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Detektoren für das Smart Home

(K)eine Bewegung

Thermopile-Sensoren eröffnen neue Design- und Systemkonzepte für Smart-Home-Applikationen und IoT-Geräte wie Thermostate, Rauchmelder, IP-Kameras oder Netzwerke von Präsenzdetektoren.

(Bild: Excelitas Technologies Corp.)

Weil kleine, flache Bewegungsmelder mit hinreichend geringem Energieverbrauch für Endgeräte mit Akku kaum zu finden sind, richtet sich der Blick häufig auf Bauteile mit passiver Messung. 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 zum Beispiel genutzt werden, um die Beleuchtung oder eine Klimaanlage einzuschalten, 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 auch eine zusätzliche 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. Excelitas bietet als Alternative eine kleine Lösung für die Detektion auf kurzen Distanzen an, die auf dem Messprinzip der Thermosäule (Thermopile) beruht.

Smarter, multifunktionaler Winzling

„Mit dem Calipile ist es uns gelungen, einen kompakten, kalibrierbaren Single-Pixel Thermopile-Sensor zu konstruieren, der laufend in einem einzigen Gerät digitale Anwesenheitserfassung, Bewegungserkennung und Temperaturmessung bietet,“ erklärt Wolfgang Schmidt, Senior Product Manager von Excelitas. „Der Sensor verfügt dabei nicht nur über einen geringen Energieverbrauch von 50µW und ein breites Betrachtungsfeld von 120°. Das verwendete Messprinzip erfordert im Nahbereich bis zu 3m auch keine zusätzliche Linse.“ Durch den Wegfall des Linsenaufsatzes misst der intelligente Sensor als SMD-Paket gerade einmal 4,4×2,6×1,75mm. Er ermöglicht damit die Umsetzung kompakter IoT-Lösungen und eröffnet neue Möglichkeiten 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 3m in den Wachzustand versetzt werden und sonst energiesparend ’schlafen‘ sollen. Auch Netzwerke kompakter, batteriebetriebener und kabelloser Sensoren zur Präsenz-Überwachung von Räumen sind denkbar. Anregungen für Anwendungsmöglichkeiten des Sensors liefert der Youtube-Kanal von Excelitas.

Calipile-Detektoren mit Kalibrierungs-speicher, Applikationsprozessor und Interrupt-Funktion melden Anwesenheit, Bewegungen und Temperaturen, z.B. in einem Smart Home digital. (Bild: Excelitas Technologies Corp.)

Calipile-Detektoren mit Kalibrierungs-speicher, Applikationsprozessor und Interrupt-Funktion melden Anwesenheit, Bewegungen und Temperaturen, z.B. in einem Smart Home digital. (Bild: Excelitas Technologies Corp.)

Digitale Flexibilität

Anders als marktüblich hat Excelitas im Calipile digitale Elektronik inklusive erster Auswertealgorithmen bereits integriert. Im Gegensatz zu analogen Sensoren benötigen digitale keinen externen Verstärker, sondern kommunizieren ein digitales Ausgangssignal in Bitform direkt zum Mikrokontroller. „Beim Calipile kombinieren wir den hochempfindlichen Thermopile-Chip mit einer digitalen Datenverarbeitung. Erst dies erlaubt es mehr als nur die klassische Temperaturerfassung zu nutzen,“ beschreibt Prometeusz Jasinski, Applications Engineer bei Excelitas. Um eine Fehlauslösung durch Einflüsse wie Sonnenlicht, Heizungen oder Tag-Nacht-Fluktuationen zu unterdrücken, kommt ein innovativer 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 Schwellenwerts, bei dessen Überschreitung der Calipile einen Interrupt auslöst, der das Host-System aufweckt, kann der Sensor so als digitaler Bewegungs- und Präsenzmelder fungieren.

Der Thermopile-Sensor (4,4×2,6×1,75mm³) erkennt digital menschliche Anwesenheit in dynamischen Umgebungen mit Hintergrundrauschen – auf Distanzen bis 3m ganz ohne zusätzliche Platz beanspruchende Linsen. (Bild: Excelitas Technologies Corp.)

Ohne optischen Vorbau

Die Größe des überwachbaren Betrachtungsfelds und die Entfernung, über die ein Sensorsystem Bewegungen von Personen detektieren kann, hängt bislang von der Verwendung einer Linse und der Pixelzahl des Sensors 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 konnten wir mit unserer Neuentwicklung Calipile zeigen,“ so Jasinski. „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 dünn und knapp dimensioniert sind und deshalb einen größeren PIR-Sensor nicht aufnehmen könnten.

Firma: Excelitas Technologies Corp.
www.excelitas.com

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