סקירה, הסברים ומדידות של "חיישני נפח" סיניים זולים מהדור החדש, אשר מזהים תנועה של בני אדם במרחב בעזרת אפקט דופלר בגלי רדיו קצרים.

חיישני תנועה פאסיביים שמבוססים על אינפרה-אדום (PIR) קיימים במערכות אזעקה כבר עשרות שנים – הפטנט הוא משנת 1972! – ומודולי PIR סיניים זולים הם מצרך יסוד של חובבי ארדואינו פחות או יותר מאז שהמציאו את הארדואינו. אך בשנים האחרונות הצליחו למזער ולהנגיש לחובבים טכנולוגיה נוספת לזיהוי תנועה: אפקט דופלר בגלי מיקרו. למרות היחצנות והפיתוי, אי אפשר לקרוא לקרוא לזה ראדאר או מכ"ם, כי המודולים מהסוג שאציג כאן לא מגלים כיוון וגם לא מרחק. הם רק מציינים אם יש או אין תנועה בטווח ה"ראייה" שלהם.

זהירות קרינה!

לפני הכול, יש נקודה שחייבים לפחות להזכיר אותה בקשר לחיישנים האלה: בניגוד ל-PIR, הם אקטיביים. זה אומר שהם צורכים יותר זרם חשמלי, והם מפיצים גלים אלקטרומגנטיים בתדר 3.2GHz לערך. בעוצמה נמוכה אמנם (עד 12mW, אם להאמין לאינטרנט), ובכל זאת הרבה אנשים מעדיפים שלא יהיו משדרים כאלה בסביבתם 24 שעות ביממה.

עוד מישהו שלא אוהב משדרים הוא משרד התקשורת. קשה להאמין שהמודולים האלה עברו תקינה מסודרת, והתדר שלהם הוא מחוץ לתחומי ה-Bluetooth ושלטי ה-RF המאושרים. לכן, כשאנחנו מזמינים אותם מסין, התקווה היא שהם יעברו, סליחה על משחק המילים, "מתחת לראדאר". אם תרצו להשתמש בהם למטרה מסחרית ו/או בכמויות גדולות, עלולה להיות לכם בעיה.

שימוש בסיסי

המודולים מדגם RCWL-0516 זולים מאוד בעליאקספרס (נכון לכתיבת שורות אלה, בערך חצי דולר ליחידה, כולל משלוח, אם קונים חמש או עשר), ואפשר להפעיל אותם בלי הכנות מיוחדות. צריך רק לחבר את פין GND לאדמה של ספק כוח/סוללה, את פין Vin (שימו לב, לא את 3V3!) למתח חיובי בטווח 4 עד 18 וולט*, ואת פין OUT לצרכן צנוע כלשהו, כגון לד עם נגד בטור או באזר אקטיבי. כאשר המודול יבחין בתנועה איפשהו סביבו בטווח של מספר מטרים, פין OUT יוציא מתח חיובי של 3.3V למשך כ-2 שניות, ובהיעדר תנועה הוא יחבר את הצרכן ל-GND. צריכת הזרם של המודול (בלי צרכן) אמורה להיות קבועה, 3mA או קצת פחות.

הכוכבית * ששמתי ליד טווח המתחים נובעת מחוסר תאימות בין המפרטים השונים שמסתובבים ברשת. ליתר ביטחון בחרתי – כאן וגם בפרמטרים אחרים – את המינימום ואת המקסימום הפסימיים ביותר.

הפינים הנוספים

פין 3V3 שליד GND הוא יציאה ממייצב מתח, שמובנה בשבב הראשי של המודול (עם הכיתוב RCWL-9196, בהצלחה עם מציאת datasheet עבורו). לדברי האינטרנט, אפשר למשוך משם עד 100mA.

הפין בצד השני של המודול, שנקרא CDS, הוא קצת יותר מורכב. זוהי בעצם כניסה ל-LDR, כלומר נגד תלוי-אור (פירוש ראשי התיבות הוא Cadmium Sulfide, ידעתם שזה מה שיש בתוך ה-LDR? אני לא). כאשר המתח בפין הזה נמוך מספיק (למשל כשה-LDR חשוף לאור חזק ומחובר מצדו השני ל-GND) הפלט ב-OUT יורד ל-GND בלי קשר לזיהוי התנועה. זה מאפשר לנו להשתמש במודול כגלאי נפח לגוף תאורה, שמונע הדלקה של האור בשעות היום. למעשה, אם זה מסתדר לנו מבחינת המיקום, אפשר להלחים LDR ישירות למודול, במיקום ייעודי שנמצא בצד הרחוק מהפינים:

לא כל ה-LDR נולדו שווים, אפילו לא על הנייר, אז צריך לקחת בחשבון את ההתנגדות שלהם בהשוואה לנגד 1M אוהם שמובנה שעל הלוח. בלי להיכנס לחישובים המדויקים (אנשים טובים כבר עשו אותם עבורנו כאן), אם ההתנגדות של ה-LDR באור קטנה מ-269K אוהם, מה שיפיק פחות מ-0.7V במוצא של מחלק המתח (שמתבסס על מתח המערכת המיוצב 3V3), נצטרך להוסיף ל-LDR עוד נגד בטור כדי להגיע לערך הסף הזה. אבל אם הלחמנו את ה-LDR ישירות למודול, איפה מוסיפים נגד חיצוני?

