Hacer que los sensores domésticos inteligentes nos cuenten más

Las películas de acción de Hollywood como La gran estafa y Misión imposible han demostrado diversos medios de detección de intrusos elaborados que no son para nada buenos. Los súper ágiles invasores vestidos de negro dan lugar a magníficas películas, tramposas alfombras sensibles a la presión, campos láser, cámaras térmicas y otros dispositivos terribles. En el mundo real, en numerosos hogares y oficinas, un sensor infrarrojo pasivo que titila en el rincón de la habitación suele considerarse suficiente para disuadir al ladrón oportunista.

Los propietarios de viviendas y empresas de seguridad consideran a los sensores infrarrojos pasivos como la tecnología de detección de intrusos más adecuada para aplicaciones domésticas: económicos, confiables y ajustables para desconectar falsas alarmas, los sensores infrarrojos pasivos forman parte de la predominante tecnología de detección de presencia.

El favorito perdurable

Los fabricantes de sensores infrarrojos pasivos han evolucionado sus sensores para superar las debilidades conocidas de la tecnología de sensores infrarrojos. Los sensores dependen de un diferencial de temperatura entre el objetivo y el fondo, y también requieren que el objetivo se mueva, con el fin de detectar la presencia. Para minimizar estos efectos, los sensores de la serie Panasonic MP, como el AMN11112, integran cuatro receptores para la detección precisa de incluso movimientos pequeños. Los receptores son sensibles a pequeñas diferencias de temperatura que aseguran la detección exacta, incluso en climas cálidos donde la temperatura ambiente puede estar cerca de la temperatura del cuerpo humano.

Panasonic también ha miniaturizado sus receptores, para asegurar una alta sensibilidad y precisión de pequeñas unidades equipadas con lentes diminutos. Un alto nivel de integración, con un amplificador incorporado, componentes pasivos, filtro óptico y el blindaje electromagnético (Figura 1), simplifica el diseño y mejora la confiabilidad. La evolución constante ha asegurado que el sensor infrarrojo pasivo sigue siendo un favorito de los diseñadores de sistemas de seguridad.

Figura 1: Una mayor integración y sensibilidad han mantenido a los sensores infrarrojos pasivos a la cabeza de la lista de favoritos de los diseñadores.

Los edificios inteligentes exigen más

Ahora que ha surgido la era de la casa inteligente, la gente requiere sensores como los sensores infrarrojos pasivos no solamente para apoyar la detección de intrusos, sino también para ayudar a automatizar el control de iluminación, la calefacción y otros servicios al monitorear la ocupación de los ambientes. Algunas de las características conocidas de los sensores infrarrojos pasivos se convierten en debilidades en este contexto. Dado que el sensor se basa en la detección de cambios en la escena térmica observada, el objetivo se debe mover para poder detectarse. Esto es aceptable en un sistema de seguridad, ya que se puede suponer que un intruso probablemente se mueva dentro de la casa a la que tuvo acceso. Los propietarios y sus invitados, por el contrario, pueden permanecer sentados durante mucho tiempo en un ambiente, por ejemplo, si estuvieran hablando o mirando una película. El sistema no debería determinar incorrectamente que la habitación está desocupada y comenzar a apagar los servicios como las luces o la calefacción.

Además, los servicios domésticos inteligentes del futuro pueden depender de la recopilación de información más detallada sobre el ocupante, como su ubicación exacta en la habitación. Esto podría permitir que el sistema optimice automáticamente la iluminación en un área localizada, por ejemplo, sobre un escritorio o superficie de trabajo en la cocina, a la vez que se atenúa el resto de iluminación del ambiente para una eficiencia energética óptima.

Los sensores de ocupación más inteligentes también pueden resultar útiles con servicios como vivienda asistida, ya que la población anciana de hoy en día busca vivir de forma independiente y segura en sus propios hogares en una etapa más avanzada de sus vidas. Por lo general, los parientes más jóvenes no pueden ser cuidadores de tiempo completo y la atención profesional es costosa. La supervisión automatizada puede proporcionar un medio para detectar si un propietario de edad avanzada necesita ayuda, lo que permite que los cuidadores o los servicios de emergencia lo sepan rápidamente.

