DE69615006T2

DE69615006T2 - Verfahren zur steuerung eines anwesenheitssensors

Info

Publication number: DE69615006T2
Application number: DE69615006T
Authority: DE
Inventors: C. Hardin; D. Myron; A. Stephens; R. Williams; W. Woytek
Original assignee: Mytech Corp
Current assignee: Hubbell Inc
Priority date: 1995-02-06
Filing date: 1996-02-05
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2016-02-06
Also published as: DK0809922T3; EP0809922A1; JPH11501118A; CA2239094A1; DE69615006D1; US5640143A; WO1996025021A1; EP0809922B1; CA2239094C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Belegungssensoren. Ein Belegungssensor ist dafür ausgelegt, daß Vorhandensein einer Person, bzw. von Personen in einem Raum zu detektieren, üblicherweise dafür, um festzustellen, ob verschiedene elektrisch versorgte Lasten in diesem Raum (z. B. Beleuchtungskörper, Ventilation und dergleichen) eingeschaltet werden sollten oder nicht. Diese ist insbesondere von Vorteil für Institutionen, welche Besucher haben, welche nicht direkt für die Bezahlung der von ihnen verbrauchten Elektrizität verantwortlich sind, da diese Person oft keine Sorgfalt für das regelmäßige Ausschalten von elektrisch betriebenen Lasten, wie z. B. Beleuchtungskörper, Ventilation und dergleichen aufwenden, wenn sie einen Raum verlassen. Belegungssensoren können daher eine große Energiemenge einsparen. Dieses veranlaßt viele Geschäfte, diese freiwillig anzuschaffen; dieses hat auch in bestimmten Staaten zu Gesetzen geführt, welche die Verwendung von Belegungssensoren in großen Bereichen als eine Umweltschutzmaßnahme vorschreiben.
Die zwei am häufigsten vorherrschenden Arten von Belegungssensoren sind passive Infrarot- und aktive Ultraschall-Vorrichtungen. Ein passiver Infrarot-("PIR") - Sensor schaltet jedesmal eine Last ein, wenn er eine sich bewegende oder neu auftauchende Wärmequelle detektiert. Ein aktiver Ultraschallsensor emittiert Schwingungen bei Frequenzen von 25 kHz oder höher und hört auf die Rücklaufechos; wenn er eine deutliche Doppler-Verschiebung detektiert, welche das Vorhandensein eines sich bewegenden Körpers anzeigt, schaltet er die Last ein. Jeder Detektor schaltet die Last nach einem bestimmten Intervall, im welchem keine Bewegung erfaßt wurde, üblicherweise drei bis 60 Minuten nach Festlegung durch den Benutzer wieder aus. Die Bewegungsempfindlichkeit der Vorrichtung wird ebenfalls üblicherweise durch den Benutzer eingestellt.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 066 691 offenbart ein Lichtsteuersystem auf der Basis der Erfassung von reflektiertem Ultraschall. Ultraschallenergie mit einer gegebenen Frequenz und einer konstanten Amplitude wird in den Raum gestrahlt und die von einem darin befindlichen Objekt reflektierte Energie detektiert. Veränderungen in der Amplitude des reflektierten Signals werden bestimmt, welche auf eine Bewegung in dem überwachten Raum hinweisen.
Die internationale Patentanmeldung WO 93/05627 offenbart eine Erfassungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur Aktivierung und Deaktivierung einer Lampe für die Beleuchtung eines Raumes. Drei Sensoren, ein PIR-, ein Schall- und ein Lichtsensor wirken kooperativ zusammen, um die Aktivierung der Beleuchtung auszulösen, wenn eine Bewegung detektiert wird. Wenn keine Bewegung oder kein Schall innerhalb einer vorbestimmten Dauer detektiert wird, wird die Beleuchtung deaktiviert und das System in eine Vorauslösungs-Konfiguration zurückgesetzt.
