سنسور PIR

پنج شنبه 14 / 12 / 1392برچسب:,

:: 12:22 :: نويسنده : ahmad & saman

سنسور PIR

امروزه در سیستم‌های اعلام سرقت به طور گسترده از سنسورهای حركتی كه در بازار با نام رادار یا چشمی از آن‌ها نام برده می‌شود کاربرد دارد. این سنسورها امروزه با تنوع وسیعی و كیفیت گوناگون در بازار یافت می‌شوند. در این مقاله با مبانی و نحوه كاركرد این دستگاه‌ها آشنا شده و توان مقایسه آن‌ها را خواهید یافت.

هر جسمی كه دمای آن بالاتر از صفر مطلق یعنی 273 درجه زیر صفر باشد از خودش انرژی از جنس امواج نوری ساطع می‌كند. میزان این انرژی كه از جسم ساطع می‌شود وابسته است به:

· اختلاف دمای سطح جسم با دمای محیط

· میزان دمای خود جسم

· میزان انعكاس نور از جسم

· ابعاد فیزیكی جسم

· میزان تولید انرژی داخلی (فعالیت و متابولیسم) و طول موج این نور وابسته به دمای جسم می‌باشد.

بخش زیادی از این انرژی كه از جسمی تابش می‌كند از نوع مادون قرمز می‌باشد كه مربوط به بخش نامریی طیف امواج الكترومغناطیس می‌باشد. در یك دفتر اداری معمولی سطح تمام اجسام، دیوارها، كف، چراغ‌ها و غیره نور مادون قرمز از خود انتشار می‌دهند از آنجا كه دمای سطح اجسام اطراف با دمای محیط به هم نزدیك می‌باشد هر دو تقریباً در یك طول موج انتشار دارند.

هنگامی كه كسی در اتاق حضور ندارد و یا فردی در آن حركت نمی‌كند الگوی انتشار این انرژی از جهت قدرت و جهت ثابت است. حال اگر فردی به اتاق وارد شود این الگو به دو شكل به هم می‌ریزد. بدن فرد بین انعكاس و انتشار امواج توسط محیط مانع ایجاد می‌كند. بدن فرد انرژی مادون قرمز خود را می‌تابد كه باعث افزایش میزان این انرژی در اتاق می‌شود.

در صورتی كه او حركت كند به میزان قابل توجهی روی برخی از اجسام سایه ایجاد می‌كند و روی برخی دیگر از اجسام اثر تقویت كننده دارد. همچنین در منطقه‌ای كه انرژی مادون قرمز افزایش یافته است دما نیز بالاتر می‌رود سنسورهای مادون قرمز تغییراتی كه به واسطه حضور فرد در میزان انرژی در محیط ایجاد می‌شود را تشخیص می‌دهند. و شامل بخش‌های زیر می‌باشند.

یك سنسور كه نسبت به نور مادون قرمز دریافتی عكس‌العمل‌ نشان می‌دهد و آن را به میكرو ولت تبدیل می‌كند. یك لنز كه اطمینان می‌دهد نور مادون قرمز از مناطق مجزایی كه از هم فاصله دارند و از بین آن‌ها نوری دریافت نمی‌شود گرفته می‌شود.

یك مدار الكترونیكی كه تغییرات ولتاژ ناشی از انرژی مادون قرمز كه به دلیل حركت جسم در مقابل زون‌ها می‌باشد را در یك زمان معین اندازه می‌گیرد و نسبت به آن عكس‌العمل نشان می‌دهد.

سنسور مادون قرمز فقط به دمای ناشی از بدن انسان یا حیوان خونگرم كه در محدوده 8-14mm است عكس‌العمل نشان می‌دهد و طول موج‌های دیگر انرژی مادون قرمز مربوط به چراغ‌ها، نور خورشید، تجهیزات گرم كننده و غیره را به منظور كاهش نویز جهت تشخیص حضور یك فرد در محدوده خود فیلتر می‌كند.

سنسور اصلی یك PIR، یك قطعه فوق‌العاده حساس نسبت به نور مادون قرمز است كه داخل یك كپسول كاملاً بسته قرار گرفته است. هر نور مادون قرمزی كه به سطح سنسور بتابد در مشخصات الكتریكی سنسور تغییر ایجاد می‌كند. این تغییر توسط یك مدار الكترونیكی آشكار گردیده، تقویت شده و می‌تواند منجر به بروز یك آلارم در خروجی PIR شود. بالا رفتن تكنولوژی PIR منجر به اضافه كردن مزایا یا جبران‌سازی در بخش‌های زیر گردیده است.

