расширяет зону контроля, но одновременно прибор теряет свою чувствительность.
• На пути датчика не должно быть крупных объектов, заслоняющих обширное пространство.
• В помещениях с большими площадями датчики движения рекомендуется размещать на потолке. Сектор обзора таких устройств должен составлять 360 градусов. При необходимости включения освещения он устанавливается по центру, обеспечивая минимальное количество мертвых зон.

Как подключить

В самом простом варианте подключение датчика выполняется в разрыв проводника фазы, подводимого непосредственно к лампе. Данный способ прекрасно работает в абсолютно темных помещениях, где нет ни одного окна.

В этом случае проводники фазы и нуля заводятся в датчик со стороны входа и подключаются к соответствующим клеммам L и N. На выходе фазный провод идет далее к лампе накаливания, а нулевой проводник соединяется с ближайшим нулем электрической цепи.

При использовании датчика для включения света на улице, дополнительно понадобится фотореле или датчик освещенности, работающий в автоматическом режиме. Вместо него на линии может быть установлен отдельный выключатель, включаемый и выключаемый вручную. Таким образом, предотвращается ненужное включение света при наличии нормального естественного освещения.

Подобные дополнительные комбинирующие устройства также устанавливаются в разрыв фазы. Если используется фотореле, его нужно устанавливать перед датчиком движения. За счет этого питание к прибору будет поступать только с наступлением темноты, а днем он находится в выключенном состоянии. Срок службы датчика движения существенно увеличивается, поскольку его ресурс ограничен определенным количеством срабатываний.

Существенным недостатком данных схем является невозможность длительного использования включенного освещения. Свет будет сразу же пропадать после прекращения движения. Этого можно избежать путем параллельного подключения совместно с детектором обычного выключателя. Когда он находится в выключенном положении, будет работать датчик. После включения датчик перестает работать и свет горит на протяжении всего времени до прерывания цепи выключателем.

Настройки и регулировки

Правильная работа датчика для включения света во многом зависит от его настроек.

Для того чтобы он корректно функционировал, необходимо выполнить следующие действия:

• Настройка времени (TIME). Устанавливает временной промежуток, в течение которого свет будет включен от момента последнего обнаруженного передвижения. Это значение может выставляться в диапазоне 1-600 секунд. Для этих целей регулятор устанавливается в нужное положение, в сторону увеличения или уменьшения.
• Настройка срабатываний в соответствии с уровнем освещенности (LUX). Обеспечивает корректную работу датчика в светлое время суток. Порог срабатывания устанавливается самостоятельно с помощью еще одной регулировочной ручки. Как правило, наиболее оптимальное значение подбирается экспериментальным путем.
• Чувствительность к срабатыванию (SENS). Обеспечивает нужную реакцию датчика при наличии движения. Если срабатываний слишком много, чувствительность прибора рекомендуется снизить.

Прежде всего необходимо внести разграничение между понятиями «сенсор» и «датчик». Под датчиком традиционно понимается устройство, способное преобразовать входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования . Сегодня существует ряд требований, предъявляемых к современным датчикам:

• • Однозначная зависимость выходной величины от входной.
• • Стабильные показания независимо от времени использования.
• • Высокий показатель чувствительности. [1]
• • Небольшие размеры и малая масса.
• • Отсутствие воздействия датчика на контролируемый процесс.
• • Возможность работы в различных условиях.
• • Совместимость с другими устройствами.

Любой датчик включает в себя следующие элементы: чувствительный элемент и сигнализатор [2] [3] . В ряде случаев могут добавляться усилитель и селектор сигналов, но зачастую потребность в них отсутствует. Составные части датчика обуславливают и принцип его дальнейшей работы. В тот момент, когда в объекте наблюдения происходят какие-либо изменения, их фиксирует чувствительный элемент. Сразу после этого изменения отображаются на сигнализаторе, данные которого объективны и информативны, но не могут быть обработаны автоматически.

Рис. 22. Схема работы датчика

Примером простейшего датчика может служить ртутный термометр. В качестве чувствительного элемента используется ртуть, температурная шкала исполняет роль сигнализатора, а объектом наблюдения является температура. При этом важно понимать, что показания датчика представляют собой набор данных, а не информацию. Они не сохраняются во внешнюю или внутреннюю память и не пригодны для автоматизированной обработки, хранения и передачи.

