Sensoren nutzen eine Vielzahl von Technologien, um Bewegungen in Sicherheitssystemen, in der Industrie oder in der Logistik zu erkennen. Auf den ersten Blick klingt der heutige Titel wie ein schmaler Ausschnitt des Themas, aber der Vergleich zwischen einem PIR- und einem Mikrowellensensor ist ein nützlicher Faden sowohl für Entwickler von proprietären Systemen mit Arduino und Raspberry Pi als auch für reine Verbraucheranwendungen. Wir laden Sie ein, den Artikel-Mini-Leitfaden zu lesen.
Das Thema, das wir heute behandeln, umfasst die beiden am häufigsten verwendeten Sensoren (wir werden den Begriff ” Fühler” synonym verwenden) – den Mikrowellensensor und den PIR-Sensor. Wir werden uns die Unterschiede, die Vor- und Nachteile ansehen und schließlich entscheiden, welcher die beste Wahl für die Arbeit an einem Projekt auf einem Minicomputer ist.
Wir werden versuchen, die folgenden Fragen zu beantworten:
- Was sind Mikrowellen- und PIR-Sensoren?
- Was sind ihre Vor- und Nachteile?
- Wo können sie eingesetzt werden?
Was ist ein Mikrowellensensor?
Ein Mikrowellensensor, auch bekannt als Radar-, HF- oder Dopplersensor, ist ein elektronisches Gerät, das jede Bewegung erkennt. Er ist nur dem Aussehen nach komplex. Seine Funktionsweise beruht auf dem Phänomen der elektromagnetischen Strahlung, d. h. auf dem Prinzip des Aussendens und Empfangens elektromagnetischer Wellen. Die Bewegungserkennung ist auch auf der Grundlage des Doppler-Effekts möglich: Vereinfacht ausgedrückt “prallen” die vom Sensor ausgesandten Mikrowellen an einer Oberfläche ab und kehren zum Sensor zurück, der dann die Zeit, die das Signal für die Rückkehr zu seiner Quelle benötigt hat, erkennen und messen kann. Dies wird als Begriff bezeichnet echo time (aus dem eng. Echo-Zeit). Einfach, nicht wahr?
Schauen wir uns diese Echozeit einmal genauer an. Dies ist das Zeitintervall zwischen der Wirkung des HF-Pulses (Hochfrequenz) und der Antwort des Mediums – in diesem Fall unseres Sensors. Sie hilft bei der Berechnung der Entfernung zu einem beliebigen Objekt innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors.
Dank der Echozeit erkennt der Sensor, ob eine Bewegung innerhalb des Erfassungsbereichs stattfindet. Ein einfaches Beispiel: Eine sich bewegende Person beeinflusst die Veränderung der Wellen. Der Sensor ist in der Lage, eine solche Veränderung in weniger als einer Mikrosekunde (ein Millionstel einer Sekunde) zu erkennen.
Vor- und Nachteile des Mikrowellensensors
✅ Beständigkeit gegen Umgebungstemperaturen
Die Messwerte des Mikrowellensensors sind nicht von der Umgebungstemperatur abhängig. Das macht ihn vielseitiger und ermöglicht die Installation unter schwierigen Bedingungen, wie Hitze, Regen, Nebel, Wind, Staub, Schnee usw.
✅ Breiter Erfassungsbereich
Der Mikrowellensensor kann sogar Informationen durch Wände und Öffnungen hindurch lesen – eine großartige Funktion in Bereichen, in denen die Installation schwierig ist, und in weiten offenen Bereichen.
✅ Verringerung von Fehlalarmen
Der Mikrowellensensor kann so programmiert werden, dass Fehlalarme reduziert werden, ohne dass die Zahl der gültigen Alarme abnimmt. Dies erhöht die Genauigkeit und die Benutzerfreundlichkeit.
🙁 Die Notwendigkeit eines konstanten Energieverbrauchs
Ohne Netzanschluss ist der Sensor nutzlos, da er ständig mit Strom versorgt werden muss, was seinen Betrieb etwas teurer macht.
🙁 Intervallbetrieb
Der Sensor arbeitet intermittierend und Objekte können ständig in Bewegung bleiben. Wenn sich etwas oder jemand schnell genug bewegt, besteht die Möglichkeit, dass es der Erkennung entgeht.
Anwendungen von Mikrowellensensoren
Wo werden Mikrowellensensoren eingesetzt? Beispiele sind die Verwendung von:
- in der Industrie (z. B. Flüssigkeitsmessung),
- in zivilen Anwendungen (z. B. Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit),
- im Verkehr (z. B. Sensoren, die die Bewegung vorbeifahrender Fahrzeuge messen),
- für die Sicherheit (z. B. Einbruchmeldeanlagen),
- bei der Automatisierung von Türen und Fenstern.
Beispiel für einen Mikrowellensensor
Der DFRobot Gravity Sensor nutzt den Dopplereffekt zur Erkennung von Objektbewegungen. Die Verwendung von Mikrowellen anstelle von Infrarot ermöglicht die Erkennung von Objekten, die Wellen im Mikrobereich reflektieren. Die Ablesung wird nicht durch Temperatur, Feuchtigkeit, Lärm, Luft, Staub oder Licht beeinträchtigt – er ist für raue Umgebungen geeignet und erkennt auch stationäre oder unbelebte Objekte. Er funktioniert mit jedem digitalen Modul mit einer Spannung von 5 V.
Interessant für Besitzer von Mikrocomputern ist die Tatsache, dass der Sensor mit Arduino kompatibel ist – Beispielcode und Details finden sich im Benutzerhandbuch.