Das U.S. Patent US 4,640,292 offenbart ein Doppler-System für die Ermittlung der Geschwindigkeiten von Partikeln unterschiedlicher Größe in einem Blutstrom. Ein einziger Ultraschallimpuls wird in eine Blut enthaltende Kammer eingeleitet. Eine einzige reflektierte Welle wird zu verschiedenen Verzögerungszeiten abgetastet, um so Information aus verschiedenen Abtastvoluminas innerhalb der Blutkammer zu sammeln.
Jeder von diesen Sensoren ist nicht ohne Nachteil. PIR- Sensoren sind nicht in der Lage eine Bewegung hinter einer Barriere innerhalb eines Raumes zu erfassen, wie z. B. einer Abtrennwand in einem Toilettenraum. Zusätzlich können PIR- Sensoren empfindlich gegen "tote Punkte" in bestimmten Räumen sein, innerhalb denen sie weniger empfindlich gegenüber heißen Quellen sind. Ultraschallsensoren teilen nicht diese Nachteile, da die Ultraschallenergie, welche sie emittieren den Raum füllen. Sie können jedoch gegenüber Fehlauslösung von verschiedenen Quellen empfindlich sein. Beispielsweise kann ein an der Wand in der Nähe einer Tür plazierter Ultraschallsensor einen gewissen Teil Ultraschallenergie in den Korridor außerhalb des Raumes aussenden; und eine Bewegung innerhalb des Korridors kann den Sensor so reagieren lassen, als ob eine Bewegung in dem Raum stattfinden würde, was zu einem Erfassungsfehler führt. Zusätzlich kann eine Luftbewegung aufgrund von Wind und Ventilation einen Ultraschallsensor fehlerhaft auslösen. Diese Schwierigkeit wird oft durch den Benutzer verstärkt, welcher die Empfindlichkeit des Ultraschallsensors zu hoch einstellt, was die Empfindlichkeit gegen Fehlerauslösung vergrößern kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung vermeidet die vorstehend geschilderten Widersprüchlichkeiten in herkömmlichen Lösungsansätzen und stellt ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Last bereit. Die Erfindung gemäß Definition in Anspruch 1 erzeugt ein Belegungssignal, das eine Bewegung innerhalb eines Raumes anzeigt. Dann wird das Belegungssignal beispielsweise durch einen Analog/Digital-Wandler digitalisiert, um ein digitalisiertes Belegungssignal mit digitalen Werten, welche eine Größe des Belegungssignals bei steuerbaren Abtastintervallen anzeigen, zu erzeugen. Dann wird das Belegungssignal beispielsweise durch einen programmierten Mikroprozessor verarbeitet, um eine Anzeige einer Bewegung innerhalb des Raumes zu erzeugen. Schließlich wird elektrische Last automatisch als eine Funktion der Anzeige einer Bewegung innerhalb des Raumes eingeschaltet und ausgeschaltet.
Die elektrische Last kann durch ein Relais, einen Thyristor oder Triac oder ähnliche steuerbare Schaltelemente gesteuert werden. Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Einschaltung der Last im wesentlichen gleichzeitig mit dem Nulldurchgang einer Wechselspannungsquelle erfolgt, welche zur Versorgung der Last verwendet wird. Die Last kann beispielsweise ein Beleuchtungskörper oder ein Ventilationssystem, wie z. B. ein Heizungs- und/oder Klimatisierungssystem sein.
Die aktive Erzeugung des Belegungssignal ergibt sich aus in den Raum ausgesendeter Ultraschallenergie und der anschließenden Detektion von aus dem Raum reflektierter Ultraschallenergie. In Kombination mit der aktiven Erzeugung des Belegungssignals kann auch ein passiver Infrarot-Detektor verwendet werden, welcher Wärmequellen innerhalb des Raumes detektiert.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist die Detektion von Umgebungsbedingungen innerhalb des Raums, wie z. B. Umgebungslicht und Temperatur.
