DE19736214A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung eines Signals eines Bewegungsmelders - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Auswertung eines Signals eines Bewegungsmelders. Sie bezieht sich weiter auf eine Auswertevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Unter Bewegungsmelder wird hier insbesondere ein Passiver- Infrarot-Bewegungsmelder oder PIR-Bewegungsmelder verstanden.

Ein PIR-Bewegungsmelder wird üblicherweise in der Gefahren­ meldetechnik und in der Steuerungstechnik zur Erfassung von bewegten Objekten im Innen- oder Außenraum eingesetzt. Dabei wird die von einem menschlichen Körper oder von einer anderen Wärmequelle abgegebene Infrarotstrahlung von einer Optik ge­ bündelt und einem PIR-Sensor zugeführt. Ein PIR-Bewegungs­ melder ist daher für die Erfassung und Auswertung dynamischer Änderungen ausgelegt. In seinem Meßbereich können auch klein­ ste Strahlenflußänderungen oder zeitliche Änderungen der Tem­ peraturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der je­ weiligen Oberflächentemperatur des Objektes detektiert wer­ den.

Um bei einem derartigen Bewegungsmelder eine zuverlässige Er­ kennung eines Nutzsignals gegenüber dem Rauschen zu gewähr­ leisten, ist es aus der europäischen Patentschrift 0 250 764 B1 bekannt, ein bei Überschreiten eines Überwa­ chungsbereiches erzeugtes Ausgangssignal durch Vergleich mit Referenzwerten auszuwerten. Dazu werden bei dem bekannten Be­ wegungsmelder die am Sensor durch Bewegung eines thermisch strahlenden Körpers erzeugten sehr geringen Potentialänderun­ gen hoch verstärkt und auf Überschreitung einer oberen und/oder unteren Auslösegrenze überwacht.

In der Praxis erscheinen jedoch am Ausgang eines üblicherwei­ se eingesetzten Niederfrequenz-Schmalbandverstärkers Signal­ anteile von Störungen, die beispielsweise durch Schaltvorgän­ ge im angeschlossenen Stromnetz, insbesondere durch Schalten von Leuchtstofflampen, erzeugt und über den Sensor des Bewe­ gungsmelders eingekoppelt werden. Diese Störeinkoppelungen können zu unerwünschten Fehlauslösungen des Bewegungsmelders führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Auswertung eines Si­ gnals eines Bewegungsmelders anzugeben, wobei eine besonders hohe Störfestigkeit erreicht werden soll.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dabei wird ein aufgrund einer erfaßten Änderung erzeugter Signalverlauf hinsichtlich dessen Flankensteilheit analysiert. Während ein flachflankiges Bewegungssignal ausgewertet wird, wird ein vergleichsweise steilflankiges Störsignal ausgetastet, wobei zweckmäßigerweise während der Austastung keine Auswertung er­ folgt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß eine von dem empfindlichen Sensor des Bewegungsmelders eingefangene Störung, z. B. ein Burst nach der EMV-Norm IEC801 Teil 4 oder auch eine einzelne Spannungsspitze, am Eingang des Verstär­ kers für kurze Zeit Potentialschwankungen hervorruft, die sich am Ausgang des Verstärkers trotz einer Bandbegrenzung in Amplitudenanteilen mit steilflankigen Spannungsspitzen und entsprechend hohen Frequenzanteilen widerspiegeln. Eine der­ artige steile Signalflanke kann aufgrund des entsprechenden Hochfrequenz-Anteils zur Auslösung einer Störaustastung her­ angezogen werden. Darüber hinaus kann die Ausschwingzeit des aufgrund der Potentialschwankungen angeregten Systems zur Be­ stimmung der Pausendauer oder des Zeitintervalls der Störaustastung herangezogen werden.

Daher wird zweckmäßigerweise mittels des detektierten Störsi­ gnals eine bereits begonnene Signalauswertung unterbrochen. Dazu sollte das Zeitintervall der Störaustastung oder der Un­ terbrechung größer als die Impulsdauer des Störsignals und damit größer oder gleich der Ausschwingzeit des Systems ge­ wählt werden. Dabei wird für die Auslösung einer Störausta­ stung die Anstiegszeit eines Amplitudenanteils einer steil­ flankigen Spannungsspitze ermittelt, wobei ein Signal oder ein Signalanteil mit einer Anstiegszeit Δt 1 µs als Störsi­ gnal detektiert wird.

