Sicherheit Grenzen von PIR-Sensoren beim Smart-Home-Schutz

Autor / Redakteur: Jason Gums * / Margit Kuther

Actionfilme aus Hollywood wie „Ocean’s Eleven“ und „Mission Impossible“ haben zahlreiche ausgeklügelte Möglichkeiten aufgezeigt, wie Eindringlinge mit bösen Absichten entdeckt werden können.

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Smart Home: Zahlreiche vernetzte Komponenten vereinfachen unseren Alltag im Smart Home. Für Sicherheit sorgen etwa passive Infrarotsensoren.
Smart Home: Zahlreiche vernetzte Komponenten vereinfachen unseren Alltag im Smart Home. Für Sicherheit sorgen etwa passive Infrarotsensoren.
(Bild: Bild: Clipdealer A31726046)

Superagile schwarzgekleidete Angreifer, die Trittmatten, Laserfelder, Wärmekameras und andere höllisch perfekte Schutzvorrichtungen austricksen, sind der Stoff guter Kinofilme. In der realen Welt, in zahllosen Wohnräumen und Büros, wird ein passiver Infrarotsensor, der in einer Ecke vor sich hin blinkt, oft als ausreichende Abschreckung für einen opportunistischen Einbrecher betrachtet.

Bildergalerie

Der PIR-Sensor (passiver Infrarotsensor) wird von Sicherheitsunternehmen als die für den Wohnbereich beste Technologie für die Erfassung von Eindringlingen betrachtet: wirtschaftlich, zuverlässig und zur Vermeidung von Fehlalarmen justierbar, ist der PIR-Sensor die etablierte Technologie für die Anwesenheitserkennung.

Passive Infrarotsensoren, immer noch der Favorit

PIR-Hersteller haben ihre Sensoren weiterentwickelt, um die bekannten Schwächen der Infrarottechnologie zu überwinden. Die Sensoren sind von einer Temperaturdifferenz zwischen Ziel und Hintergrund abhängig und das Ziel muss sich bewegen, damit eine Anwesenheit erkannt werden kann.

Um diese Effekte zu minimieren, integrieren Sensoren der MP-Serie von Panasonic, wie der AMN11112, vier Rezeptoren zur präzisen Erkennung selbst kleiner Bewegungen. Die Rezeptoren sprechen auf kleine Temperaturunterschiede an, sodass selbst in einem warmen Klima, wo die Umgebungstemperaturen nahe bei der menschlichen Körpertemperatur liegen können, eine genaue Erfassung gewährleistet ist.

Panasonic hat die Rezeptoren außerdem miniaturisiert, um auch mit kleinen Geräten und kleinen Linsen eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit zu erhalten. Ein hohes Integrationsniveau mit eingebautem Verstärker, passiven Bauteilen, optischem Filter und elektromagnetischer Abschirmung (Bild 1, siehe Bildergalerie) vereinfacht das Design und erhöht die Zuverlässigkeit. Die konstante Weiterentwicklung hat dafür gesorgt, dass der PIR-Sensor bei Entwicklern von Sicherheitssystemen immer noch ein Favorit ist.

Intelligente Gebäudetechnik verlangt mehr

Nun, da die Smart-Home-Ära angebrochen ist, wird von Sensoren wie den PIRs nicht nur die Unterstützung von Einbruchmeldeanlagen erwartet, sondern auch von Einrichtungen zur Automatisierung der Beleuchtung, der Heizung und anderer Annehmlichkeiten – durch Anwesenheitserkennung. Einige der bekannten Merkmale von PIR-Sensortechnik werden in diesem Zusammenhang zu Schwächen.

Da der Sensor darauf angewiesen ist, Änderungen im beobachteten Temperaturszenario zu erfassen, muss sich das Ziel bewegen, damit es erfasst werden kann. Das ist bei einem Sicherheitssystem akzeptierbar, da bei einem Eindringling davon auszugehen ist, dass er sich im Haus bewegt, nachdem er sich Zutritt verschafft hat.

Bewohner und ihre Gäste jedoch können über längere Zeiträume regungslos im Sessel sitzen, zum Beispiel wenn sie miteinander sprechen oder einen Film ansehen. Die Anlage sollte nicht fälschlicherweise zu dem Schluss kommen, dass sich niemand im Raum befindet, und die Beleuchtung oder die Heizung ausschalten.

Die Smart-Home-Dienste der Zukunft könnten außerdem eine genauere Ortung der Bewohner im Raum oder weitere Informationen über sie erfordern. Damit könnte die Anlage automatisch die Beleuchtung in einem bestimmten Bereich optimieren – zum Beispiel über einem Schreibtisch oder einer Küchenarbeitsfläche – und im übrigen Raum dimmen, um eine optimale Energieeffizienz zu erhalten.

Eine intelligentere Anwesenheitserfassung kann auch Dienstleistungen wie betreutes Wohnen unterstützen, wenn eine alternde Bevölkerung länger unabhängig und sicher in ihrem eigenen Zuhause leben möchte. Jüngere Verwandte sind oft nicht in der Lage, eine Vollzeitunterstützung zu leisten, und professionelle Assistenz ist teuer.

Mithilfe einer automatisierten Überwachung kann festgestellt werden, ob ein älterer Bewohner Unterstützung benötigt und Betreuer oder Notdienste schnell benachrichtigt werden müssen.

Passive Infrarotsensoren erfassen zu wenig Details

Die heutigen PIR-Sensoren, so hochentwickelt sie auch sind, können nicht genug Einzelheiten für solche Dienste erfassen. Doch es stehen verschiedene alternative Technologien zur Verfügung.

