DE4344500C1

DE4344500C1 - Bewegungserkennungseinrichtung mit Ultraschallfeldauswertung in im wesentlichen geschlossenen Räumen

Info

Publication number: DE4344500C1
Application number: DE19934344500
Authority: DE
Inventors: Klaus Mehner; Udo Froehlich; Wolfgang Klenner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2013-12-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungserkenungseinrichtung mit Ultraschallfeldauswertung in im wesentlichen geschlossenen Räumen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist in der Zeitschrift radio-fernsehen-elektronik, 1985, Heft 4, S. 258-260 mit dem Artikel "Ultraschall-Bewegungsdetektor mit A 244 D" von den Autoren Vollstädt, R. und Rössler, W. beschrieben.

Die dort beschriebene Bewegungserkennungseinrichtung gibt ein in Amplitude und Frequenz konstantes Ultraschallsendesignal in den überwachten Raum ab. Bewegte Körper verändern das Ultraschallfeld und erzeugen Signaländerungen. Die Auswertung der Änderungen von Signalamplitude und Phase des empfangenen Signals erfolgt mittels Produktdemodulator, wobei das Referenzsignal für diesen vom gleichen Frequenzgenerator geliefert wird, welcher zur Erzeugung des Sendesignals genutzt wird. Das sich bei Bewegungen ergebende niederfrequente Signal vom Produktdemodulator wird nach einem die hochfrequenten Modulationsanteile abschwächenden Filter gleichgerichtet und einem Schwellwerttrigger zugeführt. Überschreitet das Signal am Trigger einen Wert, wird die Bewegung erkannt.

Zur Unterdrückung von empfangenen Ultraschall-Störsignalen sind an die Filterschaltungen, die nach dem Produktdemodulator angeordnet werden, nur geringe Anforderungen zu stellen, denn sie haben eine breite relative Bandbreite, und es ist somit kein Abgleich nötig, da der Durchlaßbereich im niederfrequenten Gebiet liegt.

Nachteilig bei den bisher bekannten Einrichtungen dieser Art ist, daß Sender und Empfänger elektrisch direkt verbunden werden müssen, was bei größerem Abstand zwischen Sender und Empfänger einen erheblichen Installationsaufwand erfordert.

Andere bekannte Methoden zur Raumüberwachung mit Ultraschall, die keine direkte Verbindung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit benötigen, sind im folgenden beschrieben:

1. In DE-OS 31 36 154 ist eine einfache Auswertung der Amplitudenänderungen des empfangenen Signals mit Hüllkurvendemodulator dargestellt.

Die von einem Ultraschallempfänger aufgenommenen und in elektrische Spannungen gewandelten Signale werden verstärkt, danach gleichgerichtet und nachfolgend einem Schwellwerttrigger zugeführt. Pegelschwankungen über bzw. unter einen Schwellwert führen zur Auslösung.

In DE-OS 34 04 032 ist eine Anordnung beschrieben, bei der in einer Regelschleife eine Verstärkungsregelung für die Empfangssignale durchgeführt wird, so daß der Signalpegel ohne Bewegungen nach der Hüllkurvendemodulation trotz empfangener Störsignale noch unterhalb der Auswerteschwelle bleiben soll.

Nachteilig ist, daß für einen guten Schutz gegen empfangene Ultraschall- Störsignale aufwendige schmalbandige Filter dem Hüllkurvendemodulator vorzuschalten sind, die möglichst nur die Sendefrequenz durchlassen.

2. Aus der DE-OS 36 20 030 ist bekannt, daß als Referenzsignal ein ungestörtes Empfangssignal zur Bewegungserkennung verwendet wird, das an einer zweiten Stelle aufgenommen wird. Von Nachteil ist die aufwendige Installation eines zweiten Empfangswandlers.

