راه‌ اندازی ماژول سنسور تشخیص حرکت مایکروویو با آردوینو

سنسور ماکروویو چیست؟

شاید شنیده باشید در پروژه‌هایی که نیاز داریم وضعیت حضور افراد در یک محوطه را بدانیم، سنسورهای PIR گزینه مناسبی هستند. اما این سنسور ها فقط حرکت موجودات زنده را تشخیص می‌دهند درحالی که ممکن است بخواهیم حرکت همه اجسام را تشخیص دهیم مثلاً باز شدن درب اتاق.

ماژول سنسور های تشخیص حرکت ماکروویو مثل مدل RCWL-0516 در این شرایط به کمک ما می‌آیند. این سنسور مایکروویو هر حرکتی را از هر جسمی تشخیص می‌دهد و برخلاف سنسورهای PIR، با تغییرات گرمایی کار نمی‌کند. بنابراین برخلاف سنسورهای PIR که معمولاً در محیط‌های گرم عملکرد خوبی ندارند، سنسورهای ماکروویو قابل اطمینان‌تر هستند.

قبل از شروع آموزش و انجام دو پروژه،‌ بهتر است نحوه کار ماژول سنسور تشخیص حرکت ماکروویو را یاد بگیریم.

ماژول سنسور مایکروویو چگونه حرکت اجسام را تشخیص می‌دهد؟

ماژول ماکروویو RCWL-0516  برای تشخیص حرکات از رادار داپلر استفاده می‌کند. این رادار با استفاده از اثر داپلر (به شیفت داپلر هم معروف است) حرکت را تشخیص داده و هشدارهای اطراف را فعال می‌کند.

اثر داپلر چیست؟

اثر داپلر که اولین بار توسط کریستین داپلر، فیزیکدان استرالیایی در سال ۱۸۴۲ مطرح شد و نام همین فیزیکدان را یدک می‌کشد، بیان می‌کند که وقتی منبع فرکانس در حال حرکت است،‌ یک مشاهده‌گر ساکن، فرکانس را به شکل متغیر دریافت می‌کند. این موضوع برای هر نوع موجی اعم از امواج آب، نوری، رادیویی و صوتی صادق است.

احتمالاً شما هم ناخودآگاه با اثر داپلر برخورد داشته‌اید، و مشاهده کردید که وقتی آمبولانس از شما دور می‌شود صدای آژیر بم می‌شود.

زمانی که آمبولانس به شما نزدیک می‌شود، امواج صوتی آژیر در یک فاصله‌ی نزدیک فشرده می‌شوند (فرکانس آن‌ها بیشتر می‌شود). بنابراین ریزتر شنیده می‌شود. به صورت عکس، وقتی آمبولانس از شما دور می‌شود امواج صوتی با فرکانس کمتری به گوش شما می‌رسند و بنابراین به‌طور بم‌تر شنیده می‌شوند. در نتیجه هنگام رد شدن آمبولانس از جلوی خود، متوجه یک تغییر ناگهانی در صدا می‌شوید.

رادار داپلر یک سیگنال مایکروویو می‌فرستد و فرکانس سیگنال برگشتی را می‌خواند. با آنالیز تغییرات فرکانس سیگنال ارسالی ناشی از هدف متحرک، سرعت هدف قابل محاسبه است. براساس اثر داپلر، اگر شئ در حال نزدیک شدن یا دور شدن از ارسال کننده باشد، فرکانس موج بازتاب شده با موج ارسالی تفاوت دارد.

وقتی خودرو به رادار نزدیک می‌شود فرکانس سیگنال بازگشتی بیشتر از سیگنال ارسالی است و زمانی که خودرو دور می‌شود،‌ فرکانس سیگنال بازگشتی کمتر است.

سنسور داپلر نیز براساس همین تغییرات سرعت خودرو را محاسبه می‌کند.