Die Auswertung eines durch eine erfaßte Bewegung erzeugten Signals kann anhand fest vorgegebener Spannungsgrenzen erfol­ gen. Eine Störaustastung erfolgt somit stets dann, wenn ent­ weder eine induzierte Spannungsspitze selbst oder eine dieser nachfolgende Ausschwingspannung eine obere Grenze überschrei­ tet oder eine untere Grenze unterschreitet. Vorteilhafterwei­ se wird jedoch jede erfaßte Änderung anhand der Steilheit des erzeugten Signalverlaufs ausgewertet. Dabei kann typischen Bewegungsabläufen ein bestimmter Bereich der Kurvensteilheit - unabhängig ob steigend oder fallend - zugeordnet werden. Obwohl in diesem Fall keine festen Auslösegrenzen vorgegeben werden, findet außerhalb dieses Bereiches keine Auswertung und somit keine Auslösung des Bewegungsmelders statt.

Bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die gestellte Aufgabe gelöst durch einen Flankendetek­ tor, der mit einem Signaleingang einer Rechnereinheit zur Signalauswertung verbunden ist. Dabei kann der Flankendetek­ tor der Rechnereinheit vorgeschaltet oder in diese integriert sein.

Ein der Rechnereinheit zweckmäßigerweise vorgeschalteter Si­ gnalverstärker ist ausgangsseitig einerseits direkt mit einem ersten Signaleingang und andererseits über den Flankendetek­ tor mit einem zweiten Signaleingang oder Interrupt-Eingang der Rechnereinheit verbunden. Dabei ist als Rechnereinheit vorteilhafterweise ein Mikroprozessor vorgesehen.

Der Flankendetektor zur Austastung eines vom Bewegungsmelder erfaßten Störsignals ist vorteilhafterweise aus einem Opera­ tionsverstärker, zweckmäßigerweise in Schmitt-Trigger-Schaltung, mit vorgeschaltetem Differenzierglied, insbesonde­ re in Form eines RC-Gliedes, aufgebaut.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch Austasten steilflankiger Störsignale mit­ tels eines Flankendetektors auch bei einer Anzahl von z. B. gemäß der Vorgabe nach EMV-Norm IEC801 Teil 4 in kurzen Ab­ ständen aufeinanderfolgenden Störungen oder Bursts unter­ schiedlicher Länge oder Zeitdauer eine Bewegung sicher regi­ striert werden kann. Auch bei sehr kurzen, z. B. durch Schal­ ten einer Leuchtstofflampe erzeugten Bursts und bei Bursts mit hoher oder niedriger Amplitude ist eine sichere Störaus­ tastung gewährleistet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines Bewe­ gungsmelders mit einer Auswertevorrichtung mit einem Flankendetektor,

Fig. 2 und 3 in einem Spannung/Zeit-Diagramm für Bewegungen bzw. Störungen charakteristische Signalverläu­ fe,

Fig. 4 eine Schaltung des Flankendetektors und

Fig. 5 ein Flußdiagramm für die Arbeitsweise der Aus­ wertevorrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt schematisch einen von einem Bewegungsmelder 1, z. B. einem PIR-Bewegungsmelder, überwachten Bereich. Der Überwachungsbereich oder die Meßzone 2 ist beispielhaft ke­ gelförmig ausgebildet. Eine innerhalb des Überwachungsbe­ reichs 2 erfaßte Infrarotstrahlung wird über eine Vorschalt- oder Strahlungsoptik 3 auf einen Sensor 4 des Bewegungsmel­ ders 1 gebündelt. Jede Änderung des Strahlungseinfalls be­ wirkt am Sensor 4 eine Änderung seiner Ausgangsspannung U_s, die von einer Auswertevorrichtung 5 des Bewegungsmelders 1 weiterverarbeitet und ausgewertet wird.