مشخصات پس‌زمینه:

· دمای سطوح غیر مهم

· شدت تغییرات لازم برای فعال شدن آلارم

· طول زمان لازم برای تغییرات

· یكسان كردن اثر تغییرات در تمام زاویه دید

مشخصات هدف:

· طول موج مادون قرمز تولید شده توسط تجهیزات معمولی درون اتاق در دمای 12Cبرابر 1mm، نور خورشید 2.7mm و یك انسان 10-14mm یا بیشتر است.

· ابعاد واقعی جهت تحریك آلارم و حذف اثر پرسپكتیو ( یك حیوان كوچك در نزدیكی PIR اثر یك انسان در فاصله دورتر را دارد.)

· اختلاف دمای بین انسان و سطوح گرمازای دیگر

· سرعت جابجا شدن در مقابلPIR

تمام سنسورهای PIR برای تشخیص حركت از یك مفهوم اختلاف بین حضور و عدم حضور استفاده می‌كنند كه سبب می‌شود بین حضور یك انسان با امواج RFI و EMIمنتشره از منابع دیگر تفكیك قائل شود. برای حصول به این نتیجه صفحه سفید رنگ مقابل سنسور دارای الگویی است كه تحت زاویای خاصی امواج مادون قرمز از فرد مقابل دستگاه به سنسور نمی‌رسد اما تحت زوایای دیگر این نور مستقیماً به سنسور می‌رسد. برای واضح‌تر شدن مسئله شما فرض كنید كه یك ورقه كاغذ كه در آن سوراخ‌هایی با فواصل معینی تعبیه شده است مقابل چشم خود قرار داده‌اید در این حالت اگر فردی از مقابل شما عبور كند در بعضی از محل‌ها یا زوایا او را نمی‌بینید اما در برخی دیگر از زوایا او را می‌توانید مشاهده كنید.

زوایایی كه در آن‌ها فرد را نمی‌بینید زون مرده و زوایای دیگر را زون می‌نامیم.

به عبارت دیگر وقتی فرد در یك زون مرده قرار می‌گیرد نور تابشی از بدن او به سنسور نمی‌رسد ولی وقتی در مقابل یك زون قرار می‌گیرد گرمای تابشی بدن او توسط لنز محسوس می‌باشد.

زون‌ها دارای انواع گوناگونی از ساده تا پیچیده جهت كاربردهای یا حساسیت بالا می‌باشند.

1- زون تك واحدی

2- زون دوقلو

3- زون دو لبه

4- زون چهار لبه

5- زون هشت لبه

انواع یك و دو امروزه غیر متداول بوده و ممكن است در ارزان‌ترین نوع سنسورها جهت مناطقی كه از درجه امنیتی بسیار پایینی برخوردارند مناسب می باشد. زیرا برای ایجاد آلارم فرد می‌بایست حداقل از مقابل یك زون مرده و دو زون معمولی در زمان معینی عبور نماید.

در زون نوع دو وجهی هر زون فعال به دو بخش به صورت عمودی تقسیم می‌شود. كه یكی بخش یا لبه مثبت و دیگری بخش یا لبه منفی نامیده می‌شود. برای تحریك كافی است فرد در زمان معینی در یك زون از لبه مثبت به لبه منفی برود و یا بر عكس این وضعیت منجر به بالا رفتن حساسیت سنسور می‌شود.

بعضی PIRها از الگوی معینی برای تحریك شدن پیروی می‌كنند كه مزایای زیر را دارد:

· كاهش آلارم‌های خطا ناشی از اثرات محیطی كه ثابت می‌باشند اما انرژی گرمایی شبیه بدن انسان تولید می‌كنند مثل آتش و غیره

· كاهش آلارم‌های خطا ناشی از اشیاء متحركی كه خصوصیات حركت انسان را ندارد. (مثل تغییر نور خورشید ناشی از سایه و روشن شدن، حركت سطوح داغ و غیره

خیلی از سیستم‌ها امكان ثبت تمام رخدادها را دارند حتی آن‌هایی كه منجر به بروز آلارم نشده‌اند. این امكان به مهندس نگهدار سیستم اجازه تصمیم‌گیری در مورد علل رخداد مشكلات پیش ‌آمده را می‌دهد.

زون‌های چهار لبه و هشت لبه:

در این زون‌ها هر زون به چهار یا هشت بخش تقسیم می‌شود. اما در آن‌ها مفهوم عبور از یك خط به مفهوم حضور در بخش تغییر می‌یابد. در یك زون چهار لبه زون به چهار بخش مستطیلی دو تا در بالا و دو تا در پایین تقسیم می‌شود. دو بخش بالایی را A و دو بخش پایینی را Bنامگذاری می‌كنند. A به دو بخش A^- و A⁺ و Bبه دو بخش B^- وB⁺متناظربا هر بخش تقسیم می‌شود. در حالت عددی یك پروسسور نور مادون قرمز جذب شده در هر بخش را كه با دو شرط بالاتر بودن از یك میزان حداقل و در یك بازه زمانی معینی صورت می‌گیرد را آشكار می‌كند و از معادله زیر استفاده می‌كند.