Was ist ein PIR-Sensor?
Der zweite besprochene Bewegungssensor ist der Passiv-Infrarot-Sensor (eng. Passive Infra Red). Er wird üblicherweise in Alarmanlagen oder Gebäudeautomationssystemen eingesetzt. Die Bewegungserkennung basiert hier nicht auf dem Wellenphänomen, sondern auf der präzisen Messung der Wärmeenergie, d. h. der Temperaturänderungen. Er funktioniert gut in engen Räumen, wo er Infrarotlicht misst, das von Objekten innerhalb des Erfassungsbereichs ausgeht. Dies ist die gleiche Technologie wie z. B. bei Nachtsichtgeräten.
Der PIR-Sensor besteht aus einem pyroelektrischen Sensor – einem Pyroelement, das für die Erkennung unterschiedlicher Infrarotstrahlungsniveaus verantwortlich ist. Dadurch wird der Sensor beispielsweise aktiviert, wenn ein kalter oder warmer Luftstrom erkannt wird. Eine Person, die den Raum betritt, veranlasst den Sensor, die Temperaturveränderung zu messen. Wenn die Person den Raum verlässt, kehrt die Temperatur in den Normalbereich zurück und der PIR-Sensor wird deaktiviert. Und das ist die ganze Philosophie.
Vor- und Nachteile des PIR-Sensors
✅ Geringerer Energieverbrauch
PIR-Sensoren verbrauchen im Vergleich zu Mikrowellensensoren weniger Energie (zwischen 0,8 und 1 W).
✅ Verlässlichkeit
Der PIR-Sensor ist in der Lage, Bewegungen in Innenräumen unabhängig von der Dauer der Bewegung zu erkennen. Er funktioniert sowohl bei Tag als auch bei Nacht.
✅ Geringere Kosten
Im Vergleich zu Mikrowellensensoren sind sie billiger im Betrieb.
🙁 Empfindlichkeit
Leider nicht so menschlich – im Vergleich zu einem Mikrowellensensor sind PIR-Sensoren von der Umgebungstemperatur abhängig. Wenn sie z. B. in einem überhitzten Raum im Sommer einen Wärmeanstieg feststellen, sind sie möglicherweise nicht in der Lage, Bewegungen, z. B. von Personen, zu erkennen.
🙁 Temperaturbeschränkungen
Die Sensoren funktionieren nicht bei Temperaturen über 35°C.
🙁 Kleinerer Erfassungsbereich
Infrarotsensoren funktionieren am besten auf einer “Sichtlinie”. – Zum Beispiel entlang eines Korridors. Wenn sie auf Winkel und Knicke stoßen, kann es zu Problemen bei der korrekten Erkennung kommen.
PIR-Sensor-Anwendungen
Beispiele für Orte, an denen ein PIR-Sensor funktioniert, sind:
- Geschlossene Räume (z. B. Wohnungen, Büros, Lagerhallen),
- Räume mit hohen Decken,
- Räume mit Luftstrom (z. B. Flure, Treppenhäuser),
- Orte mit Sichtkontakt (z. B. Gänge in Lagerhallen),
- Orte mit einer von der Außentemperatur unabhängigen Temperatur.
Beispiel für einen PIR-Sensor
Wir haben das Funktionsprinzip, die Vor- und Nachteile und die Anwendungen eines PIR-Sensors kennengelernt. Werfen wir also einen Blick auf einen von ihnen. Der drahtlose PIR-Bewegungssensor BBMagic Motion erkennt die Bewegung jedes Objekts, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt. Kommuniziert über Bluetooth Low Energy (BLE). Stromversorgung mit 2,7 V bis 3,3 V. Das Modul ist auch mit dem Raspberry Pi kompatibel.
Lernen kommt vom Erkennen der Unterschiede
Okay, wir wissen bereits alles. Es wäre sinnvoll, die Informationen zusammenzufassen, um die Entscheidung für einen bestimmten Sensor zu erleichtern.
- Platz – der Mikrowellensensor ist überall dort nützlich, wo der Raum offen und unregelmäßig ist. Kurven im Garten oder Ecken in einer Autoauffahrt sind die Domäne des Mikrowellensensors. Die geraden Linien von Fluren, Treppen und Durchgängen sind hingegen Orte, an denen ein PIR-Sensor besser funktioniert.
- Bedingungen – Der PIR ist temperaturabhängig und funktioniert nur unter 35°C. Der Mikrowellen-Temperatursensor lässt sich von anderen Wetterbedingungen nicht einschüchtern – er kann sogar zwischen -20°C und 45°C arbeiten.
- Erfassungsbereich – ein Mikrowellendetektor bietet einen großen Erfassungsbereich, während dieser bei einem PIR begrenzt ist. Ein PIR kann ein Objekt an unregelmäßigen Stellen übersehen. Umgekehrt kann eine nicht optimierte Einstellung des Mikrowellensensors (schlecht gewählte Intervalle) dazu führen, dass ein Objekt direkt vor seiner Nase unbemerkt vorbeizieht.
- Energieverbrauch – ein Mikrowellensensor benötigt mehr Energie. Ein PIR-Sensor verbraucht etwa 0,8 W – 1 W Energie, während ein Mikrowellensensor etwa 1,1 W – 1,5 W benötigt.
- Empfindlichkeit – Mikrowellensensoren sind empfindlicher als PIR-Sensoren. Sie können daher als effektiver angesehen werden.
Es ist zu bedenken, dass sich die Sensoren manchmal gegenseitig beißen – die gleichzeitige Verwendung von zwei Sensortypen kann zu Interferenzen mit deren Betrieb führen.
