Redesign eines Radarsensors zur Anwesenheitserkennung in der Licht- und Gebäudetechnik

von Amelie Trump und Benjamin Sinz
in Zusammenarbeit mit Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH
betreut von Herrn Dr. Jürgen Richter

Überblick

Die Technikerarbeit wurde bei Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH in Urbach bei Schorndorf durchgeführt und ist im Geschäftsfeld der Systemlösungen und Komponenten für Beleuchtungstechnik angesiedelt. Der Durchführungszeitraum war von September 2014 bis Juni 2015.

Im industriellen Bereich gibt es Anwendungen, die es erfordnern, dass bei Bewegung von Objekten und Personen die Beleuchtung an und aus geschaltet wird. Zur automatischen Bewegungserkennung können in der Praxis zwei verschiedene physikalische Prinzipien eingesetzt werden: die Radartechnik oder die Infrarottechnik. Der Standard in der Bewegungserkennung ist derzeit die Infrarottechnik, jedoch wird mit der Radartechnik eine größere Reichweite abgedeckt. Zudem werden bei einem Infrarotsensor keine Personen erkannt, wenn die Umgebungstemperatur etwa 36 °C beträgt und der Kontrast für den Sensor damit zu gering ist. Deswegen basiert der Lösungsansatz der Technikerarbeit auf der Radartechnik, denn sie ist eine sehr gute Alternative im Bereich der Bewegungssensoren.

Auf Basis eines bereits bei Vossloh-Schwabe entwickelten Radarsensors sollte ein Redesign gemacht werden, mit dem Ziel die Senosor-Reichweite von 8 Metern auf mindestens 16 Meter zu verdoppeln. Bei der Durchführung wurden folgende Teilschritte ausgeführt:
  • Recherche von Radarmodulen
  • Auswahl der verfügbaren Module nach technischen Eigenschaften und Kosten
  • Dimensionierung der Signalverarbeitung und Einbettung des zugekauften Radarmoduls
  • Redesign des Layouts mit Eagle
  • Messtechnische Überprüfung

Ausführung

1. Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung umfasste die Weiterentwicklung eines Radarsensors zur Anwesenheitserkennung in der Licht- und Gebäudetechnik. Dafür muss ein zugekauftes, leistungsfähigeres Radarmodul integriert werden. Der Signalrauschabstand des Radarmoduls sollte gleich oder besser sein als beim Vorgängermodell. Der neue Sensor muss bei etwa doppelter Entfernung mindestens den gleichen Erfassungsbereich abdecken. Ebenfalls sollte der Montageabstand zwischen zwei Sensoren an der Raumdecke gleich oder größer sein. Es waren Vorgaben der Firma, sowie relevante Sicherheitsnormen und Vorschriften der elektromagnetischen Verträglichkeint (EMV) zu beachten.

Vorgehensweise bei der Projektbeareitung:
  • Projektplanung mit Meilensteindefinition
  • Einarbeitung in den bestehenden Radarsensor
  • Recherche nach geeigneten, auf dem Markt verfügbaren Radarmodulen
  • Auswahl eines Radarmoduls nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten
  • Integration des zugekauften Radarmoduls in das Gesamtgerät
  • Schaltungsdimensionierung der Signalverarbeitung
  • Leiterplattedesign
  • Aufbau und Inbetriebnahme eines Prototypen
  • Messtechnische Überprüfung (EMV, thermische Überprüfung)


2. Benchmarking

Um eine Entscheidung für einen Sensor treffen zu können, wurden anfangs die technischen Werte aus den Datenblättern herangezogen. Es galt herauszufinden, mit welchem Sensor eine Reichweite von 16 m und mehr möglich ist. Diese Angabe ist auf den Datenblättern des Herstellers nicht aufgeführt, da die Reichweite stark abhängig vom Einsatzszenario und den zu erfassenden Objekten ist.

Kenngrößen, die in der Kombination ausschlaggebend sind:

- Sendeausgangsleistung: Die abgestrahle Leistung des Radarmoduls in dBm.
- Empfangsempfindlichkeit: Empfindlichkeit der Empfängerschaltung (Verstärker und Mischer)
- Abstrahlwinkel: Breite und Form der entstehenden Antennenkeule
- Signalrauschabstand
- Preis des Radarmoduls

Anhand von diesen Werten wurden vier neue Radarmodule ausgewählt und mit dem alten verglichen. Die in der Anwendung als Bewegungssensor für Beleuchtungszwecke erzielbare Reichweite lässt sich allein aus den Datenblattangaben rechnerisch nur sehr ungenau ermitteln, da es hierbei zu viele schwer quantifizierbare Einflussgrößen gibt. Daher wurde mit den vorliegenden Radarmodulen eine Messreihe durchgeführt, welche die Reichweite ermitteln sollte. Es wurde ein Messaufbau erstellt und die einzelenen Radarmodule in ihrer vertikalen und horizontalen Ebene vermessen. In der Abbildung 1 sind die Messergebnisse dargestellt.

Abbildung 1: Messtechnischer Vergleich der verstärkten Ausgangsspannung der Radarmodule in Abhängigkeit vom Objektabstand

Nach der Vermessung der Module konnte eine Entscheidung für das Radarmodul IPS-154 getroffen werden.