3. In der GB 1139494 wird zur Echolotung unter Wasser ein Verfahren beschrieben, bei welchem das Empfangssignal mit mindestens zwei Produktdemodulatoren umgesetzt wird, die ein Signal von einem vom Sender unabhängigen Frequenzgenerator erhalten. Dabei soll der auf Grund von Frequenzverschiebungen durch Dopplereffekte auftretende verschlechterte Nutz/Störabstand des Ortungspulssignales verbessert werden. Das Nutzsignal wird dabei auf eine feste Mittenfrequenz umgesetzt.

Der Aufwand für die mehrfache Signalumsetzung bei dieser Methode ist für die bloße Erkennung von Bewegungen zu hoch.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Bewegungserkennungseinrichtung mit nachfolgenden Eigenschaften zu realisieren.

- Erreichen einer möglichst großen Reichweite bei der Bewegungserkennung,
- Unempfindlichkeit gegen Ultraschall-Störsignale,
- geringer Installationsaufwand,
- leichte Nachrüstbarkeit zu bestehenden Anlagen.

Um die Vorteile der Signalauswertung mit Produktdemodulatoren auch ohne eine direkte elektrische Verbindung nutzen zu können, wurde dieses Problem wie folgt gelöst:

Sender und Empfänger werden jeweils mit eigenen in der Frequenz genauen Frequenzgeneratoren betrieben. Die beiden Frequenzen sollen möglichst nur gering abweichen. Der in der Empfangseinheit angeordnete Frequenzgenerator dient dem Produktdemodulator als Referenzfrequenz.

Auch bei Ruhe im überwachten Raum entstehen nach dem Produktdemodulator Wechselspannungen, die eine Frequenz besitzen, die der Differenz zwischen Sendefrequenz und Empfangsreferenzfrequenz entspricht.

Das nachfolgende niederfrequente Bandpaß-Filter unterdrückt diese Wechselspannungsanteile, welche im Frequenzbereich unterhalb der von den Bewegungen erzeugten liegen, als auch die hochfrequenten Modulationsanteile. Nach dem Filter und dem folgenden Gleichrichter liegen die durch die geringe Frequenzabweichung entstandenen Spannungen weit unter den vom Trigger für eine Auslösung notwendigen Werten, während die durch Bewegung erzeugten Signalanteile ausreichend hohe Spannungen bringen.

Durch die fehlende direkte elektrische Verbindung zwischen Sender und Empfänger ergibt sich ein geringerer Installationsaufwand, da zur Sendeeinheit nur noch ein Anschluß zur Energieversorgung nötig ist oder es ist die Versorgung mit eigener Batterie möglich. Die Verwendung des Produktdemodulators erlaubt einen abgleicharmen Schaltungsaufbau, da die Signalfilterung im umgesetzten niederfrequenten Bereich erfolgt und z. B. durch einfache aktive RC-Schaltungen erfolgen kann.

Trotz der einfachen Filterung wird eine hohe Selektion gegen Störsignale und eine große Empfindlichkeit für die durch Bewegungen erzeugten Nutzsignale erreicht.

In den Unteransprüchen 2 bis 5 sind Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die durch die erfindungsgemäße Einrichtung gewonnene Reichweite ermöglicht die Anwendung in größeren Räumen auch ohne direkte Sicht zwischen Sender und Empfänger, indem die Reflexion der Ultraschallwellen an den Raumwänden genutzt wird. Der Sendestrahl der Ultraschallwellen wird dabei so gerichtet, daß er über Reflexion an den Wänden oder direkt zum Empfangswandler gelangt. Auf seinem Wege dorthin soll er den auf Bewegungen zu kontrollierenden Raum durchdringen.

Wegen der starken Dämpfung des Ultraschalls in Luft ist in langen, hohen oder ausgedehnten Räumen eine mehrfache wechselseitige Anordnung von Sendeeinheiten und Empfangseinheiten günstig. Dabei können mehrere Sendeeinheiten zu einer zwischen ihnen angeordneten Empfangseinheit den Ultraschall abstrahlen, aber auch von einer zwischen mehreren Empfangseinheiten angeordneten Sendeeinheit kann der Ultraschall in die verschiedenen Richtungen zu den Empfangseinheiten abgestrahlt werden. Eine Anwendung in verwinkelten Räumen ist die Steuerung des Hauslichtes in Treppenhäusern und Gängen, sobald sich Personen in diesen bewegen.