½A+B½-½A-B½=0

اگر نتیجه صفر باشد هیچ آلارمی رخ نداده است خطوط افقی به معنی قدر مطلق است و حاصل A+B یا A-B را همیشه بدون علامت (مثبت) در نظر می‌گیرد.

فرض كنید یك موش كوچك در زون شماره یك ظاهر می‌شود و انرژی گرمایی مادون قرمزی به میزان 2mJ (دو میكرو ژول) در ⁺B₁ ایجاد می‌كند. موقعیت حضور بدن موش در كجای زون هیچ اهمیتی ندارد فقط مهم این است كه وارد این بخش گردیده است. هیچ یك از بخش‌های دیگر حضور موش را تشخیص نداده‌اند. پردازشگر معادله را به صورت زیر محاسبه می‌كند.

½0+2½-½0-2½=½+2½-½-2½=2-2=0

بنابراین هیچ آلارمی ایجاد نمی‌شود. حال به شكل 47-4نگاه كنید. فردی كه بدن خود را پوشانده است. برای جلوگیری از تحریك شدن سنسور روی زمین می‌خزد اما مطابق معادله زیر آلارم ایجاد می‌شود. زیرا:

½1+3½-½1-3½=½4½-½2½=4-2=2=alarm

شكل 48-4 نحوه عبور فرد به صورت دیگری از مقابل سنسور را نشان می‌دهد بر این اساس:

½2+2½-½2-2½=½4½-½0½=4=alarm

بنابراین یك پردازشگر معادله مذكور را یه صورت دائم محاسبه می‌كند و تعیین می‌كند:

· در كدامیك از بخش‌های چهارگانه حضور شیء تشخیص داده می‌شود.

· مقدار معادله در مورد آن قابل توجه است یا خیر.

· آیا ثابت ایستاده یا به زون بعدی تغییر مكان داده است.

حال یك سئوال مطرح می‌شود: ‌اگر موش آنقدر به سنسور نزدیك باشد به طوری كه تمام بخش‌های یك زون را بپوشاند آیا آلارم رخ می‌دهد. مثلاً فرض كنید كه این موش دقیقاً روی سنسور برود در این حالت:

½2+2½-½2-2½=½4½-½0½=4-0=4=alarm

پاسخ به این سوال این است بلی و نه اگر آشكارساز حركت دارای قابلیت تشخیص پوشیده شدن سطح سنسور را داشته باشد سیگنال آلارم ایجاد می شود و این وضعیت را به عنوان تلاش برای از كار انداختن عملكرد سنسور در نظر می‌گیرد اما اگر سنسور دارای فیلتر برای جلوگیری از انرژی با طول موج‌های دیگر كه مربوط به انسان نیست مثل نور خورشید می‌باشد ممكن است كه آلارم ایجاد نكند. زیرا بدن موش ساختار متابولیسمی متفاوت و دمای سطح متفاوتی دارد. لذا طول موج متفاوتی را تابش می‌كند.

در زون‌های هشت‌گانه هر زون به هشت بخش یا چهار زوج تقسیم می‌شود كه هر زوج یك محدوده ورودی در مقابل فرد را می‌پوشاند. این وضعیت اجازه پوشش 360 درجه بدون پردازش‌ها یپیچیده‌تر را می‌دهد.

به طور خلاصه مزایای سنسورهای چهارلبه به قرار زیر است:

· آلارم خطای بسیار پایین در مقابل حضور افراد با درجه متفاوت

· قدرت تشخیص منابع تولیدكننده انرژی كه موجودیت غیر انسانی دارند.

قابلیت تشخیص پس زمینه و هدف حتی اگر در یك طول موج انتشار داشته باشند. كه باعث می‌شود سعی در ایجاد شیلد توسط فرد جهت فریب سنسور را كاهش دهد. معادله مذكور قدرت تقویت مقادیر را دارد برای مثال:

½0.5+0.5½-½0.5-0.5½=½1½-½0½=1

قدرت پردازش بیشتر امكان بررسی چندباره و بالا رفتن دقت بدون از دست دادن زمان را می دهد.

در مدار مثالی زیر نحوه ی اتصال حسگر PIR یا سنسور چشمی را مشاهده می نمائید.