Digitale Bewegungs- und Präsenzmeldung

Mit ihrer sehr kompakten Größe (nur 4,4 mm lang und 1,75 mm hoch) eröffnen die Infrarotsensoren neue Möglichkeiten für Smart-Home-Konzepte und IoT-Geräte. Excelitas Technologies

Calipile-Detektoren übermitteln Messwerte digital und können Hintergrundtemperatur intelligent herausfiltern. Excelitas Technologies

Soll eine Bewegungsmeldung in Akku-betriebenen Endgeräten umgesetzt werden, so sind kleine, flache Sensoren mit geringem Energieverbrauch gefragt. Üblicherweise werden diese Aufgaben mit passiver Messung gelöst. Da passive Sensoren nach dem thermischen Prinzip selbst keine Strahlung abgeben, sondern geringe Temperaturschwankungen in Form von Infrarotstrahlung erfassen, benötigen sie weitaus weniger Energie als aktive Sensoren. Die Wärmestrahlung, die jedes Objekt oder Lebewesen abgibt, wird in ein elektrisches Signal gewandelt und kann eine Aktion auslösen. Zum Beispiel lassen sich Beleuchtung und Klimaanlage automatisch aktivieren, wenn ein Mensch einen Raum betritt. Die häufig verwendeten pyroelektrischen Sensoren (PIR), die nach diesem Prinzip arbeiten, sind in der Tat energiesparend, kosteneffizient und verlässlich. Doch sie benötigen zusätzlich eine Linse, um Temperaturschwankungen durch Umgebungseinflüsse wie Sonnenlicht oder eine Klimaanlage kompensieren zu können. Der Linsenaufbau vergrößert die Bauhöhe so erheblich, dass ein Einbau zum Beispiel in flache Bedienfelder schwierig ist.

Vielseitig und kompakt

Excelitas Technologies bietet als geeignete Alternative eine äußerst kleine Lösung für die Detektion auf kurzen Distanzen an, die auf dem Messprinzip der Thermosäule (Thermopile) beruht. Mit dem Calipile ist es gelungen, einen sehr kompakten, kalibrierbaren Single-Pixel-Thermopile-Sensor zu konstruieren, der laufend in einem einzigen Gerät digitale Anwesenheitserfassung, Bewegungserkennung und Temperaturmessung bietet. Der Sensor verfügt dabei nicht nur über einen sehr geringen Energieverbrauch von 50 µW und ein breites Betrachtungsfeld von 120°. Das verwendete Messprinzip erfordert im Nahbereich bis zu drei Metern auch keine zusätzliche Linse. Durch den Wegfall des Linsenaufsatzes misst der intelligente Sensor als SMD-Paket nur 4,4 × 2,6 × 1,75 mm³. Er ermöglicht damit die Umsetzung äußerst kompakter IoT-Lösungen und eröffnet ganz neue Freiheiten im Bereich Gerätedesign. Eine naheliegende Anwendung für diese Sensoren ist der Einsatz in akkugespeisten Smart Devices, die nur bei Detektion eines Menschen in einer Entfernung bis zu drei Metern in den Wachzustand versetzt werden und sonst energiesparend „schlafen“ sollen. Auch Netzwerke kompakter, batteriebetriebener und kabelloser Sensoren zur Präsenzüberwachung von Räumen sind praktikabel. Anregungen für Anwendungsmöglichkeiten des Sensors liefert der Youtube-Kanal von Excelitas Technologies. Prometeusz Jasinski, Applications Engineer bei Excelitas Technologies erklärt zudem ausführlich in einem Video-Tutorial die Funktionsweise passiver Infrarotsensoren nach dem thermoelektrischen Prinzip.

Digital und intelligent

Anders als marktüblich hat das Unternehmen wie in seinem Digipyro auch im Calipile digitale Elektronik inklusive erster Auswertealgorithmen bereits integriert. Die digitalen Sensoren benötigen im Gegensatz zu analogen keinen externen Verstärker, sondern kommunizieren ein digitales Ausgangssignal in Bitform direkt zum Mikrocontroller. Beim Calipile wird der hochempfindliche Thermopile-Chip mit einer digitalen Datenverarbeitung kombiniert. Erst dies erlaubt es, mehr als nur die klassische Temperaturerfassung zu nutzen. Um eine Fehlauslösung durch Einflüsse wie Sonnenlicht, Heizungen oder Tag-Nacht-Fluktuationen zu unterdrücken, kommt ein interner Algorithmus zur Hintergrundkorrektur zum Einsatz. Die dafür nötige Filterung wird mit frei wählbaren, mittels I²C-Schnittstelle konfigurierbaren digitalen Softwarefiltern erreicht. Ein Tiefpassfilter erfasst die sich langsam ändernde Hintergrundtemperatur, eine zweite Filterphase die viel abruptere Temperaturveränderung durch eine Person, die anschließend mithilfe einer dynamischen Verrechnung herausgefiltert werden kann. Durch Festlegung eines Schwellwerts, bei dessen Überschreitung der Calipile einen Interrupt auslöst, der das Host-System aufweckt, kann der Sensor so als digitaler Bewegungs- und Präsenzmelder fungieren.

Keine Linse nötig

Die Reichweite in Anwendungen mit Bewegungsdetektion hängt bislang von der Verwendung optischer Vorsätze und der Pixelzahl der verbauten Sensoren ab. Dies ist jedenfalls bei Sensoren der Fall, die nach dem pyroelektrischen Prinzip funktionieren. Je nach Anforderungen der jeweiligen Anwendung muss bei PIR-Sensoren daher die richtige Kombination aus Linsengröße, Brennweite, Größe des Chips und Anzahl der Pixel gefunden werden. Echte Anwesenheitsdetektion kann aber auch mithilfe einer Kombination aus einem einfachen Single-Pixel-Thermopile-Sensor mit Hintergrundsubtraktion durch einen integrierten Applikationsprozessor erreicht werden. Das konnte mit dieser Neuentwicklung gezeigt werden. Denn in vielen Anwendungsfällen muss ein Sensor lediglich eine einzelne sich nähernde Person von anderen Personen und Gegenständen im Hintergrund unterschieden können. So etwa, um den Monitor eines PCs einzuschalten, sobald sich eine Person an ihren Arbeitsplatz setzt. Weil ein neuartiger Sensor dieser Bauweise keine IR-Linse benötigt, erübrigen sich durch die sperrige Optik bedingte Einbaubeschränkungen. So wird eine fast unsichtbare Integration in moderne Geräte ermöglicht, die äußerst dünn und knapp dimensioniert sind und deshalb einen größeren PIR-Sensor nicht aufnehmen könnten.

(ah)