Принцип действия PIR-детекторов для автоматического энергоэффективного управления освещением в зданиях

УДК 004.9

А.А. Волков, А.А. Головин

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ PIR-ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ В ЗДАНИЯХ

Раскрыты особенности использования пассивной инфракрасной технологии (PIR — Passive InfraRed) в системах управления освещением в жилых зданиях.

Одной из технологий, направленных на повышение энергоэффективности, является использование PIR-детекторов для построения энергоэффективного управления освещением в зданиях. Технической основой датчика служат два ключевых элемента: пассивные инфракрасные пироприемники и линза Френеля. Пассивные инфракрасные пироприемники, или PIR-детекторы, предназначены для обнаружения перемещения теплового пятна на постоянном температурном фоне. Указанная технология позволяет инженерам проектировать и производить оборудование с минимальным собственным энергопотреблением (например, потребляемая мощность датчика присутствия составляет около 0,3 Вт).

Ключевые слова: пассивная инфракрасная технология, умный дом, системы освещения, энергоэффективность, датчик.

При современном строительстве зданий вопросы энергосбережения являются неотъемлемой частью проектов инженерных систем. Тем не менее автоматическое управление искусственным освещением в зданиях с помощью датчиков присутствия и датчиков движения встречается сегодня в проектной документации не так часто, как хотелось бы. Данное техническое решение незаслуженно обделяется вниманием проектировщиков, тогда как датчики присутствия способны экономить около 70 % годового расхода энергии на систему освещения в административном здании. По оценкам российских и американских специалистов доля энергопотребления системой освещения в современном административном здании составляет порядка 30 % от совокупного потребления зданием энергии. Это означает, что автоматическое управление искусственным освещением может предоставить людям, работающим в здании, не только комфортный уровень освещенности на поверхности рабочего стола, но сэкономить значительную долю расходов по электроэнергии для собственника здания.

PIR-технология

Современные датчики движения и датчики присутствия, используемые в управлении освещением по присутствию людей и уровню естественного освещения, в большинстве случаев реализованы на пассивной инфракрасной технологии (PIR — Passive InfraRed). Использование пассивной инфракрасной технологии связано с возможностью проектировать и производить оборудование с минимальным собственным энергопотреблением (собственное потребление датчика присутствия около 0,3 Вт).

Технической основой датчика служат два ключевых элемента: пассивные инфракрасные пироприемники и линза Френеля. Пассивные инфракрасные пироприемники, или PIR-детекторы, предназначены для обнаружения пере-

мещения теплового пятна на постоянном температурном фоне. Традиционно датчики на базе РЖ-детекторов используются в охранных системах или в автоматических переключателях света.

Предметы в помещении любого здания являются источником инфракрасного излучения (ИК-излучения), которое представляет собой электромагнитное излучение, находящееся в спектре между красным концом видимой части (длина волны X = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (X ~ 1.. .2 мм).

Всю зону инфракрасного излучения можно разделить на три основных группы:

область коротких волн: X = 0,74.2,5 мкм;

область средних волн: X = 2,5.50 мкм;

область длинных волн: X = 50.2000 мкм.

В тех случаях, когда энергия сообщается нагреванием, инфракрасное излучение называют «тепловым». Температура нагревания тела напрямую влияет на длину волны излучения. При повышении температуры тела длина волны становится короче, а интенсивность излучения увеличивается (табл.).

Спектр ультрафиолетового, видимого человеческим глазом и инфракрасного излучения

Ультрафиолетовое излучение

Видимое излучение

Инфракрасное

излучение

Человеческое тело также излучает тепло, максимум которого достигается на длине волны около 9,36 мкм. При входе человека в помещение общая температура в помещении практически не меняется, поэтому температурный эффект появления человека на общем фоне помещения выделить трудно. Для обнаружения человеческого присутствия используется так называемый эффект перемещения теплового пятна [1, 2].

Пироприемник используется совместно с внешней оптической системой, чаще всего с линзой Френеля, осуществляющей разделение пространства на прозрачные и непрозрачные секторы и фокусировку инфракрасного излучения с контролируемого объема на чувствительный элемент. Человек последовательно пересекает эти секторы, в результате формируется переменный тепловой сигнал от его передвижений (рис. 1).

ВЕСТНИК

МГСУ-

1/2013

Рис. 1. Тепловое излучение воспринимается оптической системой линз и проецируется на РГЯ-элементы датчика, которые конвертируют температуру в электрический сигнал

Р1Я-элемент датчика реагирует не на температуру тела, а на резкое изменение интенсивности попадающего на него инфракрасного излучения.

Принцип действия пироэлектрических приемников основан на возникновении электрических зарядов под воздействием инфракрасного излучения. Разность потенциалов, возникающая в чувствительном элементе при облучении, не превышает 1 мВ.

Когда человек находится недалеко от детектора, пересекая собой несколько лучей, создается сигнал на пироприемнике. Сила сигнала зависит от степени перекрытия лучей и расстояния до детектора.

