Radargesteuerte Beleuchtung: Automatisches Treppenhauslicht mit Anwesenheitsdetektion
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Lösungen für die PIR-gesteuerte Anwesenheitserkennung sind beliebt, aber sie erkennen keine stationären Körper. Dieses DIY-Projekt mit Radarsteuerung ist eine praktische Alternative. Machen Sie mit, wenn Sie die Beleuchtung eines dunklen Treppenhauses mit Radar steuern möchten.
Das Radarmodul HLK-LD2410
Sie kennen sicher diese automatischen Leuchten, die von PIR-Sensoren gesteuert werden. Sie schalten sich ein, wenn man an ihnen vorbeigeht, und schalten sich automatisch aus, wenn keine Bewegung mehr registriert wird. So praktisch sie auch sein mögen, sie haben ihren eigenen Kopf und verhalten sich manchmal etwas eigenwillig. Mit der Einführung kostengünstiger radargestützter Präsenzdetektoren ist es möglich geworden, einige der Probleme eines PIR-Sensors zu lösen. Radarmelder bieten eine echte Anwesenheitserkennung, auch wenn Sie sich nicht bewegen, und lassen das Licht an, auch wenn Sie auf der Toilette in Ruhe die Zeitung lesen. Da es sich um ein Radargerät handelt, ist es immun gegen falsch-positive Erkennungen aufgrund von wechselnden Lichtverhältnissen, einer Biene, sich bewegender heißer Luft und so weiter.
Der Sensor HLK-LD2410 ist ein hochempfindliches Radarmodul zur Erfassung der menschlichen Anwesenheit. Es arbeitet im 1,2-Zentimeter-Band, im Mikrowellen-Frequenzbereich um 24 GHz, das die Bundesnetzagentur für Amateurfunk, Amateurfunksatelliten, Funkortungs- und Erderkundungssatelliten vorsieht . Das Band ist weit entfernt vom stark genutzten 2,4-GHz-Wi-Fi-Band. Das von Hi-Link Electronics entwickelte Modul ermöglicht die Erkennung menschlicher Körper für Hausautomatisierungssysteme. Sein Funktionsprinzip beruht auf dem frequenzmodulierten Dauerstrichradar (FMCW), das sowohl bewegliche als auch unbewegliche menschliche Körper erkennt.
FMCW-Radar: Theorie in Kürze
Das Radar basiert auf zwei Funktionsprinzipien. Erstens nutzt es den Doppler-Effekt, um Objekte zu erkennen. Ein Dauerstrichsignal (Continuous Wave, CW) wird gesendet und dann von Materialien wie Metall oder Wasser und somit auch von menschlichen Körpern reflektiert. Wenn sich das reflektierende Objekt (das Ziel) bewegt, ändert sich die Wellenlänge des reflektierten Signals (und damit seine Frequenz) proportional zur Geschwindigkeit des Ziels. Dies wird als Doppler-Effekt bezeichnet. Wir alle kennen den Effekt von vorbeifahrenden Autos oder Zügen. Der Ton ist höher, wenn das Fahrzeug auf Sie zukommt, und niedriger, wenn es sich von Ihnen entfernt.
Die Distanz zu einem Ziels kann durch Frequenzmodulation (FM) des CW-Signals erfolgen. Wenn die Signalfrequenz linear nach oben (oder unten) verschoben wird, hat das empfangene reflektierte Signal nicht dieselbe momentane Frequenz wie das gesendete Signal, da es verzögert ist. Die beiden Frequenzen unterscheiden sich geringfügig, und dieser Unterschied ist proportional zur Entfernung zwischen Sender und Ziel. Da es jedoch auch den Dopplereffekt gibt, funktioniert diese Methode nur bei statischen oder sich langsam bewegenden Objekten wirklich genau.
Die gesamte Komplexität der obigen Aussage wird im Modul HLK-LD2410 auf einen einzigen digitalen Ausgang reduziert, der den Zustand des erkannten Ziels anzeigt. Der Ausgang ist high, wenn eine Person erkannt wird, egal ob sie sich bewegt oder nicht. Die Elektronik hinter dem Radarmodul kann daher einfach bleiben und muss nur auf einen binären Zustand reagieren.
Die Schaltung
Die in diesem Artikel beschriebene Schaltung wird als automatisches Licht für ein Treppenhaus eingesetzt (Bild 1). Ein radarbasierter Anwesenheitsdetektor schaltet das Licht ein, wenn eine Person erkannt wird, und andernfalls aus. Außerdem darf das System nur dann funktionieren, wenn die Intensität des Umgebungslichts gering ist, mit anderen Worten, es muss eine Dunkelheitserfassung aufweisen. Der Schaltplan ist in Bild 2 dargestellt.