Wenn das Belegungssignal durch die Verwendung einer Ultraschalleinrichtung erzeugt wird, besteht ein Merkmal der Erfindung in der Aussendung von Ultraschallenergieimpulsen in dem Raum zu gesteuerten Zeitintervallen, einem anschließenden Detektieren der von dem Raum reflektierten Ultraschallimpulse, um das Belegungssignal zu erzeugen, und in einer Abtastung des Belegungssignal als eine Funktion der gesteuerten Zeitintervalle. Die Abtastung kann in ganzzahligen Vielfachen der gesteuerten Zeitintervalle erfolgen und die Abtastung kann an den Zeitintervallen erfolgen, welche mit der Aussendung der Ultraschallenergieimpulse synchronisiert sind.
Noch ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht in der Abtastung des Belegungssignals in Quadratursynchronisation zu der Aussendung der Ultraschallenergieimpulse, wobei dieses die Bewertung einer Doppler-Verschiebung zwischen den ausgesendeten Ultraschallenergieimpulsen und den Quadraturabtastwerten ermöglicht. Die Bewertung dieser Doppler-Verschiebung erlaubt die Unterscheidung des Bewegungstyps innerhalb des Raums, beispielsweise auf den Sensor zu oder davon weg, was die Verarbeitung des Belegungssignals auf der Basis einer Richtung der detektierten Bewegung erlaubt.
Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung beinhalten die automatische Anpassung der Empfindlichkeit in der Verarbeitung des Belegungssignals als eine Funktion der Form oder Konfiguration des überwachten Raumes, oder als eine Funktion der Historie des Belegungssignals. Somit kann die Belegungserfassung für die Detektion einer Bewegung innerhalb des Raumes mehr oder weniger von der Form oder der Konfiguration des Raums abhängig, oder von der Bewegungshistorie von Personen innerhalb des Raums abhängig gemacht werden. Noch weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung umfassen einen automatischen Selbsttest des Sensors, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und das "Dithering" bzw. Modulieren des Belegungssignals vor der Digitalisierung, um die schädlichen Auswirkungen von Störungen auf den Belegungssignal zu minimieren.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann in dieser Technologie unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren und die detaillierte Beschreibung offensichtlich sein.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen ist, bzw. sind:
Fig. 1 ein Übersichtsblockschaltbild einer Sensorvorrichtung.
Fig. 2 ein detaillierteres Blockschaltbild der Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 3 ein Schaltbild der Belegungs-Erfassungshardware in einem Ultraschallsensor, welcher in der Vorrichtung von Fig. 1 und Fig. 2 anwendbar ist, welcher manuelle Empfindlichkeits- und Zeit-Einstelleinrichtungen aufweist.
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Belegungs- Erfassungshardware in einem PIR-Sensor, welcher in der Vorrichtung von Fig. 1 und Fig. 2 verwendbar ist, manuelle Empfindlichkeits- und Zeit-Einstelleinrichtungen aufweist.
Fig. 5 ein Schaltbild der Hardware in einem Doppel- Technologie-(d. h. Ultraschall- und PIR-)-Sensor, welcher in der Vorrichtung von Fig. 1 und Fig. 2 verwendbar ist, und welcher manuelle Empfindlichkeits- und Zeit-Einstelleinrichtungen aufweist
Fig. 6 ein Schaltbild einer Relaistreiberschaltung für 3 einen Sensor mit einem internen Relais zum Einschalten und Ausschalten der Lichtlast, welche in der Vorrichtung in Fig. 1 und Fig. 2 verwendbar ist.
Fig. 7 ein Schaltbild einer Thyristor-(SCR)- Treiberschaltung für einen Sensor mit einem internen SCR zum Einschalten und Ausschalten der Last, welche in der Vorrichtung von Fig. 1 und 2 verwendbar ist.
Fig. 8 ein Schaltbild, einer Triac-Treiberschaltung, für einen Sensor, welcher kein internes Relais für das Ein- und Ausschalten der Lichtlast aufweist, welche in der Vorrichtung von Fig. 1 und Fig. 2 verwendbar ist.
Fig. 9 ein Schaltbild einer Temperatur-aktivierten Überlastdetektionsschaltung, welche in der Vorrichtung von Fig. 1 und Fig. 2 verwendbar ist.