Dazu umfaßt die Auswertevorrichtung 5 einen vorzugsweise schmalbandigen Signalverstärker 6 und eine Rechnereinheit 7 in Form eines Mikroprozessors sowie einen Flankendetektor 8. An einem ersten Signaleingang E_n liegt die vom Signalver­ stärker 6 verstärkte Ausgangsspannung U_s als Spannungs- oder Ausgangssignal U_A an. Dieses Ausgangssignal U_A liegt auch am Eingang E_FD des Flankendetektors 8 an. Dessen Ausgang A_FD ist mit einem zweiten Signaleingang oder Interrupt-Eingang E_int der Rechnereinheit 7 verbunden. Die Rechnereinheit 7 weist eine Anzahl von Signalausgängen A_{1 . . n} auf, von denen jeder mit einem Anzeigeelement 9 bis 12 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt zwei durch als gültig interpretierte Änderungen ausgelöste Signalverläufe U_A (t) des Ausgangssignals U_A am Ausgang des Signalverstärkers 6 sowie am Eingang E_n der Rech­ nereinheit 7 und am Eingang E_FD des Flankendetektors 8. Dabei repräsentieren der Abschnitt A eine normale Bewegung und der Abschnitt B eine schnelle Bewegung, insbesondere im Nahbe­ reich. Bezogen auf die Spannung des Ausgangs des Verstärkers 6 sind die Ruhestellung mit UM und der Variationsbereich mit U_V bezeichnet. Außerdem sind eine obere Spannungsgrenze U_So und eine untere Spannungsgrenze U_Su für die Auswertung einer Bewegung fest vorgegeben.

Durch Störungen am Ausgang des Verstärkers 6 hervorgerufene Zeit/Spannungs-Verläufe U_A (t) des Signals U_A sind in Fig. 5 dargestellt. Dabei repräsentiert der Abschnitt C einen Burst U₁ (t) mit einer Impulsdauer von ca. 15 ms und einer Aus­ schwingzeit t₁ von beispielsweise 100 ms. Der Abschnitt D re­ präsentiert einen Einzelimpuls U₂ (t) mit über die obere Spannungsgrenze U_So hinausgehender Amplitude und einer Aus­ schwingzeit t₂, wobei die negative Ausschwingamplitude die untere Spannungsgrenze U_Su überschreitet. Der Abschnitt E zeigt einen Einzelimpuls U₃ (t) mit innerhalb der Spannungs­ grenzen U_So und U_Su liegender Amplitude und Ausschwingzeit t₃.

Anstelle einer Auswertung der Signalverläufe U_A (t) unter Festlegung einer oberen und unteren Spannungsgrenze U_So, U_Su kann die Auswertung auch ausschließlich anhand der Steilheit S des Signals U_A erfolgen, wobei sich die Steilheit S aus der Beziehung:

ergibt. Als ein weiteres Kriterium bei der Auswertung des Signals U_A kann zusätzlich in nicht näher dargestellter Art und Weise der Spannungshub herangezogen werden.

Die Austastung des oder jedes Störsignals U_1,2,3 (t) (Fig. 3) erfolgt mittels des Flankendetektors 8, während die Auswer­ tung von aufgrund von erfaßten gültigen Bewegungen erzeugten Signalen U_A (t) (Fig. 2) mittels der Rechnereinheit 7 erfolgt. Dazu zeigt Fig. 4 den schaltungstechnischen Aufbau des Flan­ kendetektors 8. Der Ablauf einer Signalauswertung mittels der Rechnereinheit 7 erfolgt nach dem in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramm oder Grobstruktogramm.

Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung des Flankendetektors 8 umfaßt im wesentlichen einen Operationsverstärker OP, z. B. des Typs LM324, in Schmitt-Trigger-Schaltung und ein aus einem Konden­ sator C1 und zwei in Reihe geschalteten Widerständen R3 und R2 gebildetes Differenzierglied. Ein Widerstandsteiler-Netz­ werk R1 bis R4 teilt die Versorgungsspannung U_DC - d. h. eine +5 V-Gleichspannung (DC) - für den nicht-invertierenden Ein­ gang (+) und den invertierenden Eingang (-) des Operations­ verstärkers Op auf. Ein Widerstand R5 bildet eine Koppelung vom Ausgang AUS des Operationsverstärkers OP auf dessen nicht-invertierenden Eingang. Der invertierende Eingang ist über eine Diode D1, z. B. des Typs 1N4148, gegen Masse ge­ schaltet. Die Widerstände R1 bis R5 sind zu 10kΩ, 39Ω, 8,2kΩ, 10kΩ bzw. 3,6MΩ angegeben. Der Wert des Kondensators C1 liegt bei 0,1 µF.