Ein lichtabhängiger Widerstand (LDR, R2) wird zur Erkennung von Dunkelheit verwendet. Wenn es dunkel ist, ist der Widerstand von R2 hoch, viel höher als der Wert von R1+P1, so dass die Spannung am Gate von IC1 hoch ist. Dadurch wird IC1 eingeschaltet, was dazu führt, dass das Gate des P-Kanal-MOSFET T1 auf low gezogen wird. T1 beginnt zu leiten und schaltet das Modul MOD1, einen kostengünstiges Gleichspannungswandler ein. Nun wird auch das Radarmodul MOD2 und damit die Präsenzerkennung von Menschen wird aktiviert. Die Schaltung ist somit scharfgeschaltet, was durch LED1 angezeigt wird.
In Abwesenheit von Menschen ist der Ausgang von MOD2 low, der n-Kanal-MOSFET T2 sperrt und die Last (eine LED-Kette) bleibt dunkel. Wenn ein menschlicher Körper erkannt wird, geht der Ausgang von MOD2 auf high und schaltet T2 ein, was wiederum die Last einschaltet. Ziemlich simpel, nicht wahr?
Disco-Lights
Es gibt jedoch einen Haken: Wenn das Licht eingeschaltet ist, sieht der LDR keine Dunkelheit mehr. Die Spannung am Gate von IC1 fällt ab und IC1 schaltet sich aus. Dadurch wird der Rest der Schaltung abgeschaltet und das Licht geht aus. Jetzt sieht der LDR wieder Dunkelheit und schaltet IC1 ein und so weiter und so fort: Das System beginnt zu oszillieren.
Um ein solches Disco-Light zu vermeiden, wurden R4 und IC2 hinzugefügt. IC2 hat die gleiche Funktion wie IC1, nur dass es vom Ausgang des Radarmoduls und nicht vom LDR gesteuert wird. IC1 und IC2 besitzen Open-Collector-Ausgänge und können daher parallel geschaltet werden, um T1 in einer „verdrahteten ODER“-Konfiguration anzusteuern.
Sobald eine Person erkannt wird, wird IC2 eingeschaltet. Dadurch wird die Schaltung auf die gleiche Weise wie IC1 mit Strom versorgt, auch wenn IC1 ausgeschaltet wird. Das Licht schaltet sich so erst aus, wenn der menschliche Körper verschwunden ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schaltung zwei stabile Zustände hat.
Stromversorgung
Die Schaltung ist für die Ansteuerung einer einfachen LED-Kette mit einer Gleichspannung von bis zu 24 V vorgesehen. Die Versorgungsspannung wird an Stifte 3 (+) und Stift 4 (-), die Last wird an Stifte 2 (+) und Stift 1 (-) des Verbinders K1 angeschlossen.
Das Radarmodul benötigt 5 VDC. Ein preiswertes Gleichspannungswandler-Modul MP1584 (MOD1) senkt die Versorgungsspannung für die LED-Ketten auf einen für das Radarmodul geeigneten Wert. MP1584-basierte Gleichspannungswandler-Module gibt es im Internet in vielen Varianten, einstellbar oder mit fester Ausgangsspannung. Beide können verwendet werden, auch wenn die Ausgangsspannung nicht 5 V beträgt, da es in der Regel ausreicht, nur einen Widerstandswert zu ändern, um eine Ausgangsspannung von 5 V zu erhalten. Verwenden Sie die folgende Gleichung, um den Widerstandswert zu bestimmen:
Hier ist RA der Widerstand zwischen Pin 4 des MP1584-ICs und Vout. RB ist der Widerstand zwischen Pin 4 und GND. Bei dem für unseren Prototyp verwendeten Modul hatte RB einen Wert von 8,2 kΩ. Da das Modul für einen 12-V-Ausgang konfiguriert war, hatte RA einen Wert von 115 kΩ, und um die Ausgangsspannung auf 5 V zu verringern, muss RA einen Wert von 43 kΩ haben. Bei unserem Prototyp konnte dies erreicht werden, indem ein 68-kΩ-Widerstands parallel zu RA eingesetzt wurde. Eine andere Möglichkeit ist, RA durch einen 39-kΩ-Widerstand in Reihe mit einem 3,9-kΩ-Widerstand zu ersetzen (wenn RB = 8,2 kΩ).