آشنایی با سخت‌افزار ماژول تشخیص حرکت RCWL-0516

ماژول ماکروویو RCWL-0516 برخلاف سنسور مادون قرمز پسیو (PIR) HC-SR501، یک سنسور اکتیو است. این سنسور امواج مایکروویو را با فرکانس حدود 3.18 GHz ارسال می‌کند و تشعشع بازگشتی را اندازه می‌گیرد.

استفاده از ماژول ماکروویو RCWL-0516 بسیار ساده است و فقط کافیست تغذیه ۴ تا ۲۸ ولت ماژول برد را متصل کنید. در صورت تشخیص حرکت، خروجی سنسور برای دو ثانیه High و در صورت عدم تشخیص، Low می‌شود.

یکی از بهترین ویژگی‌های این برد قابلیت تشخیص تا فاصله ۷ متری، با مصرف جریان کمتر از ۳ میلی آمپر است.

1) آی سی RCWL-0516

در قلب این سنسور یک آی سی کنترلر رادار داپلر قرار گرفته‌است. این آی سی شباهت زیادی به آی سی BISS0001 دارد که در سنسورهای PIR استفاده می‌شود. علاوه براین، از مد تریگر تکراری (repeat trigger) و زاویه تشخیص ۳۶۰ درجه بدون نقطه کور نیز پشتیبانی می‌کند.

2) آنتن مایکروویو و تقویت کننده RF

در مرکز مدارات RF این ماژول، یک ترانزیستور MMBR941M قرار گرفته است، به طوری که یک سیگنال RF با توان کم را دریافت و به سطح توان بالایی تقویت می‌کند. به طور معمول تقویت‌کننده RF، آنتن سنسور را راه‌ اندازی می‌کند.

به علت قرارگیری یکپارچه آنتن مایکروویو روی برد مدار چاپی، این ماژول تشخیص حرکت به عنوان یک واحد کامل بدون نیاز به قطعات جانبی عمل می‌کند.

3) تغذیه

جریان مصرفی این ماژول ماکروویو، حداکثر 3 میلی‌آمپر است و با ولتاژی بین ۴ تا ۲۸ ولت کار می‌کند، این مشخصات باعث شده تا برد RCWL-0516 به یک قطعه ایده‌آل برای مدارات مبتنی‌بر باتری تبدیل شود. به‌علاوه، سنسور های حرکتی ماکروویو معمولاً دارای رگولاتور ۳.۳ ولتی هستند که می‌توانند تا حداکثر ۱۰۰ میلی‌آمپر جریان موردنیاز برای تغذیه دیگر قطعات را تامین کنند.

4) سنسور LDR (قطعه‌ی اختیاری)

کاربرد مقاومت LDR یا همان مقاومت‌های حساس به نور در ماژول سنسور RCWL-0516 این است که با تشخیص حرکت فقط در تاریکی کار کند. این قابلیت برای ساخت سیستم‌های روشنایی حساس به نور بسیار مناسب است.

در اصل دو راه برای اتصال LDR‌ به سنسور وجود دارد:

• استفاده از پدهای CDS در قسمت بالایی سنسور
• استفاده از پایه CDS در پایین و اتصال LDR بین این پایه و زمین

5) جامپرهای ماژول سنسور داپلر

              اگر با دقت به ماژول RCWL-0516 نگاه کنیم سه جامپر درست در پشت برد خودنمایی می‌کنند. با قرار دادن مقاومت و خازن‌های مناسب روی این پدها، می‌توان برخی مشخصات پیش‌فرض سنسور حرکتی ماکروویو را تغییر داد.