Im Normalzustand liegt der nicht-invertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers OP an etwas höherem Potential als die Offsetspannung des Operationsverstärkers OP im Vergleich zum invertierenden Eingang (-). In diesem Zustand ist der Ausgang AUS des Operationsverstärkers OP inaktiv und auf "high". Bei Ankommen eines negativen Impulses des Ausgangs­ signals U_A am Eingang EIN des Operationsverstärkers OP unter­ schreitet die dadurch hervorgerufene Spannungsdifferenz die Offsetspannung des Operationsverstärkers OP, so daß aufgrund der Wirksamkeit der "open-loop"-Verstärkung der Ausgang AUS des Operationsverstärkers OP aktiv wird und in den Zustand "low" übergeht. Dabei bewirkt das Differenzierglied mit C1, R3 und R2, daß lediglich Signalflanken hoher Steilheit den Operationsverstärker OP erreichen.

Demgegenüber werden langsame Spannungsänderungen, wie sie beispielsweise durch gültige Bewegungsabläufe hervorgerufen werden, nicht zum Operationsverstärker OP geführt. Da eine hohe Verstärkung wirkt, werden schon kleinste steilflankige Störungen ausgewertet. Dabei hält die Schmitt-Trigger- Funktion den Ausgang AUS des Operationsverstärkers OP für ei­ ne Zeit länger als die Dauer des Störimpulses U_{1 . . 3} aktiv, so daß eine Mindestzeitspanne für einen Interrupt im Programm der an den Ausgang AUS angeschlossenen Rechnereinheit 6 si­ chergestellt ist.

Nach Beginn oder Programmstart wird somit zunächst das Aus­ gangssignal U_A über den ersten Signaleingang E_n von der Rech­ nereinheit 6 eingelesen und anhand der Spannungsgrenzen U_So, U_Su oder der Steilheit S im Hinblick auf eine gültige Bewe­ gung ausgewertet. Ist eine Bewegung erkannt, so wird der Zu­ stand des Flankendetektors 6 im Hinblick auf dessen Aktivität abgefragt. Ist dieser aktiv, d. h. wurde ein Störsignal U_{1 . . . 3} ausgetastet, so wird im Programm eine Marke oder ein "Flag" gesetzt. Ist der Flankendetektor 8 inaktiv, so wird das Set­ zen einer Marke ebenfalls abgefragt. Ist keine Marke im Pro­ gramm gesetzt worden, so wird das ausgewertete Ausgangssignal U_A als gültige Bewegung interpretiert, woraufhin das Programm erneut durchlaufen wird. Ist demgegenüber eine Marke gesetzt, so wird eine mindestens der Ausschwingzeit t_{1 . . . 3} entsprechen­ de Pause oder Unterbrechung als Interrupt im Programmablauf bewirkt. Anschließend wird die Marke im Programm zurückge­ setzt, woraufhin das Programm erneut durchlaufen wird.

Bei einer praktischen Durchführung wurde eine Schaltung gemäß Fig. 1 aufgebaut, wobei als Verstärker 6 ein Schmalband-Ver­ stärker mit ca. 0,1 bis 10 Hz und einem Verstärkungsfaktor von 10.000 sowie als Rechnereinheit 7 ein Mikroprozessor vom Typ 68HC805B6 eingesetzt wurden. Der Mikroprozessor wurde in Assembler programmiert. Dabei wurde eine entsprechend dem Struktogramm gemäß Fig. 5 programmierte Interruptroutine ein­ gefügt, die bei Auftreten einer Unterbrechung eine gegebenen­ falls vorangehende Verarbeitung von Bewegungsabläufen ver­ wirft und eine Pause von 150 ms einfügt. Erst danach war er­ neut eine Abfrage einer Bewegung möglich. Zudem wurde ein in­ terner sogenannter watch-dog aktiviert, dessen durch Anspre­ chen der Anzeige 12 für "watch-dog war aktiv" signalisierte Aktivierung eine Störung des Mikroprozessors anzeigt.