Die Platine
Im Elektor-Labor wurde eine kleine Platine für das Projekt entworfen, die mit Testpunkten zur Überprüfung einiger wichtiger Signale ausgestattet ist. Die Platine passt in ein billiges ABS-Kunststoffgehäuse 1591XXA von Hammond (Bild 3). Das Radargerät lässt sich gut in das Gehäuse einbauen und benötigt keine Löcher an der Vorderseite, was der Ästhetik zugute kommt. Obwohl die Antenne auf der Vorderseite am empfindlichsten ist, kann es nicht schaden, die Rückseite mit einem Stück Metall (Folie) abzuschirmen, wenn Sie eine Detektion von hinten sicher ausschließen wollen.
Das Radarmodul HLK-LD2410 gibt es in mindestens zwei verschiedenen Formen (Bild 4), auf einer 16×22 mm großen Platine mit einer großen 1×5-polige Stiftleiste im 0,1-Zoll-Raster und auf einem 7×39 mm langen schmalen Platinenstreifen mit einem kleinen Verbinder im mit 0,05-Zoll-Raster. Beide Typen können verwendet werden, allerdings sind ihre Steckverbinder nicht auf die gleiche Weise belegt. Die Signale des ersten Typs sind nach TX, RX, OUT, GND und VCC geordnet, des zweiten Typs OUT, TX, RX, GND und VCC. Die entworfene Platine ist für den ersten Typ gedacht, bietet aber Platz für den zweiten. Das lange und schmale Modul, das wir bestellt hatten, wurde mit einem Adapterkabel geliefert, das einfach an die Platine angeschlossen werden kann. Es lassen sich also Modulplatinen ohne große Fummelei verwendet werden.
Der Stromanschluss K1 ist für die Montage „nach unten“ vorgesehen, das Stromversorgungs- und das LED-Kabel laufen über die Platine zur gegenüberliegenden, kurzen Seite hinunter. Die beiden Löcher auf dieser Seite können zur Zugentlastung verwendet werden (zum Beispiel mit einem Kabelbinder, siehe Bild 3), aber wenn Sie es anders machen wollen, können Sie das gerne tun.
Konfigurieren des Radars
Das Modul HLK-LD2410 funktioniert zwar out of the box, kann aber über eine serielle Schnittstelle mit dem Windows-Programm LD2410 Tooli> konfiguriert werden. Dies erklärt den Anschluss K2, eine serielle Schnittstelle, die für ein 3,3-V-FTDI-kompatibles USB-zu-Seriell-Kabel verdrahtet ist.
Das Radarmodul muss bei der Konfiguration natürlich mit Strom versorgt werden, entweder über das USB-serielle Kabel (JP1 geschlossen) oder über die Stromversorgung der Schaltung (JP1 offen). Im zweiten Fall muss der LDR dunkel sein, da die Schaltung sonst nicht einschaltet. Mit P1 stellen Sie die Lichtintensität (den Grad der Dunkelheit) ein, bei der das Gerät einschaltet.
Wenn das Radarmodul eingeschaltet ist, können Sie es konfigurieren. Schließen Sie zunächst das Modul an. Das Tool kennt zwei Hauptmodi. Um das Radar auszurichten, aktivieren Sie am besten den Engineering Mode und klicken auf Start (Bild 5). Daraufhin wird die Sensorik live in zwei Diagrammen angezeigt, auf der linken Seite das bewegte und auf der rechten Seite das unbewegte Ziel. Der Erfassungsbereich ist in acht Bereiche von je 75 cm unterteilt. Die Empfindlichkeit jedes Bereichs kann von 0 bis 100 eingestellt werden, wobei 100 die geringste Empfindlichkeit bedeutet (das heißt, für diesen Bereich ist die Erkennung dann deaktiviert). Wenn die blaue oder rote Linie die grüne Linie erreicht oder kreuzt, schaltet der Ausgang auf high. Wenn Sie mit den gewählten Empfindlichkeitsstufen zufrieden sind, klicken Sie auf Config, um die Einstellungen dauerhaft im Sensor zu speichern.
Das war's, Ihr Anwesenheitsdetektor ist einsatzbereit (Bild 6). Eine weitere Idee für eine Anwendung wäre ein Rotlicht/Grünlicht-Bewegungsmelder (wie in der beliebten Fernsehserie Squid Game), bei dem sich eine Person an einem bestimmten Ort aufhalten muss, sich aber nicht bewegen darf. Viel Spaß!
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Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel (230320-02) erscheint in Elektor Mai & Juni 2024.
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