Zur Energieeinsparung kann dazu eine Helligkeitsauswertung in Richtung Tageslicht und Kunstlicht angeschlossn werden, welche bei hellem Tageslicht die Einrichtung deaktiviert, wobei Sendesignale ausgeschaltet und die Empfangseinheiten unempfindlich werden.

Wird der in Richtung des zuschaltbaren Kunstlicht empfindliche Lichtsensor beleuchtet, bleibt oder wird die Einrichtung zugeschaltet. Dies erspart eine zu installierende Verbindung zum Hauslichtstromkreis, wenn ein außerhalb der Empfangseinheit angeordnetes Zeitrelais genutzt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und deren Nutzung für eine automatische Hauslichtsteuerung soll nachfolgend beschrieben werden.

Die Steuerung dient zur selbsttätigen Zu- und Abschaltung der Beleuchtung in geschlossenen Räumen insbesondere in Treppenhäusern. Sie soll helfen, Kosten für Elektroenergie einzusparen, da durch sie unnötig lange Einschaltzeiten vermieden werden.

Die Wirkung der Einrichtung beruht auf der Veränderung der Ultraschallausbreitung durch sich in Räumen bewegende Personen. Dazu werden im jeweiligen Raum ein oder mehrere Ultraschallsendeeinheiten mit jeweils einem eigenen Frequenzgenerator installiert, welche jeweils ein gleichbleibendes Ultraschallsignal erzeugen. Die Frequenzabweichung zwischen mehreren Sendern darf nur sehr gering sein.

Werden in dem Raum keine Bewegungen von Körpern ausgeführt, bildet sich ein zeitlich nur langsam änderndes Ultraschallfeld aus. Bewegen sich jedoch Körper in diesen Raum, so führen die sich ändernden Ausbreitungsbedingungen zu zeitlich schneller wechselnden Ultraschallsignalamplituden und -phasenlagen. Eine im gleichen Raum angebrachte Empfangseinheit wandelt die bei ihr ankommenden Ultraschallsignale in elektrische Signale um. In einem bestimmten Frequenzband auftretende Amplituden- und Phasenänderungen werden nach Verstärkung und Filterung beim Überschreiten eines Schwellwertes erkannt und führen zur Zuschaltung der Beleuchtungseinrichtung. Bei konstanter bzw. nur langsam ändernder Empfangssignalamplitude und -phase wird das Licht nach einer Zeitverzögerung wieder ausgeschaltet.

Zum Schalten der Hausbeleuchtung kann die vorhandene Installation weiterbenutzt werden, indem die Empfangseinheit der Bewegungserkennungseinrichtung das installierte Zeitrelais ansteuert.

Bei Tageslicht wird die Einrichtung durch Lichtsensoren abgeschaltet. Wird manuell in besonderen Fällen Hauslicht eingeschaltet, werden durch weitere Lichtsensoren sowohl die Sendeeinheit(en) als auch die Empfangseinheit(en) eingeschaltet, auch wenn das Tageslicht noch nicht schwach genug war.

Bei der weiterhin beibehaltenen Hausinstallation mit Lichtschaltern und Zeitrelais ist mit der Schaltung eine elektrische Verbindung zum Hauslichtstromkreis zur Erkennung des "Ein"-Zustandes nicht notwendig, es wird Installationsaufwand eingespart.

1. Sendeeinheit (Fig. 1)

Bei ausreichender Dunkelheit bzw. eingeschaltetem Hauslicht wird dies mittels zwei Lichtsensoren 2 vom Helligkeitsauswerter 1 erkannt und ein Frequenzgenerator 3 hoher Frequenzgenauigkeit und ein Verstärker 4 frei gegeben. Das vom Frequenzgenerator 3 erzeugte periodische Signal wird mit Verstärker 4 verstärkt und an den Ultraschallsendewandler 5 weitergeleitet. Die Sendeeinheit 41 ist in Höhe und Lage so anzubringen, daß die Ultraschallausbreitungsrichtung in den von Personen durchlaufenen Raum zeigt und der Ultraschall direkt oder durch Reflexionen an den Wänden in Richtung Empfangseinheit 42 abgestrahlt wird (Fig. 6, 7 und 8). Wird von einer Sendeeinheit 41 aus in verschiedene Richtungen zu den jeweiligen Empfangseinheiten 42 abgestrahlt, sind mehrere Ultraschallsendewandler 5 anzuordnen oder der Ultraschallstrahl ist mit Reflektoren aufzuteilen.