Wichtige Kenndaten des IPS-154:
- Frequenz des Arbeitsbereichs: 24 GHz
- Sendeausgangsleistung (EIRP): 16 dBm
- Spannungsversorgung: 5 V

Abbildung 2: Radarmodul IPS-154


3. Schaltungsdimensionierung

Das schwache Ausgangsignal des Radarmoduls muss zuerst verstärkt und für die Weiterverabeitung im Mikrocontroller gefiltert werden. Die Geschwindigkeit üblicher menschlicher Bewegungen führt bei einer Radarsignalfrequenz von 24 GHz zu einer Dopplerverschiebung von maximal 600 Hz. Daher sind für die Verarbeitung der Radarmodulausgangssignale nur Frequenzen unterhalb von 600 Hz relevant.

Der aktive Tiefpass ist die enthaltene Schaltungstopologie beim bereits bestehenden Radarsensor. Das Signal wird sowohl gefiltert, als auch verstärkt. Das Radarmodul und die Verstärkerschaltung haben die gleiche Spannungsversorgung, die über einen Festspannungsregler realisiert wird. Bei dem bestehenden Radarsensor lag die Spannungsversorgung bei 3,3 V. Das neue Radarmodul benötigt eine höhere Spannung von 5 V. Deshalb musste das Spannungsteilerverhältnis für die Offsetspannung neu dimensioniert werden. Die Offsetspannung sorgt dafür, dass der Dynamikbereich des AD-Wandlers im Mikrocontroller besser ausgenutzt werden kann.

In der unteren Abbildung 3 ist der Spannungsteiler für die Offsetspannung zwischen R1 und R2 sowie das Prinzipschaltbild der Versärkerschaltung zu sehen.

Abbildung 3: Prinzipschaltbild von Verstärker und Filter für das Ausgangssignal des neuen Radarmoduls IPS-154



4. Layout

Die Herausforderung beim Layout lag darin, die Schaltung trotz des im Vergleich zum Vorgängermodell um den Faktor 2,5 größeren Radarmoduls in das gleiche Gehäuse zu integrieren. Trotz gründlicher Recherche konnte kein geeignetes größeres Kunststoffgehäuse gefunden werden, dass den Anforderungen der Firma entsprach. Diese Anforderungen waren Folgende:
  • Schutzart IP-65
  • zwei angespritze Kabelverschraubungen
Die Vorteile, die für das Kunststoffgehäuse des Vorgängermodells sprachen, waren zum einen, dass die Bohrschablone zur Montierung weiter verwendet werden konnte und dass zum anderen trotz des viel größeren Radarmoduls das Gehäuse klein und kompakt bleibt. Das Layout, sowie der Schaltplan wurden mit der Design-Software Eagle Version 6 erstellt. Zuerst wurden die Schaltungsteile im Schaltplan angepasst, wie im vorherigem Kapitel drei beschrieben. Danach wurde die Kontur der Leiterplatte festgelegt und vergrößert, denn im Vorgängermodell ist die verfügbare Fläche nicht komplett ausgenützt. Es wurde geprüft, ob die Vergrößerung der Kontur mindestens der Vergrößerung des Radarmoduls entspricht.

Abbildung 4: Blockschaltbild für das Layout der Sensorplatine


5. Überprüfung des Prototyps

Der handbestückte Prototyp wurde auf die Funktion und die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen an Geräte für Lampen bei Verwendung an Gleichstrom- und/oder Wechselstromversorgungen geprüft. Es wurden weitere Messungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit(EMV) nach DIN EN 55015 durchgeführt und ein Infrarot-Wärmebild der Platine aufgenommen, um das thermische Verhalten der Platine zu kontrollieren. Zur Funktionsprüfung des Radarsensors wurde eine Messmethode entwickelt. Wichtige Anforderungen an die Messung waren die Einhaltung des Messabstands und die Einkopplung von möglichst wenig Störsignalen und Rauschen. Der Radarsensor wurde in einer Enfernung von 16 m in mittlerer Höhe zur Vermessung angebracht. Als Messobjekt wurden Wasserflaschen verwendet, um einen Menschen zu imitieren. Mit konstanter Geschwindigkeit wurden diese an einem Flaschenzug bewegt.

Abbildung 5: Wärmebild des IPS-154


6. Fazit/Ausblick

Im Rahmen der Technikerarbeit wurde ein Redesign eines Radarsensors zur Anwesenheitserkennung in der Licht- und Gebäudetechnik durchgeführt. Es wurden Schaltungsteile neu dimensioniert und entwickelt und ein Handmuster aufgebaut. An diesem Handmuster wurden die laut Aufgabenstellung geforderten Messungen durchgeführt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Radarsensor eine sehr gute Möglichkeit bietet, in hohen Hallen mit einer Höhe von bis zu 16 m Personen zu erkennen und entsprechend flexibel Lichtsysteme zu schalten. Er bietet Effizienz, da nur Leuchtmittel an sind, wenn sich auch wirklich jemand im Raum befindet. Beim messtechnischen Vergleich des Radarsensors mit dem Vorgängermodell war das Nutzsignal trotz doppelter Entfernung größer, als das des Vorgängermodells. Das "Signal-to-Noise"-Verhältnis wurde auch vergrößert. Um den Radarsensor in den Status der Serienproduktion zu bringen, müssen weitere Tests und Messungen bezüglich der EMV und der Funktion gemacht werden. Damit es zugelassen werden kann, muss eine geeignete Halle aufgesucht werden, um den Radarsensor unter realen Bedingungen auf Funktion testen zu können.


Abbildung 6: Prototyp des Radarsensors im Kunststoffgehäuse