Eine videobasierte Erfassung könnte Betreuern zum Beispiel die Möglichkeit geben, regelmäßig zu überprüfen, ob eine ältere Person in ihrem Zuhause sicher ist, oder den genauen Aufenthaltsort einer Person innerhalb eines Raums ermitteln. Videoüberwachung in Innenräumen ist jedoch im Hinblick auf die Privatsphäre keine wünschenswerte Lösung.

In Betracht kommen könnte eine teilweise Überwachung oder das Video kann nach der Analyse vernichtet werden – aber die Bewohner könnten sich trotzdem mit dieser Lösung nicht wohl fühlen.

Komfortable Radar-Einzelchiplösung

In den vergangenen Jahren ist die radarbasierte Sensortechnologie in die Verbrauchermärkte vorgedrungen. Ein Beispiel dafür sind Fahrerassistenzsysteme in der Automobiltechnik, beispielsweise zur Kollisionsvermeidung.

Energiesparende Radarsender im lizenzfreien ISM-Frequenzbereich bei 24 GHz sind jetzt für einen Preis erhältlich, der im Smart-Home-/Gebäudeautomatisierungsmarkt als annehmbar gelten kann. Die Funktionsprinzipien, eine Anwesenheit durch die Überwachung reflektierter Funkwellen zu erfassen und Abstände durch die zeitliche Bestimmung des Rückwegs zu messen, wurden erstmals zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt.

Ein 24-GHz-Radar-Transceiver-IC wie der Infineon BGT24MTR11 kann für einen Sensor mit niedriger Leistungsaufnahme für die Anwesenheitserkennung in Innenräumen verwendet werden. Die Radartechnologie ermöglicht Funktionserweiterungen wie die Erfassung von Personen, die sich nicht bewegen, die Bestimmung des genauen Aufenthaltsorts der Person und die Erfassung der Richtung einer Bewegung.

Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von Radartechnologie im Wohnbereich ist, dass zwischen Sender, Sensor und Ziel keine freie Sichtverbindung bestehen muss, sodass sie an einer unauffälligen Stelle angebracht werden können. Das könnte auch hinter leichten Baumaterialien wie Deckenplatten sein, sodass der Sensor gar nicht mehr sichtbar ist.

Der BGT24MTR11 integriert einen Sende- und einen Empfangskanal für die Erfassung der Anwesenheit und der Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung in einer Komponente, die nur eine kleine Anzahl externer Kondensatoren benötigt, um eine voll funktionsfähige Schaltung zu bilden.

Das spart nicht nur Leiterplattenfläche, sondern beseitigt auch die Probleme bei der HF-Abstimmung. Soll das System den Aufenthaltsort des Bewohners erfassen, werden zwei Empfänger benötigt. Der BGT24MTR12, der zwei Empfangskanäle und einen Sender integriert, ist ideal für diesen Zweck geeignet.

Design für einen energieeffizienten Betrieb

Mit einer maximalen HF-Ausgangsleistung von 15 dBm kann der BGT24MTR11 im ISM-Band verwendet werden. Der IC-Gesamtverbrauch von 528 mW im kontinuierlichen Betrieb mit maximaler Sendeleistung kann durch die Anwendung eines Betriebszyklusschemas, mit dem die Stromversorgung des Chips zwischen den Messungen ausgeschaltet wird, wesentlich reduziert werden.

Basierend auf den Messzeiten, die zur Erfassung einer Dopplerverschiebung bei geringen Zielgeschwindigkeiten benötigt werden, ermöglicht eine Aktivierung des ICs für nur 10 ms alle 0,5 Sekunden die Messung von Zielgeschwindigkeiten von bis zu ca. 25 km/h mit einer Auflösung von ca. ±1 km/h. Dies ist ausreichend für die typischen Sensoranwendungen in Innenräumen und reduziert den Stromverbrauch auf nur 12 mW pro Zyklus.

Bild 2 (siehe Bildergalerie) zeigt, wie der Radar-IC in Verbindung mit dem Mikrocontroller XMC4500 von Infineon verwendet wird, der die BGT24MTR11-Register über den SPI-Port programmiert, die VCO-Frequenz überwacht und die VCO-Abstimmspannungen über seine On-Chip-DACs steuert, und einen Lastschalter steuert, der für die Abschaltung der Versorgung des BGT24MTR11 zwischen den Messzyklen verantwortlich ist. Wie das Schaltbild 2 zeigt, sind nur wenige Schlüsselkomponenten erforderlich, um das Design zu vervollständigen.

Aktivitäten in Wohnbereichen und Gebäuden erfassen

Während die Umwälzungen in der Gebäudeautomatisierung an Momentum gewinnen, erfordern neue Anwendungen und Dienstleistungen detailliertere Informationen zur Beschreibung der Aktivität in Wohnbereichen und Gebäuden. Weiterentwickelte Technologien zur Anwesenheitserkennung sind gefragt, um diese Daten zu erfassen, ohne die Privatsphäre zu stören.

Die radarbasierte Erfassung im ISM-Frequenzbereich bei 24 GHz ist sicher und diskret und heute mithilfe der neuesten Transceiver-Chips, die das Systemdesign stark vereinfachen, leichter denn je zu verwirklichen. Energiespartechniken ermöglichen die Entwicklung wartungsarmer Sensoren für Innenräume mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von nur 10 mW.

Dieser Beitrag ist auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis erschienen.

* Jason Gums ... ist Product Manager Semiconductors bei Digi-Key

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