1. C-TM (تنظیم عرض پالس): با قرار دادن خازن SMD مناسب روی پدهای C-TM می‌توانید زمان فعال بودن سنسور پس از تشخیص حرکت را افزایش دهید. این زمان به صورت پیش‌فرض ۲ ثانیه است و هرچه خازن بزرگتری استفاده شود این زمان افزایش می‌یابد. برای مثال یک خازن 0.2 میکرو فاراد این زمان را تا ۵۰ ثانیه افزایش می‌دهد و خازن 1 میکرو فاراد به ۲۵۰ ثانیه می‌رساند.
2. R-GN (تنظیم برد تشخیص): با قرار دادن مقاومت مناسب روی پدهای R-GN می‌توانید فاصله تشخیص سنسور پس از تشخیص حرکت را کاهش دهید. این فاصله به صورت پیش‌فرض ۷ متر است. برای مثال یک 1 مگا اهم این فاصله را به ۵ متر کاهش می‌دهد و مقاومت 270 کیلواهم به ۱.۵ متر می‌رساند.
3. R_CDS (تنظیم حساسیت به نور): این یک روش جایگزین برای لحیم کردن مقاومت حساس به نور است. هر مقاومتی در رنج 47 کیلواهم تا 100 کیلواهم بدین منظور مناسب است و هر چه مقدار مقاومت کمتر باشد، سنسور در شدت نور بیشتری غیرفعال می‌شود.

6) پین‌های سنسور ماکروویو RCWL-0516

3V3 : خروجی رگولاتور ۳.۳ ولت است و نه تغذیه ورودی. اگر برای تغذیه مدارات منطقی خارجی به ۳.۳ ولت تمیزی نیاز دارید، می‌توانید از این پایه استفاده کنید.

GND : پایه زمین است.

OUT : خروجی سنسور با منطق ۳.۳ ولت است. هنگامی که حرکتی تشخیص داده شود، این پین برای ۲ ثانیه HIGH می‌شود و در غیراینصورت LOW خواهد بود.

VIN : تغذیه سنسور است که شما می‌توانید هر ولتاژی در محدوده ۴ تا ۲۸ ولت را به این پایه متصل کنید، با این حال توصیه می‌شود ولتاژ تغذیه ۵ ولت انتخاب شود.

CDS : برای اتصال پایه‌های LDR است. با اضافه کردن این قطعه، ماژول ماکروویو RCWL-0516 فقط در تاریکی کار خواهد کرد.

مشخصات فنی ماژول تشخیص حرکت ماکروویو

برای بررسی کامل و استفاده از این ماژول لازم است تا با برخی موارد فنی مهم آن آشنا شویم:

پروژه اول:‌

استفاده از سنسور ماکروویو به عنوان یک قطعه مستقل

یکی از علت‌های محبوبیت سنسور تشخیص حرکتی ماکروویو RCWL-0516 همه‌کاره بودن و قابلیت استفاده بدون قطعات دیگر است. با این‌حال با اتصال آن به یک میکروکنترلر مثل آردوینو می‌توان کارهای بیشتری انجام داد. در اولین مثال، ‌از این ماژول به تنهایی استفاده می‌کنیم تا ببینیم به خودی خود چقدر کاربردی است.

سیم‌بندی این پروژه بسیار ساده است. کافیست باتری‌ها را به پایه VIN و GND‌ سنسور متصل کرده و یک led قرمز کوچک را به‌همراه یک مقاومت ۲۲۰ اهم،‌ به پایه OUT متصل کنید.

حال وقتی ماژول سنسور RCWL-0516 حرکتی را تشخیص دهد پایه خروجی HIGH‌ شده و LED روشن می‌شود.

اگر می‌خواهید براساس تشخیص حرکت، دستگاه یا سیستمی را روشن یا خاموش کنید، می‌توانید خروجی سنسور را به یک ماژول رله متصل کنید.

برای به کنترل درآرودن دستگاه‌ها بوسیله‌ی این سنسور حرکتی و ماژول رله، می‌توانید آموزش راه اندازی رله با آردوینو را مطالعه نمایید.

• سیگنال‌های رادار می‌توانند در مواد نارسانا مانند پلاستیک نفوذ کنند. بنابراین برای مخفی کردن سنسور یا جلوگیری از آسیب‌های احتمالی می‌توانید سنسور داپلر را داخل یک جعبه پلاستیکی قرار دهید.