2. Empfangseinheit (Fig. 2)

Die Empfangseinheit 42 ist so zu montieren, daß der Ultraschallempfangswandler 6 durch die Schalleintrittsöffnung den von den Sendeeinheiten 41 ausgestrahlten Ultraschall aufnimmt. Der Ultraschallempfangswandler 6 wandelt die stark gedämpften Ultraschallsignale in kleine elektrische Spannungen um, diese enthalten neben dem Nutzsignal große Anteile an Störsignalen. Darum erfolgt nach Vorverstärkung mit Verstärker 7 eine Weiterverarbeitung mit einem Produktdemodulator 9, der das Empfangssignal mit einem in der Frequenz dem Sendesignal nur gering abweichenden Referenzsignal eines Frequenzgenerators 8 mischt. Das so gebildete Signalgemisch wird durch ein Bandpaß-Filter 10 verarbeitet und anschließend mit Verstärker 11 verstärkt. Dabei werden die niederen Frequenzanteile, welche durch die mögliche geringe Frequenzabweichung entstanden sind, und die höherfrequenten Demodulationsprodukte unterdrückt, die im mittleren Frequenzbereich auf Grund von Bewegungen gebildeten Signale jedoch durchgelassen. Danach erfolgt eine Spitzenwertbestimmung des Signals und nachfolgende Integration mit Gleichrichter 12 und Kondensator 18. Bei ausreichender Dunkelheit bzw. eingschaltetem Hauslicht wird dies vom Helligkeitsauswerter 15 mit zwei Lichtsensoren 17 erkannt und die Aufladung des Kondensators 18 zugelassen. Ein Schwellwerttrigger 13 bringt bei erhöhter Spannung, die durch Bewegung von Körpern im zu überwachenden Raum entstehen, ein Relais 14 zum Ansprechen, dessen sich schließender Kontakt führt zur Zuschaltung der Beleuchtung 16. Hören die Bewegungen auf, wird der Kondensator 18 entladen und die Spannung am Schwellwerttrigger 13 wieder absinken, worauf das Relais 14, das als Zeitrelais ausgeführt ist, das Hauslicht 16 verzögert abschaltet. Die zeitliche Verzögerung soll Pausen mit relativer Bewegungsruhe überbrücken. Das Relais 14 kann auch außerhalb der Empfangseinheit in der Hausinstallationsanlage angeordnet sein und sich zusätzlich manuell schalten lassen.

3. Helligkeitsauswerter (Fig. 5)

Jeder Helligkeitsauswerter 1 oder 15 besitzt zwei Lichtsensoren 2 oder 17. Ein erster Lichtsensor ist in Richtung des eintreffenden Tageslichtes 39 gerichtet, ein zweiter Lichtsensor zeigt in Richtung des zuschaltbaren Kunstlichtes 38 (Hausbeleuchtung). Werten beide Lichtsensoren 2 oder 17 Dunkelheit aus oder ist der zweite Lichtsensor vom Kunstlicht 38 beleuchtet, so wird dje jeweilige Einheit 41 oder 42 aktiviert.