Fig. 10 ein Schaltbild einer Lichtpegel-Erfassungsschaltung, welche in der Vorrichtung in Fig. 1 und Fig. 2 verwendbar ist.
Fig. 11 ein Schaltbild der Schaltung zur Erkennung des Vorhandenseins eines Selbsttest-Signalechos, welche in der Vorrichtung von Fig. 1 und 2 verwendbar ist.
Fig. 12 eine Darstellung einer kleinen Veränderung in einem großen Trägerecho.
Fig. 13 ein Schaltbild einer Schaltung, welche eine synchrone Spitzendetektion erzeugt, zur Verwendung in der Vorrichtung von Fig. 1 und Fig. 2.
Fig. 14 ein zeitlicher Ablauf von Ereignissen einer synchronen Spitzendetektion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 ein globales Flußdiagramm des Betriebs der Vorrichtung von Fig. 1 und 2 gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 16 ein Flußdiagramm der Initialisierungsprozedur.
Fig. 17 ein Flußdiagramm des Verfahrens, welches dem Sensor konfiguriert.
Fig. 18A und 18B ein Flußdiagramm des Verfahrens, welches den Sensorselbstest gemäß einer Ausführungsform - der vorliegenden Erfindung festlegt.
Fig. 19A und 19B ein Flußdiagramm des Verfahrens, das die Quadraturabtastung des von dem Sensor empfangenen Signals vornimmt.
Fig. 20 ein Flußdiagramm des Bandpaßfilterverfahrens.
Fig. 21 ein Schaltbild der äquivalenten Schaltung des Bandpaßfilters von Fig. 20.
Fig. 22 ein Flußdiagramm des Verfahrens, daß das Vorhandensein oder Fehlen einer Wechselspannungsversorgung an der Last detektiert.
Fig. 23A, 23B und 23C ein Flußdiagramm des Verfahrens, das bestimmt, ob der Raum belegt ist oder nicht.
Fig. 24 ein Flußdiagramm des Verfahrens, das die Empfindlichkeit auf der Basis der Anpassungen des Benutzers und der Aktivität innerhalb des Raumes aktualisiert.
Fig. 25 ein Flußdiagramm des Verfahrens zur automatischen Verstärkungsreduzierung.
Fig. 26 ein Flußdiagramm des Verfahrens, das ein Schalten im Nulldurchgang und eine automatische Zeitgeberanpassung erreicht.
Fig. 27 ein Flußdiagramm einer Unterbrechungs- bzw. Interrupt-gesteuerten Sendertreiberroutine.
Fig. 28 eine Beschreibung der Bandpaßfilterantwort.
Fig. 29 eine Darstellung eines Sensortests für einen vollständigen Signalpfad.
Fig. 30 ein Bild des Empfängersignals während des Selbsttests.
Fig. 31 ein zeitlicher Ablauf, welcher den Sensor bei der Abwärtsanpassung seiner Empfindlichkeit darstellt.
Fig. 32 ein zeitlicher Ablauf, welcher den Sensor bei der Aufwärtsanpassung seiner Empfindlichkeit darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Das Gesamtsensorsystem ist in Fig. 1 dargestellt. Die erste Stufe ist der Intelligente Signalempfänger 10, dessen Ausgangssignal einer Verstärkung und gewissen analogen Signalverarbeitung in den Verstärker 11 unterzogen wird. Das modifizierte Signal wird dann dem zentralen Element des Systems, dem digitalen Signalprozessor (DSP) und der Systemsteuerung 12 zugeführt, welche einen Mikroprozessor und dessen Hilfshardware enthält. Diese Stufe beeinflußt dann die Umgebung über ihre gesteuerten Ausgangssignale 13, wie z. B. Signale zum Ein- und Ausschalten der Last, ein Ausgangsultraschallsignal falls zutreffend, einen Zustandsindikator usw.