پروژه دوم :

اضافه کردن سنسور LDR

ما در این مرحله مقاومت حساس به نور را روی ماژول تشخیص حرکت نصب می‌کنیم.

اضافه کردن “مقاومت حساس به نور” یا همان ‌LDR نیز بسیار ساده است. همانطورکه اشاره شد، می‌توانید از پدهای VDS بالای برد که مختص اتصال سنسور ‌LDR هستند استفاده کنید یا آن را بین پایه CDS پایین برد و زمین قرار دهید. تقریباً از هر مدل مقاومت حساس به نور می‌توانید استفاده کنید و چون مقاومت های LDR مثل دیگر مقاومت‌ها پلاریته ندارند، در هر دو جهت قابل نصب می‌باشند.

در این حالت متوجه می‌شوید که وقتی LDR در معرض نور قرار بگیرد، سنسور خروجی تولید نمی‌کند. اما وقتی محیط تاریک شود، سنسور عملکرد عادی خواهد داشت. این قابلیت در عمل بسیار کاربردی است، برای مثال برای روشنایی داخلی یا تشخیص مزاحمین در شب.

پروژه سوم :

راه‌ اندازی ماژول سنسور تشخیص حرکت ماکروویو با آردوینو

در این پروژه از ماژول برد آردوینو UNO برای خواندن مداوم وضعیت سنسور استفاده می‌کنیم تا ببینیم ماژول سنسور حرکتی ماکروویو چه زمانی حرکت اجسام را تشخیص می‌دهد.

لازم به ذکر است که شما می‌توانید این پروژه را به روش‌های مختلفی توسعه دهید؛ مثلا چراغ‌ها را روشن و خاموش کنید، یک فن را روشن کنید یا حتی  به عنوان یک سنسور ماکروویو دزدگیر از یک فرد مزاحم عکس بگیرید!

نحوه سیم‌کشی

برای انجام اتصالات قبل از راه‌ اندازی ماژول سنسور تشخیص حرکت مایکروویو RCWL- 0516 با آردوینو، کافی است تغذیه آن را از پایه 5 ولت آردوینو گرفته و زمین‌ها را به هم متصل کنید. با توجه به اینکه این ماژول خروجی دیجیتال تولید می‌کند، پایه خروجی سنسور را به یکی از پایه‌های دیجیتال آردوینو (در اینجا پایه ۸) وصل کنید.

کد آردوینو برای راه اندازی ماژول ماکروویو

بعد از سیم‌کشی نوبت به آپلود کد آردوینو در محیط  IDE آردوینو می‌رسد تا این مدار را تست کنیم.

کد مربوط به این پروژه بسیار ساده است زیرا فقط با خواندن مداوم پایه ورودی شماره 8، وضعیت سنسور را دنبال می‌کند.

int ledPin = 13;                // choose the pin for the LED
int inputPin = 8;               // choose the input pin (for Radar sensor)
int motionState = LOW;          // we start, assuming no motion detected
int val = 0;                    // variable for reading the pin status
 
void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);      // declare LED as output
  pinMode(inputPin, INPUT);     // declare sensor as input
 
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop() {
  val = digitalRead(inputPin);  // read input value
  
  if (val == HIGH) {  // check if the input is HIGH
    digitalWrite(ledPin, HIGH);  // turn LED ON
    
    if (motionState == LOW) {
      Serial.println("Motion detected!"); // print on output change
      motionState = HIGH;
    }
  }
  else {
    digitalWrite(ledPin, LOW); // turn LED OFF
    
    if (motionState == HIGH) {
      Serial.println("Motion ended!");  // print on output change
      motionState = LOW;
    }
  }
}

برای تست، ابتدا سریال مانیتور را باز کنید سپس سنسور را رو به بالا قرار داده و دست خود را روی آن حرکت دهید. با تشخیص حرکت عبارت Motion Detected روی سریال مانیتور ظاهر می‌شود.