Все датчики, использующиеся различными технологическими решениями из сферы Интернета вещей, можно разделить на несколько категорий. Основанием одной из самых удобных классификаций служит назначение устройств ‘ 3 :

• • датчики присутствия и движения;
• • детекторы положения, перемещения и уровня;
• • датчики скорости и ускорения;
• • датчики силы и прикосновения;
• • датчики давления;
• • расходомеры;
• • акустические датчики;
• • датчики влажности;
• • детекторы световых излучении;
• • датчики температуры;
• • химические и биологические датчики.

Работа сенсоров серьезно отличается от работы датчиков. Прежде всего необходимо остановиться на определении понятия «сенсор». Под сенсором понимается устройство, способное преобразовать изменения, произошедшие в объекте наблюдения, в информационный сигнал, пригодный к дальнейшему хранению, обработке и передаче [4] .

Схема работы сенсора близка к цепочке, характерной для датчика. В определенном смысле сенсор может трактоваться как улучшенный датчик, поскольку его структура может быть выражена в виде «составные элементы датчика» + «узел обработки информации». Функциональная схема сенсора выглядит следующим образом [5] .

Рис. 23. Схема работы сенсора

При этом классификация сенсоров по назначению эквивалентна такой же классификации для датчиков. Нередко сенсоры и датчики могут измерять одну и ту же величину у одного и того же объекта, но датчики будут демонстрировать данные, а сенсоры — еще и преобразовывать их в информационный сигнал.

Кроме того, существует особый тип сенсоров, который имеет смысл рассмотреть для понимания концепции Интернета вещей. Это так называемые «умные» сенсоры, функциональная схема которых дополняется наличием алгоритмов для первичной обработки собранной информации. Таким образом, обычный сенсор способен обработать данные и предоставить их в виде информации, а «умный» сенсор способен производить какие-либо действия с самостоятельно захваченной информацией из внешней среды.

В будущем можно ожидать серьезного развития ЗО-сенсоров, способных с высокой точностью сканировать окружающее пространство и строить его виртуальную модель [6] . Так, в настоящий момент сенсор Capri 3D способен определять движения людей и их метрические харак-

теристики. Кроме того, данный сенсор может отсканировать объект внешней среды и сохранить информацию в САЭ-файле для дальнейшей отправки на печать на ЗЭ-принтере.

Рис. 24. Сенсор Capri 3D, подключенный к Samsung Nexus 10

Особого внимания заслуживает развитие устройств, сочетающих в себе сразу несколько сенсоров разного типа. Как говорилось в пункте 2.2.1, для получения знания необходима информация о разных характеристиках объекта. А использование разных сенсоров позволяет получить необходимую информацию. В некотором смысле такие устройства действительно могут узнавать людей. Примером подобного устройства может служить беспроводной контроллер Kinekt, использующийся в современных видеоиграх.

IR Emitter Color Sensor

Microphone Ar ray

Рис. 25. Устройство беспроводного контроллера Kinekt 57

IR Depth Sensor

Контроллер Kinekt содержит в себе сразу несколько компонентов: инфракрасный излучатель; инфракрасный приемник; цветная камера;

набор из 4 микрофонов и обработчика звукового сигнала; средство коррекции наклона. [7]

Принцип работы контроллера Клпек! достаточно прост. Лучи, вышедшие из инфракрасного излучателя, отражаются и попадают в инфракрасный приемник. За счет этого удается получить информацию о пространственном положении человека, который играет в видеоигру. Камера способна зафиксировать различные цветовые данные, а микрофоны в состоянии улавливать голосовые команды игрока. В итоге контроллер оказывается в состоянии собрать достаточный объем информации о человеке, чтобы тот мог управлять игрой посредством движений или голосовых команд.

В определенном смысле контроллер Ктек! относится к сфере технологий Интернета вещей. Он способен идентифицировать игрока, собрать информацию о нем и передать другим устройствам (игровой приставке). Но подобный набор сенсоров потенциально может использоваться и в других перспективных для концепции Интернета вещей областях, включая сферу развертывания технологий «умного» дома.

Датчик движения чаще всего используется для включения освещения, когда вы проходите или находитесь рядом с ним. С его помощью можно хорошо экономить электричество и избавить себя от необходимости щелкать выключателем. Это устройство также используется и в системах сигнализации, для определения нежелательных проникновений. Кроме этого их можно встретить и на производственных линиях, они там нужны для автоматизированного выполнения каких-либо технологических задач. Датчики движения иногда называют датчикам присутствия.

Типы датчиков движения

Датчики движения различают по принципу действия от этого зависит их работа, точность срабатывания и особенности использования. У каждого из них есть сильные и слабые стороны. От конструкции и рода используемого элемента зависит и конечная цена такого датчика.

Датчик движения может быть выполнен в одном корпусе и в разных корпусах (блок управления отдельно от датчика).