Fig. 2 ist eine detailliertere Aufschlüsselung der Komponenten des in Fig. 1 dargestellten verallgemeinerten Systems. Zusätzlich zu dem Empfänger 10 und dem analogen Verstärker 11 befinden sich weitere Teilsysteme innerhalb des Sensors. Der Mikroprozessor 14 ist das Herz des Systems, welches sowohl die Signalfilterung als auch die algorithmische Steuerung des gesteuerten Ausgangssignals 13 vornimmt. Der gewählte Mikroprozessor sollte schnell sein, um Ultraschallmeßwandler anzusteuern; er sollte auch einige Vorkehrungen für Software-konfigurierbare Interrupts aufweisen. Wenn der Mikroprozessor 14 eine interne Analog/Digital-Umwandlung aufweist, ergibt dieses ein kompakteres Leiterplattenlayout. Einige exemplarische kommerzielle Produkte, welche als Mikroprozessor 14 für diese Anwendung verwendbar sind, umfassen den Oki MSM 65524, den SGS-Thomson ST6210, den Zilog Z86A20 und den Mikrochip PIC 16C71, PIC 16C73, und PIC 16C74, wobei jedoch andere kommerziell erhältliche Mikroprozessoren ebenfalls annehmbar wären. Ferner dürfte es sich verstehen, daß obwohl der dargestellte Mikroprozessor einen Analog/Digital-Wandler enthält, getrennte Komponenten für den Mikroprozessor und den Analog/Digital-Wandler verwendet werden können.
Das Selbsttestfilter 24 verleiht dem Mikroprozessor 14 ein anderes Aussehen des Ausgangssignals des Verstärkers 11 um festzustellen, ob das Selbsttestsignal in den Echos vorhanden ist.
Es gibt mehrere optionale Eingänge zu dem System zusätzlich zu dem Empfänger 10. Beispielsweise kann der Benutzer die Bewegungsempfindlichkeit des Sensors mit der Empfindlichkeitsanpassung 21 einstellen. Er kann auch die Verzögerung zwischen der Zeit, zu der der Sensor die letzte Bewegung sieht, und der Zeit, in der die Last ausgeschaltet wird, durch Manipulierung der Zeitgeberanpassung 22 verändern. Weitere Eingabeelemente messen verschiedene Umgebungsfaktoren, wie z. B. die Lichtpegelschnittstelle 18 und der Überlastdetektor 17. Der Oszillator 23 versorgt den Mikroprozessor 14 mit einer Zeittaktreferenz, während der 60- Hz-Detektor 16 sicherstellt, daß der Sensor schnell auf das Ereignis eines Energieversorgungsverlustes reagieren kann.
Der Sensor steuert mehrere Ausgänge, einschließlich der optionalen Sender 20 in dem Falle eines Ultraschall- oder eines Doppel-Technologie-Sensors, die gesteuerten Ausgänge 13 zum Ein- und Ausschalten der Last, und die Zustandsindikatoren 19, um den Benutzer zu informieren, wenn der Sensor eine Bewegung detektiert, ein Fehlerzustand vorliegt usw. Die Energieversorgungseinrichtung 15, welche den Mikroprozessor 14 und weitere Komponenten mit einer stabilen Gleichspannung versorgt und die durch den Benutzer wählbaren Softwareeinstellungen 25, welche optionale Merkmale auswählen, mit welchen der Sensor ausgestattet wird, sind bezüglich der Detektion einer Bewegung oder der Steuerung einer Last passiv.
Die für einen intelligenten Ultraschallbelegungssensor zur Bewegungsdetektion erforderliche Hardware ist bevorzugt die in Fig. 3 dargestellte. Der Ultraschallempfänger 13 erzeugt eine Ausgangsspannung, welche mit dem auf ihn einfallenden Schalldruck variiert und das sich ergebende Signal wird an einen die Komponenten 31, 32, 33 und 34 umfassenden Vorverstärker/Hochpaßfilter angelegt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers/Hochpaßfilters wird dann durch einen Begrenzungsverstärker/Filter geleitet, welche3s durch die Komponenten 35, 36, 37, 38, 39, 40 und 41 besteht. Dieses Filter weist eine Rückkopplungsimpedanz mit demselben Wert wie der Widerstand 37 für Signale auf, welche nicht groß genug sind, um die Dioden 38 oder 39 vorzuspannen, und eine Rückkopplungsimpedanz des Widerstandes 37 parallel zu dem Widerstand 40 für große Signale, welche hoch genug oder tief genug auslenken, um eine der Dioden 48 oder 39 vorzuspannen. Dieses reduziert die Verstärkung für große Signale und verleiht dem Sensor ein bestimmtes Maß an Umgebungsstörungsimmunität und verhindert auch die Sättigung des Vorverstärkers.