Los sensores infrarrojos pasivos de hoy en día, tan evolucionados como están, no son capaces de capturar la cantidad de detalle necesario para realizar servicios como estos. Hay numerosas técnicas alternativas de detección disponibles. La detección basada en video, por ejemplo, se podría utilizar para permitir que los cuidadores comprueben de manera periódica que una persona mayor está a salvo en su casa o para determinar la ubicación exacta de un ocupante en una habitación. Sin embargo, la vigilancia por video en interiores no es una solución conveniente por motivos de privacidad. Se puede considerar la vigilancia parcial, o el video se puede descartar después de un análisis, pero aun así puede que los propietarios se sientan incómodos.

Solución de radar con chip único

En los últimos años, la tecnología de detección por radar ha comenzado a introducirse en los mercados relacionados con el consumidor. Un ejemplo se encuentra en los sistemas de asistencia al conductor de los automóviles, como los sistemas anticolisión. Los transmisores de radar de baja potencia que funcionan en el rango de frecuencia ISM de 24 GHz sin licencia ya están disponibles a un costo que se puede considerar aceptable en el mercado de hogares o edificios inteligentes. A comienzos del siglo XX, se desarrollaron los principios de la detección de presencia mediante el monitoreo de ondas de radio reflejadas y la medición de la distancia tomando el tiempo del viaje de vuelta de la transmisión.

Se puede utilizar un CI de transceptor de radar de 24 GHz como el Infineon BGT24MTR11 para construir un sensor de baja potencia adecuado para la detección de ocupación de interiores. La tecnología por radar permite capacidades avanzadas, como detectar los ocupantes que no se mueven, determinar la ubicación exacta del ocupante y detectar la dirección de cualquier movimiento. Como ventaja adicional del uso de la tecnología por radar en un entorno doméstico, el transmisor y el sensor no necesitan una línea de visión al objetivo sin obstrucciones y, por lo tanto, se pueden colocar en un lugar discreto. Podrían estar detrás de los materiales de construcción livianos, como las placas para cielorraso, lo que permite que el sensor se pueda colocar fuera de la vista.

El BGT24MTR11 integra un canal de transmisión y un canal de recepción, según sea necesario para la detección de ocupación y la velocidad y dirección del movimiento, en un solo dispositivo que requiere únicamente de un pequeño número de capacitores externos para completar un circuito completamente operativo. Esto no solo ahorra espacio en la placa, sino que también elimina problemas de correspondencia de RF. Si se requiere que el sistema detecte la ubicación del ocupante, se necesitan dos receptores. El BGT24MTR12, que integra dos canales de recepción y un transmisor, es ideal para este uso.

Diseño para funcionamiento de bajo consumo

Con una máxima potencia de salida de RF de 15 dBm, el BGT24MTR11 es de uso seguro en la banda ISM. El consumo total de energía IC de 528 mW en modo continuo con la energía máxima de transmisión se puede reducir significativamente mediante la aplicación de un esquema de ciclo de servicio que apaga la fuente de alimentación al chip entre mediciones. Sobre la base de los tiempos de medición necesarios para detectar el cambio Doppler a velocidades bajas de objetivo, la activación del circuito integrado durante solamente 10 ms cada 0,5 segundos permite medir velocidades de objetivo hasta unos 25 km/h con una resolución de alrededor de ±1 km/h. Esto es adecuado para aplicaciones de detección típica en interiores y reduce el consumo de energía a solamente 12 mW por ciclo.

La Figura 2 muestra cómo se utiliza el circuito integrado de radar junto con el microcontrolador Infineon XMC4500, que programa los registros de BGT24MTR11 a través del puerto SPI, monitorea la frecuencia de VCO y controla los voltajes de ajuste de VCO a través de sus DAC en chip y controla un interruptor de carga responsable de apagar la alimentación al BGT24MTR11 entre los ciclos de medición. Como muestra el diagrama, se requiere solamente una pequeña cantidad de componentes clave para completar el diseño.

Figura 2: Radar Doppler en modo pulsado para aplicaciones de monitoreo de ocupación en interiores.

Conclusión

A medida que la revolución de edificios inteligentes adquiere ritmo, las aplicaciones y servicios nuevos requerirán información más detallada que describa las actividades dentro de los hogares y edificios. Se necesitan tecnologías mejoradas de detección de ocupación para capturar esta información sin comprometer la privacidad. La detección por radar en la banda de frecuencias de 24 GHz ISM es segura, discreta y ahora se puede lograr con más facilidad que nunca, aprovechando los últimos transceptores de chip único que simplifican significativamente el diseño del sistema. Las técnicas de ahorro de energía han demostrado que permiten a los diseñadores crear sensores de bajo mantenimiento para uso en interiores que consumen una energía promedio de solamente 10 mW.