Im folgenden Schaltungsbeispiel (Fig. 3) sind die Lichtsensoren 2 bzw. 17 als Fotowiderstände 22 und 24 ausgeführt. Ein Helligkeitsauswerter 1 oder 15 enthält zwei Brückenschaltungen. Die erste Brückenschaltung dient der Auswertung der mittleren Raumhelligkeit. Sie wird von der ersten Halbbrücke, bestehend aus dem Widerstand 27 und der Parallel- Reihenschaltung der Widerstände 21, 23 mit den Fotowiderständen 22, 24 und der zweiten Halbbrücke, bestehend aus den Widerständen 30 und 29 gebildet. Die Widerstände 21, 23 sind niederohmig im Verhältnis zum Widerstand 27, so daß sich in der ersten Brückenhälfte in erster Näherung das Spannungsverhältnis entsprechend dem Widerstandsverhältnis der Parallelschaltung der beiden Fotowiderstände 22, 24 zum Widerstand 27 einstellt. Im Brückenquerzweig sind der Verstärker 28 mit Verstärkungsfaktor 1 zur Entkopplung, das einen zeitlichen Mittelwert bildende und verzögernd wirkende Widerstands-Kapazitäts-Glied 31, 32, 35 und der die Auswertung der Brückenspannung durchführende Differenzverstärker 34 angeordnet. Sind die Fotowiderstände 22, 24 in ihrer Parallelschaltung durch Beleuchtung ausreichend niederohmig geworden, sinkt die Spannung am Kondensator 35 und am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 34 unter den am nichtinvertierenden Eingang liegenden Spannungswert. Damit wechselt der Ausgang dieses Differenzverstärkers sein Ausgangspotential. Der im Verhältnis zu den Widerständen 30 und 29 hochohmige Widerstand 33 stellt durch Rückkopplung eine geringe Spannungshysterese her.

Die zweite Brückenschaltung ermittelt das Verhältnis des auf die Fotowiderstände fallenden Lichtes und besteht aus den Widerständen 21, 23 und den Fotowiderständen 22, 24. Der Fotowiderstand 22 ist in seiner Hauptempfindlichkeitsrichtung zum Kunstlicht 38 gerichtet, während der Fotowiderstand 24 mit seiner Hauptempfindlichkeitsrichtung zum Tageslicht 39 weist. Wird der im ersten Zweig befindliche Fotowiderstand 22 heller beleuchtet und damit niederohmiger als der zweite Fotowiderstand 24, so gibt der im Brückenquerzweig angeordnete Differenzverstärker 25 ein positives Ausgangssignal ab, die Diode 26 wird leitfähig und wirkt auf die erste Brückenschaltung ein, indem die Spannung am Widerstand 32 und Kondensator 35 ansteigt und der Differenzverstärker 34 sein Ausgangssignal, welches gleichzeitig das Ausgangssignal des Helligkeitsauswerters ist, anschließend absenkt. Der Widerstand 31 unterdrückt bei leitender Diode 26 die Wirkung des Verstärkers 28 und verhindert das niederohmige Zusammenschließen zweier Verstärkerausgänge.

Bei hellerer Beleuchtung des zweiten Fotowiderstandes 24 läßt der Differenzverstärker 25 die Diode 26 gesperrt, die erste Brückenschaltung kann ihre Funktion über den Verstärker 28 erfüllen.

Eine Abwandlung der Schaltung nach (Fig. 4) besteht darin, daß der Verstärker 28 sein Eingangssignal vom Verbindungspunkt zwischen widerstand 23 und Fotowiderstand 24 erhält, was wegen der Niederohmigkeit von Widerstand 23 im Verhältnis zu Widerstand 27 nur geringe Pegelverschiebungen ergibt, jedoch eine Verbesserung des Leiterplattenlayouts bringen kann.

Als Verstärker 28 mit Verstärkungsfaktor 1 kann auch eine andere bekannte Schaltungsanordnung als ein gegengekoppelter Differenzverstärker angewendet werden.

Der Widerstand 33 kann entfallen, wenn bei der Weiterverarbeitung analoge Signale ausgewertet werden können oder der Differenzverstärker 34 eine eingebaute Hysterese aufweist.

4. Anordnung von Sendeeinheiten und Empfangseinheiten (Fig. 6, 7 und 8)

In Treppenhäusern bringt die gezeigte wechselweise Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten einen großen Erkennungsbereich.