Das Ausgangssignal des Begrenzungsverstärkers durchläuft eine einfache Tiefpaßfilterungsstufe, welche den Widerstand 42A und einen Kondensator 43 umfaßt, und das Resultat wird durch ein Ausgangssignal aus dem Mikroprozessor 14 über den Widerstand 42B verzittert (dithered). Verzittern (Dithering) ist die Hinzufügung eines Rechteckwellensignals zu einem Eingangssignal, welches einer Analog/Digital-Wandlung unterzogen werden soll. Die Spitze/Spitze-Amplitude des Verzitterungssignals ist idealerweise die Hälfte der Auflösung des A/D-Wandlers. Dieses verhindert die Auswirkung von Störungen auf das niedrigste Bit des Wandlers was wichtig sein kann, wenn die A/D-Auflösung 8 Bit oder kleiner ist.
Dieses verzitterte Ausgangssignal wird an einen A/D- Wandlerkanal in dem Mikroprozessor 14 angelegt. Dieses Signal wird nachstehend als das "Belegungssignal" bezeichnet.
Der Mikroprozessor 14 steuert auch die Sender 26 und 27 unter Verwendung in die Mikrocontroller-Hardware eingebauter Interrupts. Die Sender 26, 27 und der Empfänger 30 sollten einen ziemlich hohen Q-Wert aufweisen, damit sie Energie bei nur einer interessierenden Frequenz aussenden; selbst eine kleine Frequenzkomponente wenige Herz von der Sendefrequenz entfernt, könnte dem Sensor als eine Dopplerverschiebung erscheinen und somit als eine Bewegung registriert werden. Aus ähnlichen Gründen sollten die Meßwandler 26 und 27 ihre Betriebsfrequenz nicht wesentlich mit der Temperatur oder Feuchtigkeit ändern. Exemplarische kommerziell erhältliche Komponenten für die Sender 26, 27 und den Empfänger 30 sind in der Tabelle I für drei unterschiedliche Sendefrequenzen (25 kHz, 32 kHz und 40 kFz) dargestellt. Andere kommerzielle Komponenten und andere Übertragungsfrequenzen sind jedoch auch einsetzbar. Tabelle I
Die Potentiometer 28 und 29 stellen eine einfache Möglichkeit für den Benutzer dar, die Zeitablaufs- und Empfindlichkeits-Einstellung des Sensors zu steuern; die Spannung von jedem wird an einen getrennten A/D-Kanal des Mikroprozessor 14 angelegt, und der Mikroprozessor liest jede Spannung ein und überträgt diese in eine Zeitdauer oder einen Multiplikator für das Belegungssignal. Ein weiteres Verfahren zur Steuerung dieser Einstellung bestünde über eine Fernsteuerungsvorrichtung, mit Einstellmöglichkeiten für die Steuerung der Empfindlichkeit und der Zeitablaufsdauer. Die Fernsteuerung könnte mit dem Sensor entweder über Funkwellen (welches einen Funkempfänger innerhalb des Sensors erfordern würde) oder unter Verwendung einer Schallausgabe und dem bestehenden Empfänger 30 kommunizieren.