йШг-..........4

passive Zone active Zone

Рис. 2. Пересечение человеком прозрачных и непрозрачных температурных секторов

При построении оптических систем PIR-датчиков обычно используются конструкции, называемые линзой Френеля, которая представляет собой пластиковую форму, разделенную на сегменты в виде призм. Линзы Френеля просты в изготовлении и обладают дополнительным преимуществом — одну и ту же линзу можно использовать в различных датчиках движения и присутствия.

Обычно каждый сегмент линзы Френеля формирует свой луч диаграммы направленности (рис. 3). Современные линзы Френеля позволяют создавать прогнозируемую чувствительность датчика по всем лучам. При создании линз Френеля учитывается ряд параметров, напрямую влияющих на чувствительность РЖ-элемента: площадь сегмента линзы, количество лучей (активных зон) и их угол наклона, а также материал, из которого изготовлена линза.

Рис. 3. Формирование луча через линзу Френеля

Материал, из которого изготавливаются линзы современных датчиков присутствия, позволяет изготовить линзу Френеля, которая способна более точно фокусировать инфракрасное излучение и уменьшать попадание других составных частей излучения, например, видимого света от искусственных источников, инфракрасное излучение вне диапазона волн излучения человеческого тела.

Однако линза для датчиков движения и присутствия при этом не должна полностью задерживать дневной свет, так как на плате под линзой стоит фоторезистор, с помощью которого определяется уровень естественного освещения.

К нестабильной работе PIR-датчика могут привести внутренние тепловыделения от элементов микросхемы. Именно поэтому рекомендуется обращать внимание на собственное потребление электроэнергии датчиком в режиме ожидания (так называемый режим stand-by), так как выделение тепла при работе электронных компонентов явно коррелируется с потреблением электроэнергии.

Качественная работа современного датчика движения и присутствия невозможна без блока обработки сигналов пироприемника. Его функция связана с обеспечением распознавания действительного движения человека и отсечением помех, которые могут привести к ложным срабатываниям. Для ИК-датчиков основными источниками помех, которые генерируют ложные срабатывания, могут быть:

различная климатическая техника, создающая конвективные тепловые потоки (например, воздушная завеса или фен-койл);

излучение солнца и свет от искусственных источников; различные радио- и электромагнитные помехи; термическое напряжение в линзе; домашние животные.

Методы обработки сигналов РШ-датчиками

Блок обработки выделяет полезный сигнал, отличая его от помех. Осуществляется это благодаря специальной обработке параметров сигналов на выходе из пироприемника (сила сигнала, продолжительность и форма). Когда зоны чувствительности датчика пересекает человек, создается двуполярный симметричный сигнал. Его продолжительность зависит от того, как далеко человек находится от РЖ-датчика и с какой скоростью он движется на датчик. При скорости движения человека 0,2.5 м/с длительность сигнала на пиропри-емнике может колебаться в диапазоне 0,02.10 с.

Длительность сигналов при появлении помех чаще всего отличается от аналогичного параметра при движении человека, также сигналы бывают несимметричными. Но главным параметром для датчика служит величина сигнала.

В примитивных моделях датчиков данный параметр может быть всего один для определения события срабатывания детектора. Его значение сравнивается с некоторым пороговым значением. Это и служит определением чувствительности детектора. При таком подходе количество ложных срабатываний будет намного больше.

С целью снижения количества ложных срабатываний в подобных конструкциях детекторов применяют подсчет количества импульсов превышения порогового значения. Когда человек пересекает луч активной зоны несколько раз или несколько лучей сразу, детектор регистрирует импульсы. Освещение включится не при первом превышении порогового значения, а только когда за заданный интервал времени количество превышений превзойдет установленный параметр.

К минусам данного подхода можно отнести задержки на включение освещения при реальном появлении людей в зоне действия датчика. Кроме того, при подсчете импульсов возможны ложные включения освещения, связанные с различными помехами (электромагнитное излучение или тепловые помехи).

В более качественных детекторах блок обработки обращает внимание на симметричность формы сигналов, их двуполярность. При анализе сигналов блок обработки сравнивает полученный сигнал с пороговыми значениями (положительным и отрицательным) и учитывает величины и длительности сигналов разной полярности.

Длительность сигнала — это время, за которое сигнал превысит установленное пороговое значение. Она может измеряться напрямую, а может вычисляться, если пороговое значение будет «плавающим».

Дополнительным способом обработки сигналов пироприемников может служить автоматическая термокомпенсация. Ее суть состоит в том, что при температуре воздуха в диапазоне в среднем от +25 до +37 °С чувствительность детектора будет падать, так как разница температуры человека и окружающих его тепловых полей будет ниже [3].

Простым решением этой проблемы может служить автоматическое усиление сигнала при увеличении температуры окружающей среды. Но в этом случае температуру необходимо измерять. Автоматическая термокомпенсация позволяет сохранять постоянный уровень чувствительности детекторов, несмотря на изменения температуры окружающей среды, которые могут возникать в течение года [4, 5].