Bezugszeichenliste

1 Helligkeitsauswerter
2 Lichtsensoren
3 Frequenzgenerator
4 Verstärker
5 Ultraschallsendewandler
6 Ultraschallempfangswandler
7 Verstärker
8 Frequenzgenerator
9 Produktdemodulator
10 Bandpaß-Filter
11 Verstärker
12 Gleichrichter
13 Schwellwerttrigger
14 Relais
15 Helligkeitsauswerter
16 Hauslicht
17 Lichtsensoren
18 Kondensator
21 Widerstand
22 Fotowiderstand
23 Widerstand
24 Fotowiderstand
25 Differenzverstärker
26 Diode
27 Widerstand
28 Verstärker
29 Widerstand
30 Widerstand
31 Widerstand
32 Widerstand
33 Widerstand
34 Differenzverstärker
35 Kondensator
38 Kunstlicht
39 Tageslicht
41 Sendeeinheit
42 Empfangseinheit

Claims

1. Bewegungserkennungseinrichtung mit
Ultraschallfeldauswertung in im wesentlichen geschlossenen Räumen unter Verwendung von Ultraschallsendeeinheiten, die ein Signal mit konstanter Frequenz und Amplitude abgeben, welches durch Körperbewegungen im überwachten Raum in Amplitude und Phase verändert wird,
und Ultraschallempfangseinrichtungen, die mit Produktdemodulatoren ausgestattet sind, welche eine Umsetzung des empfangenen Signals in einen niedrigeren Frequenzbereich vornehmen, und die nach Filterung und Gleichrichtung des umgesetzten Signals die durch Körperbewegungen entstehenden Spannungserhöhungen mit einem Schwellwerttrigger auswerten und letzterer ein Bewegungsmeldesignal auslöst, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallsendeeinheiten jeweils mit einem eigenen unabhängigen Frequenzgenerator ausgerüstet sind
und die Ultraschallempfangseinrichtungen gleichfalls einen eigenen unabhängigen Frequenzgenerator besitzen, der das Referenzsignal für den jeweiligen Produktdemodulator erzeugt,
und in den Ultraschallempfangseinrichtungen das Filter für das umgesetzte niederfrequente Signal so als Bandpaß-Filter ausgelegt ist, daß es im unteren Sperrbereich die Unterdrückung der Störsignale, die durch die Differenzfrequenzen der beteiligten Frequenzgeneratoren entstehen, vornimmt.

2. Bewegungserkennungseinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Lichtsensor zur Auswertung der Raumhelligkeit in einzelnen oder allen Sende- und Empfangseinheiten enthalten ist, welcher in Abhängigkeit vom Tageslicht bei den Sendeeinheiten die Signalaussendung einschaltet und ausschaltet und bei den Empfangseinheiten die Signalauswertung einschaltet und ausschaltet.

3. Bewegungserkennungseinrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein zweiter Lichtsensor in den jeweiligen Sende- und Empfangseinheiten angeordnet ist, der vom eingeschalteten Kunstlicht heller beleuchtet wird als der erste Lichtsensor, während der erste Lichtsensor dagegen vom Tageslicht heller beleuchtet wird als der zweite Lichtsensor und eine Auswerteeinheit aus den Ausgangssignalen beider Lichtsensoren die Zuschaltung des Kunstlichtes erkennt.

4. Bewegungserkennungseinrichtung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Sendeeinheiten das Ultraschallsignal über eine oder mehrere Reflexionen an den Raumwänden, durch den überwachten Bereich hindurch, zu einer oder mehreren Empfangseinheiten gelangen lassen, in verwinkelten Räumen auch ohne eine direkte Sicht zu den Empfangseinheiten.

5. Bewegungserkennungseinrichtung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in langen, hohen oder ausgedehnten Räumen die Anordnung der Sendeeinheiten abwechselnd mit Empfangseinheiten erfolgt, wobei mehrere Sender zu einem zwischen ihnen angeordneten Empfänger das Ultraschallsignal abstrahlen oder daß die Sendeeinheiten das von ihnen erzeugte Ultraschallsignal zu den sie umgebenden Empfangseinheiten in verschiedener Richtung abstrahlen.