Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Czujniki radarowe jako potężne narzędzia do inteligentnych aplikacji IoT

Minęło nieco ponad dwadzieścia lat od wprowadzenia terminu Internet Rzeczy (IoT). To wystarczyło, aby miliony czujników i urządzeń na całym świecie zostały połączone poprzez globalną sieć. Urządzenia IoT są stosowane dla polepszenia i usprawnienia wielu aspektów naszego życia oraz przyczyniają się do wielu oszczędności, dlatego zapotrzebowanie rynku na inteligentne urządzenia i ich aplikacje nie maleje. Jednym z czynników takiego zainteresowania jest fala rozwiązań z intuicyjnym sterowaniem, które umożliwiają ludziom interakcję z urządzeniami w bardziej naturalny i bezproblemowy sposób niż kiedykolwiek wcześniej.
Article Image

Wdrożenie intuicyjnego sterowania bazuje na szeregu nieinwazyjnych systemów czujnikowych, które zapewniają aplikacjom IoT nowe zdolności percepcyjne. Intuicyjne systemy wykrywania pozwalają urządzeniom widzieć, słyszeć, postrzegać i rozumieć otaczające środowisko. W ten sposób otwierają nowe horyzonty dla technologii IoT w takich obszarach, jak inteligentne domy, bezpieczeństwo i przemysł.

Czujniki radarowe

W zakresie aplikacji IoT czujnik radarowy to urządzenie, które jest zdolne do wykrywania i potencjalnego śledzenia jednego lub więcej obiektów. W przeciwieństwie do wielu innych czujników bezprzewodowych radary są czujnikami aktywnymi, czyli generują impulsy sygnału, a następnie nasłuchują jego echa. Technologia radarowa korzysta z sygnałów o częstotliwości radiowej (RF) i umożliwia oszacowanie prędkości, kierunku i odległości od celu do nadajnika/odbiornika radaru. Czujniki radarowe mogą mieć dużą czułość i mogą wykryć nawet bardzo małe ruchy związane z samą obecnością człowieka.

Kluczowe zalety wysoce czułej technologii radarowej w zastosowaniach IoT to:

  • Mały rozmiar – czujniki radarowe zajmują niewiele miejsca w całym systemie, dzięki czemu umożliwiają rozwój aplikacji IoT o stosunkowo niewielkich rozmiarach. Niewielkie gabaryty sprawiają, że ich działanie jest dyskretne i nie będzie przeszkadzać ani rozpraszać użytkowników;
  • Wytrzymałość – czujniki radarowe działają bardzo dobrze w różnych warunkach środowiskowych i klimatycznych. Na ich działanie nie mają istotnego wpływu zmiany temperatury lub warunków oświetleniowych.
  • Elastyczność w projektowaniu produktu – jedną z kluczowych cech czujników radarowych jest to, że można je ukryć pod osłonami produktów, co zwiększa estetykę i elastyczność wdrażania produktów. Radary emitują sygnały RF o wysokim paśmie częstotliwości, np. 24 GHz, które mogą przenikać przez większość materiałów (np. plastik, szkło i drewno). W związku z tym mogą zapewnić dokładne odczyty obiektów znajdujących się za ścianami lub przeszkodami.
  • Czułość – czujniki radarowe mogą wykrywać bardzo małe ruchy (np. ruchy wywoływane oddychaniem), co umożliwia wiele interesujących zastosowań IoT, takich jak wykrywanie obecności człowieka a nawet wykrywanie oznak życia, takich jak bicie serca.
  • Wydajność energetyczna – czujniki radarowe zużywają stosunkowo mało energii, a zatem pozwalają na długą żywotność baterii. W związku z tym zapewniają aplikacjom IoT znaczną autonomię i efektywność energetyczną.

Powyższe właściwości czujników radarowych powodują, że znajdują one różnorodne zastosowania, jednak ich najczęstszym zastosowaniem jest wykrywanie ruchów i obecności (lub ich brak) celów, takich jak ludzie, pojazdy i zwierzęta.