Все описанные выше способы обработки сигналов в PIR-детекторах реализуются с помощью цифровых, аналоговых или комбинированных средств. В самых современных инфракрасных датчиках применяются способы цифровой обработки, основанные на микроконтроллерах и специализированном программном обеспечении. Данное решение обеспечивает максимальную надежность правильной работы PIR-детектора и минимальное количество ложных срабатываний. Кроме того, применение схем на современных микроконтроллерах позволяет снизить энергопотребление и тепловыделение датчика, что напрямую сказывается на сроке исправной службы устройства.

Метод и алгоритм обработки сигнала PIR-датчиком заложены в структуру программного обеспечения (embedded software), «зашитого» в микроконтроллер датчика.

В последующих публикациях мы рассмотрим основные технические различия между датчиками движения и датчиками присутствия. А также разберем примеры использования локальных систем управления освещением для различных типов помещений.

Библиографический список

1. Квасников И.А. Термодинамика. 2-е изд. 560 с.

2. ВоронинГ.Ф. Основы термодинамики. М. : Изд-во МГУ, 1987. С. 35—37.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Ч. 1. 3-е изд. М. : Наука, 1976. 584 с.

4. Задачи автоматизации в задачах энергосбережения / А.А. Волков, А.В. Седов, П.Д. Челышков, А.И. Зинков // Автоматизация зданий. 2010. № 3 (36). С. 25.

5. Егорычев О.О., Волков А.А. Автоматизация инженерных систем зданий, сооружений и технологических циклов в решении задач энергосбережения // Вестник Российского союза строителей. 2010. № 1. С. 23—26.

Поступила в редакцию в январе 2013 г.

Об авторах: Волков Андрей Анатольевич — доктор технических наук, профессор, проректор по ИИТ, заведующий кафедрой информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, it@mgsu.ru;

Головин Андрей Алексеевич — аспирант кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, it@mgsu.ru.

Для цитирования: ВолковА.А., ГоловинА.А. Принцип действия PIR-детекгоров для автоматического энергоэффективного управления освещением в зданиях // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 194—200.

A.A. Volkov, A.A. Golovin

PIR DETECTORS FOR BUILDING ILLUMINATION AUTOMATION

The authors consider the issues of power saving with reference to the engineering

systems of buildings. One of the technologies aimed at the improvement of the energy

efficiency of buildings contemplates the employment of PIR detectors used for the purpose of automation of building illumination systems.

The proposed technology consists of the following two key elements: passive infrared PIR receivers and the Fresnel lens. Passive infrared PIR receivers detect the motion of warm spots against the permanent temperature background. Traditionally, these PIR receivers are incorporated into security systems and automatic switches.

The receiver interacts with the external optical system through its Fresnel lens that divides the space into transparent and non-transparent sectors and focuses the infrared beaming on sensitive elements. Whenever a human being enters these sectors, a variable thermal signal is formed.

The technology is applicable to design and production of the machinery which power consumption is minimal (for example, the power consumption of one detector is about 0.3 W).

Key words: passive infrared technology, automation of building illumination, energy efficiency, sensor.

References

1. Kvasnikov I.A. Termodinamika [Thermodynamics]. 560 p.

2. Voronin G.F. Osnovy termodinamiki [Fundamentals of Thermodynamics]. MGU Publ., 1987, pp. 35—37.

3. Landau L.D., Lifshits E.M. Statisticheskaya fizika, chast' 1 [Statistical Physics, Part 1]. 584 p.

4. Volkov A.A., Sedov A.V., Chelyshkov P.D., Zinkov A.I. Zadachi avtomatizatsii v za-dachakh energosberezheniya [Objectives of Automation within the Framework of Energy Saving]. Avtomatizatsiya zdaniy [Automation of Buildings]. 2010, no. 3 (36), p. 25.

5. Egorychev O.O., Volkov A.A. Avtomatizatsiya inzhenernykh sistem zdaniy, sooru-zheniy i tekhnologicheskikh tsiklov v reshenii zadach energosberezheniya [Automation of Engineering Systems of Buildings, Structures and Process Cycles as Part of Resolution of Energy Saving Problems]. Vestnik Rossiyskogo soyuza stroiteley [Proceedings of the Russian Union of Builders]. 2010, no.1, pp. 23—26.

About the authors: Volkov Andrey Anatol'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Vice Rector for Information and Information Technologies, Chair, Department of Information Systems, Technology and Automation in Civil Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; it@mgsu.ru;

Golovin Andrey Alekseevich — post-graduate student, Department of Information Systems, Technology and Automation in Civil Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; it@mgsu.ru.

For citation: Volkov A.A., Golovin A.A. Printsip deystviya PIR-detektorov dlya avto-maticheskogo energoeffektivnogo upravleniya osveshcheniem v zdaniyakh [PIR Detectors for Building Illumination Automation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp. 194—200.