Контактные

Самый простой вариант датчика движения – использовать концевой выключатель или геркон. Геркон (герметичный контакт) это переключатель который срабатывает при появлении магнитного поля. Суть работы заключается в установки концевого выключателя с нормально-разомкнутыми контактами или геркона на дверь, когда вы её откроете и зайдете в помещение контакты замкнутся, включат реле, а оно включит освещение. Такая схема изображена ниже.

Инфракрасные

Срабатывают от теплового излучения, реагируют на изменение температуры. Когда вы входите в поле зрения такого датчика он срабатывает на тепловое излучение от вашего тела. Недостатком такого способа определения являются ложные срабатывания. Тепловое излучение присуще всему что есть вокруг. Приведем несколько примеров:

1. ИК датчик движения стоит в помещении с электрообогревателем, который периодически включается и отключается по таймеру или термостату. При включении обогревателя возможны ложные срабатывания. Можно попробовать этого избежать долгой и скрупулезной настройкой чувствительности, а также попыткой направить его так, чтобы в прямой видимости не было обогревателя.

2. При установке на улице возможны срабатывания от порывов тёплого ветра.

В целом эти датчики нормально работают, при этом это самый дешевый вариант. В качестве чувствительного элемента используется PIR-сенсор, он создает электрическое поле пропорционально тепловому излучению.

Но сам по себе сенсор не имеет широкой направленности, поверх него устанавливается линза Френеля.

Правильнее будет сказать – многосегментная линза, или мультилинза. Обратите внимание на окошко такого датчика, оно разбито на секции это и есть сегменты линз, они фокусируют попадающие излучения в узкий пучок и направляют его на чувствительную область датчика. В результате этого на маленькое приемное окошко пироэлектрического сенсора попадают пучки излучений с разных сторон.

Для увеличения эффективности детектирования движения могут устанавливать сдвоенные, или счетвертненные сенсоры или несколько отдельных. Таким образом, расширяется поле зрение прибора.

Исходя из вышесказанного нужно отметить и то, что на датчик не должен попадать свет от лампы, а также в поле его зрения не должно быть ламп накаливания, это также сильный источник ИК-излучения, тогда работа системы в целом будет нестабильной и непредвиденной. ИК-излучения плохо проходят через стекло, поэтому он не сработает, если вы будете идти за окном или стеклянной дверью.

Это самый распространённый вид датчика его можно купить а можно и собрать самому на основе, поэтому рассмотрим его конструкцию подробно.

Как собрать ИК-датчик движения своими руками?

Самый распространенный вариант – это HC-SR501. Его можно купить в магазине радиодеталей, на али-экспресс, часто поставляется в наборах Arduino. Может использоваться как в паре с микроконтроллером, так и самостоятельно. Он представляет собой печатную плату с микросхемой, обвязкой и одним ПИР-сенсором. Последний накрыт линзой, на плате есть два потенциометра, один из них регулирует чувствительность, а второй время которое на выходе датчика присутствует сигнал. При детектировании движения на выходе появляется сигнал и держится установленное время.

Он питается напряжением от 5 до 20 вольт, срабатывает на расстоянии от 3 до 7 метров, а сигнал на выходе держит от 5 до 300 секунд, вы можете продлить этот период, если использовать одновибратор на NE555, микроконтроллер или реле задержки времени. Угол обзора порядка 120 градусов.

На фото изображен датчик в сборе (слева), линзу (справа внизу), обратную сторону платы (справа вверху).

Рассмотрим плату подробнее. На её передней стороне расположен чувствительный элемент. На задней – микросхема, её обвязка, справа два подстроечных резистора, где верхний – время задержки сигнала, а нижний – чувствительность. В нижней правой части джампер для переключения режимов H и L. В режиме L датчик выдает выходной сигнал только она период времени выставленного потенциометром. Режим H выдает сигнал, пока вы находитесь в зоне действия датчика, а когда вы её покидаете сигнал, исчезнет через время заданное верхним потенциометром.

Если вы хотите использовать датчик без микроконтроллеров, тогда соберите эту схему, все элементы подписаны. Схема питается через гасящий конденсатор, напряжение питания ограничено на уровне 12В с помощью стабилитрона. Когда на выходе датчика появляется положительный сигнал реле Р включается через NPN транзистор (например BC547, mje13001-9, КТ815, КТ817 и другие). Можно использовать автомобильное реле или любое другое с катушкой на 12В.

Если вам нужно реализовать какие-то другие функции – можно использовать его в паре с микроконтроллером, например платой Ардуино. Ниже представлена схема подключения и программный код.