Im Zuge verschiedener Tests wurde sowohl der Zustand -Ruhe­ stellung" als auch der Zustand -Bewegung" getestet. Dabei wurden als Bewertungskriterien vorgegeben, daß einerseits die Auswertevorrichtung 5 mit dem Flankendetektor 8 aus dem Zu­ stand "Ruhestellung" nicht anspricht, und daß andererseits während einer Serie von aufeinander folgenden Bursts oder Stö­ rungen in Zeitabständen von mindestens 300 ms - gemäß der Vor­ gabe nach der Norm IEC801 Teil 4 - die Auswertevorrichtung 5 noch eine Bewegung registrieren kann. Im Ergebnis leuchtete bei durch Schalten einer Leuchtstofflampe mit KVG am 230 V-Netz erzeugten sehr kurzen Bursts die Anzeige 10 für "Interrupt war aktiv" aus der Ruhestellung spontan auf, so daß die Störaustastung zuverlässig aktiviert wurde. Auch Bursts hoher Amplitude aktivierten den Flankendetektor 8, so daß die Interrupt-Anzeige 10 im Rhythmus der einfallenden oder eingekoppelten Bursts aktiv wurde. Dabei wurde eine Störsicherheit bis zu ±1,8 kV erreicht. Dies läßt darauf schließen, daß im Zeitpunkt des Auftretens eines steilflanki­ gen Störimpulses der Interrupt noch vor Ansprechen des watch­ dog den Mikroprozessor in das definierte Programm zurückholt. Bei Bursts vergleichsweise niedriger Amplitude sprach spora­ disch die Anzeige 10 für "Interrupt war aktiv" und/oder die Anzeige 11 für "Fehlerbehebung per SW (Software)" an.

Claims (10)

1. Verfahren zur Auswertung eines Signals eines Bewegungs­ melders (1), insbesondere eines Passiven-Infrarot-Be­ wegungsmelders, bei dem ein für eine erfaßte Änderung cha­ rakteristischer Signalverlauf (U_A(t), U_{1 . . . 3}(t)) erzeugt wird, wobei ein im Vergleich zu einem Bewegungssignal (U_A(t)) steilflankiges Störsignal (U_{1 . . . 3}(t)) ausgetastet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mittels des detek­ tierten Störsignals (U_{1 . . . 3}(t)) die Signalauswertung unterbro­ chen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Signalauswertung innerhalb eines Zeitintervalls größer als die Impulsdauer (t_{1 . . . 3}) des Störsignals (U_{1 . . . 3}(t)) unterbrochen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Signal mit einer Anstiegszeit Δt 1 µs als Störsignal (U_{1 . . . 3}(t)) detektiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, bei dem je­ de erfaßte Änderung anhand der Steilheit (S) des erzeugten Signalverlaufs (U_A(t), U_{1 . . . 3}(t)) ausgewertet wird.

6. Vorrichtung zur Auswertung eines von einem Sensor (4) eines Bewegungsmelders (1) erzeugten Signals (U_S, U_A), mit ei­ nem Flankendetektor (8) zur Austastung eines erfaßten Störsi­ gnals (U_{1 . . . 3}), und mit einer Rechnereinheit (7) zur Ermitt­ lung eines Ausgangssignals anhand eines eine erfaßte Bewegung charakterisierenden Eingangssignals (U_A).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einem Signalverstärker (6), der ausgangsseitig mit einem ersten Signaleingang (E_n) und über den Flankendetektor (8) mit einem zweiten Signalein­ gang (E_int) der Rechnereinheit (7) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Flankende­ tektor (8) einen Operationsverstärker (OP) mit vorgeschalte­ tem Differenzierglied (C1, R3, R2) umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der als Rechnereinheit (7) ein Mikroprozessor vorgesehen ist.

10. Flankendetektor zur Austastung eines Störsignals eines Bewegungsmelders, mit einem Operationsverstärker (OP) in Schmitt-Trigger-Schaltung.