Fig. 4 stellt eine Schaltung dar, in welcher ein intelligenter Infrarot-Sensor verwendet werden kann. Der PIR- Detektor 46, welcher im wesentlich ein von Widerständen 44, 45 und 47 vorgespannter FET ist, verändert sein Ausgangssignal wenn sich eine Wärmequelle durch den Raum bewegt. Diese Störung veranlaßt den die Komponenten 48, 49; 50 und 51 umfassenden Hochpaßverstärker sein Ausgangssignal zu verändern. Das sich ergebende Ausgangssignal wird von einem Kondensator 52 und dem Widerstand 53 gefiltert, um elektromagnetische Störungen zu eliminieren und über einen Widerstand 53A verzittert und diese Spannung (welcher auch als das "Belegungssignal" für einen PIR-Detektor bekannt ist) wird an einen weiteren A/D-Kanal in dem Mikroprozessor 14 angelegt. Die Potentiometer 28 und 29 repräsentieren wiederum Zeit- und Empfindlichkeitsanpassngen ähnlich denen von Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Schaltbild eines intelligenten Doppel- Technologie-Sensors, der eine PIR-Erfassung mit einer Ultraschall-Erfassung kombiniert. Es ist im wesentlichen eine Kombination von Fig. 3 und Fig. 4.
Fig. 6 ist ein Schaltbild der Treiberschaltung für ein Speicherrelais zum Ein- und Ausschalten der Last. Der Mikroprozesor 14 liefert ein digitales TTL-Ausgangssignalan die Steuerschaltung. Wenn der Mikroprozessor 14 einen kurzen Impuls über den Widerstand 54 aussendet, spannt dieser denn Transistor 52 vor, so daß ein Strom durch die Relaisspule 56 fließen kann und diesem das Verriegeln ermöglicht. Die Last 58 kann dann Strom aus der Wechselspannungquelle 59 ziehen. Ein Sensor, der die Last auf diese Weise steuert, weist zwei von diesen Schaltungen auf, eine für das Setzen des Verriegelungsrelais zum Einschalten der Last und eine weitere für die Rücksetzung dieses, um die Last auszuschalten. Die Diode 55 vernichtet die Energie in der Spule 56, wenn das Relais ausgeschaltet wird, was verhindert, daß eine Spannungsspitze den Transistor 57 beschädigt. Obwohl in Fig. 6 ein Verriegelungsrelais betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, daß auch ein nicht-verriegelndes Relais verwendet werden könnte, das dauernd mit Energie versorgt wird, wenn die Last 58 mit Energie zu versorgen ist.
Ein weiteres Verfahren zur Steuerung einer Last ist in Fig. 7 dargestellt. Wenn der Mikroprozessor 14 den entsprechenden TTL-Ausgang über den Widerstand 60 hochsetzt, leitet der Thyristor (SCR) 61 was es der Last 58 ermöglicht, Energie immer dann zu ziehen, wenn die Wechselspannung aus der Energieversorgungsquelle 59 positiv im Bezug auf Masse ist. Wenn der Ausgang des Mikroprozessor 14 niedrig ist, leitet der SCR 61 nicht und die Last zieht keine Energie. Das SCR- Schaltverfahren kann einem Relais in Fällen vorgezogen werden, in welchem eine Niedrigenergie-Wechselstromlast gesteuert wird, welche effizient mit einem Halbwellen-gleichgerichteten Wechselstrom arbeiten kann. Ein SCR kann für diese Anwendung zuverlässiger als ein Relais sein.
Fig. 8 stellt eine dritte Möglichkeit zur Ansteuerung einer Last, diesmal über einen Triac dar. Wenn der Mikroprozessor 14 ein hohes TTL-Signal über den Widerstand 62 aussendet, leitet der Optotriac 63, lädt den Kondensator 65 über den Widerstand 64 bis zu dem Punkt auf, an weichem der Diac 66 leitet, der den Triac 68 vorspannt, worauf der Triac 68 Strom in beiden Richtungen aus der Wechselspannungsenergiequelle 59 durch die Last 58 leitet. Ein Triac hat eine längere Betriebslebensdauer als ein Relais und kann anders als ein SCR Wechselstrom leiten.