רכיבים אופציונליים

בגב המודול יש שלושה מיקומים לא-מאוכלסים לרכיבים בגודל 0603 (עם קצת מאמץ, גם 0805 ייכנסו). אחד מהם מסומן C-TM, זהו מקום לקבל שיאריך את משך האות בפין OUT. שני מסומן R-CDS, זהו מקום לנגד שיהיה במקביל לנגד ה-1M המובנה שהזכרנו קודם: בעזרת הנגד הנוסף הזה, ניתן לשנות את המאזן במחלק המתח של ה-LDR וכך לחסוך את הנגד החיצוני ולפתור את הבעיה מהפיסקה הקודמת. הכינו את המחשבון!

המיקום השלישי מסומן R-GN, זהו נגד שמשפיע ככל הנראה על טווח זיהוי התנועה: לפי המקור שהבאתי קודם, אם נלחים לשם נגד 1M, המרחק המרבי שבו תזוהה תנועה יהיה 5 מטרים במקום 7. הערכה אופטימית, כפי שנראה מיד.

עד כאן נתונים ומידע מהרשת. בואו נעבור ל…

מדידות ונתונים מהשטח

דבר ראשון מדדתי את צריכת הזרם של המודול בעזרת מולטימטר. במתח של 5V לפין Vin, הצריכה (נטו, ללא צרכן על OUT) הייתה 2.46mA, והיא השתנתה בכמה מאיות לכאן או לכאן כשניסיתי מתחים אחרים בטווח המותר. הצריכה כמעט לא השתנתה (2.36mA) כשהפלט נוטרל על ידי LDR.

חיברתי את המודול ללד אינדיקציה ולסוללה במתח 3.75V, והנחתי אותו, בכל מיני זוויות, צמוד לקיר במרתף גדול וריק. נדרשו לו מספר שניות כל פעם, מרגע החיבור לחשמל והייצוב הפיזי, עד שיכולת הגילוי שלו נעשתה עקבית והטווח הגיע למקסימום. המקסימום הזה היה מאכזב בהשוואה להבטחות: מעבר לטווח של 4.5 מטרים לא הצלחתי לחלץ ממנו שום תגובה, בלי קשר לזווית וכמה רצתי וקפצתי מולו. בין 3.5-4.5 מטרים הוא הגיב לתנועות גדולות, ובטווח קצר יותר גם לתנועות קטנות יחסית. כיוון התנועה (קדימה/אחורה, ימינה/שמאלה, מעלה/מטה) לא השפיע. טווח הגילוי היה קצר יותר גם כשהמודול היה צמוד לרצפה, לעומת מיקום מוגבה (בגובה העיניים). זיהוי התנועה הצליח פחות או יותר מכל הזוויות, לא צריך להיות מול מישור ה-PCB כדי שהמודול יעבוד.

בניסוי לא מבוקר, המודול הצליח "לראות" דרך דף נייר, דפנות של קופסה פלסטית קטנה, או לוח פרספקס בעובי 6 מ"מ. חומרים אלה פגעו קצת בטווח, אבל לא אספתי מספיק נתונים כדי להעריך עד כמה. שקית אנטי-סטטי כסופה וקופסת פח חסמו את השידור/קליטה לחלוטין.

ה"שקיפות" הדיפרנציאלית הזו של חומרים שונים לתדר העבודה של המודול משפיעה, כמובן, על היכולת שלו לזהות תנועה שלהם. הוא מגיב היטב לאנשים ולחפצים מתכתיים, אך לא מסוגל להבחין, למשל, בספר עבה שנופל ממש לידו. זהו חיישן תנועה, אבל סלקטיבי.

כדאי או לא כדאי?

המודול RCWL-0516 מוצג לפעמים כתחליף מודרני לחיישני ה-PIR ה"קלאסיים". מבחינת הטווח והרגישות שלו הוא אכן בעל יכולות דומות, המחיר דומה, ובניגוד ל-PIR הוא לא רגיש לתאורת לדים/טבעית ולחום, שיכולים לשגע ולשבש לגמרי את הפרויקטים שלנו (מניסיון). מצד שני, צריכת החשמל שלו גדולה יותר (חשוב אם הפרויקט פועל על סוללות קטנות ולאורך זמן), הוא פולט קרינה שגם אם אינה מפחידה אתכם, יש לה פוטנציאל להשפיע על מעגלים אלקטרוניים רגישים בסביבה הקרובה, והלגיטימיות שלו בעיני הרשויות כנראה נמוכה יותר. אין כאן מנצח ברור.

יחד עם זאת, טכנולוגיית הדופלר של מיקרו-גלים לא נגמרת בחיישנים כאלה. יש בשוק גם חיישנים מתקדמים יותר, שיודעים לתת מידע מפורט לגבי מרחקים ועוצמות, ואיתם אפשר לעשות דברים יותר מעניינים. אשתדל לסקור חיישן אחד כזה בעתיד הקרוב.