Autonomiczny czujnik radarowy od Infineon

Czujnik radarowy typu BGT60LTR11AIP wykorzystuje zjawisko Dopplera i działa w paśmie ISM 60 GHz. Dostarczany jako pojedynczy moduł radarowy, który może pracować w trybie autonomicznym. Może wykryć człowieka z odległości do 5 m, zużywając mniej niż 5 mW energii. Rozwiązanie od Infineon integruje w sobie złożoną konstrukcję anten RF oraz moc obliczeniową potrzebną do przetwarzania sygnałów radarowych. Czujnik radarowy może być ukryty wewnątrz obudowy produktu, ponieważ transmituje i odbiera przez materiały niemetaliczne. Można go zintegrować z systemami takimi jak laptopy, tablety, telewizory i głośniki, budząc je po wykryciu ruchu.

Na rysunku 1 został pokazany schemat blokowy radaru BGT60LTR11AIP. Zintegrowany oscylator VCO generuje sygnał o częstotliwości 60 GHz, którego częstotliwość jest stabilizowana za pomocą pętli PLL. Nadajnik zawiera wzmacniacz mocy w.cz. z konfigurowalną programowo przez SPI mocą wyjściową. W odbiorniku pracuje niskoszumowy detektor kwadraturowy, wspomagany wzmacniaczem LNA i mieszaczem homodynowym zapewniającym znakomitą czułość. Sygnały kwadraturowe IQ niezbędne do działania są wytwarzane z użyciem VCO i wielofazowego przesuwnika fazy na drabince RC.

Rysunek 1. Schemat blokowy radaru BGT60LTR11AIP

Jednostka przetwarzania sygnału analogowego zawiera układ próbkowania z pamięcią (sample-and-hold circuit), zapewniający mały pobór mocy oraz możliwość ograniczania poboru poprzez modulację czasu aktywności i uśpienia. Dalej w torze przetwarzania sygnału jest konfigurowalny filtr górnoprzepustowy, wzmacniacz o zmiennym wzmocnieniu i filtr dolnoprzepustowy. Za tymi blokami znajdują się detektory, które generują impulsy w chwili wykrycia obiektu. Dla zapewnienia maksymalnej elastyczności i wytrzymałości przed fałszywymi alarmami obwody te pozwalają na ustalenie przez użytkownika czasu zwłoki, licznika trafień i progu wykrywania.

Cały układ czujnika ma wymiary 3,3×6,7×0,56 mm i ta obudowa zawiera chip półprzewodnikowy zintegrowany na laminacie razem z antenami, dzięki czemu jego użycie w aplikacji użytkownika nie wymaga użycia płytki drukowanej ze specjalnego laminatu mikrofalowego. Doskonale sprawdzi się zwykły FR-4, dzięki czemu nie trzeba obawiać się kosztów.

Rysunek 2. Płytka prototypowego czujnika ruchu z detektorem BGT60LTR11AIP

Na rysunku 2 pokazano płytkę prototypowego czujnika ruchu z detektorem BGT60LTR11AIP. Poza nim jest tam stabilizator niskoszumowy, oscylator kwarcowy dla zegara referencyjnego i kondensatory odsprzęgające. Do wyjścia dołączone są dwie diody LED. Zielona zapala się po wykryciu celu, a czerwona LED świeci się, gdy cel się oddala od czujnika. Płytka ta nie tylko obrazuje działanie detektora BGT60LTR11AIP MMIC, ale też jest kompletnym rozwiązaniem czujnika radarowego, bo została wykonana w formie nakładki (shield), czyli tak, aby można było ją zamontować na większym obwodzie głównym aplikacji. W ten sposób można szybko prototypować urządzenia i wytwarzać rozwiązania małoseryjne. Z użyciem czterech linii interfejsu SPI można przełączać czujnik, wybierając pracę autonomiczną lub kontrolowaną.

Bogata dokumentacja czujnika oraz wiele dodatkowych materiałów dostępne są na stronie: www.infineon.com, natomiast narzędzia programowe oraz przykłady programów dostępne są poprzez Infineon Developer Center: www.infineon.com

Firma:
Tematyka materiału: IoT, czujniki radarowe, Arrow, Infineon
Źródło
Elektronika Praktyczna wrzesień 2022
Udostępnij
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"