Die Überlastschutzschaltung von Fig. 9 verwendet ein Thermistor 69, um zu ermitteln, ob sich der Sensor aufgrund einer Überlastbedingung erwärmt. Der Thermistor 69 und der Widerstand 68 bilden einen Spannungsteiler; wenn die Temperatur ansteigt geht die Impedanz des Thermistors 69 nach oben, während die des Widerstands 68 ziemlich konstant bleibt und somit steigt die Spannung für den Mikrocontroller 14 ebenfalls an. Wenn der A/D-Eingang des Mikroprozessor 14 aus dem Thermistor 69 eine bestimmte Schwellenspannung erreicht, kann der Mikroprozessor 14 das System abschalten, um zu verhindern, daß die Überlastung den Sensor beschädigt. Die Temperaturerfassung kann auch zur Steuerung elektrischer Lasten, wie z. B. von Klimatisierungs- und Heizsystemen eines Gebäudes verwendet werden.
Fig. 10 ist eine Schaltung für die Erfassung des Lichtpegels in einem Raum. Deren Betrieb ist ähnlich dem der Überlastschutzschaltung von Fig. 9 dahingehend, daß der Widerstand 71 und der Photowiderstand 70 als ein Spannungsteiler arbeiten. Wenn der Photowiderstand 70 Licht ausgesetzt ist, sinkt dessen Impedanz ab, welche die Eingangsspannung zu dem A/D-Eingang des Mikroprozessors 14 nach unten treibt. Wenn die Beleuchtungskörper ausgeschaltet sind und der Sensor eine Bewegung detektiert, kann der Sensor die Umgebungslichtpegel unter Verwendung der Schaltung in Fig. 10 testen. Wenn es in dem Raum hell genug ist, so daß keine Beleuchtungskörper benötigt werden, kann der Sensor die Entscheidung treffen, die Beleuchtungskörper nicht einzuschalten.
Figur T1 stellt die unabhängige Signalverarbeitungs- Hardware zur Detektion des Selbsttestsignals dar. Der Empfänger 30 und der Hochpaßverstärker der ersten Stufe mit den Komponenten 31, 32, 33 und 34 sind derselbe wie der in Fig. 3. Die nächste Stufe ist ein Spitzendetektor mit den Komponenten 72, 73 und 74. Das Ausgangssignal des Spitzendetektors wird an einen Bandpaßverstärker, bestehend aus den Komponenten 75, 76, 77, 78 und 79 angelegt, welcher die Funktion hat, daß Zackenausgangssignal des Spitzendetektors zu glätten. Dieses Ergebnis wird durch den Widerstand 80 und den Kondensator 81 rauschgefiltert und durch den Widerstand 80A verzittert und dann einem der A/D-Kanäle in dem Mikroprozessor 14 zugeführt. Das Ausgangssignal dieser Spitzendetektorschaltung kann auch für andere Zwecke als denselbsttest verwendet werden. Beispielsweise kann sie parallel mit oder als eine Alternative zu der in Fig. 19A und 19B skizzierten Quadraturdetektion verwendet werden.
Der Hauptvorteil eine Spitzendetektion gegenüber einer einfachen Quadraturabtastung des Rücklaufechos besteht darin, daß ein Spitzendetektor leichter kleine Veränderungen in einem großen Träger detektieren kann. Es werde der Träger 82 von Fig. 12 betrachtet, welcher sehr nahe an der Sättigungsschwelle 83 liegt. Diese Situation kann in einem kleinen Raum mit Wänden auftreten, welche den Schall sehr effektiv reflektieren. Die kleine Zunahme in dem Träger 82 zum Zeitpunkt 84 ist wahrscheinlich schwierig zu detektieren, da sie ein derart kleiner Bruchteil der Trägeramplitude ist; eine Erhöhung der Trägerverstärkung andererseits würde nur dazu führen, daß der Träger 82 die Sättigungsschwelle 83 erreicht, an welcher keine Veränderung ihrer Größe detektiert werden könnte. Ein Spitzendetektor kann jedoch einfach den Gleichspannungspegel aus der Spitzenamplitude des Trägers 82 unterdrücken und nur die kleine Veränderung zum Zeitpunkt 84 verstärken, was sie sehr gut erkennbar macht.
Eine synchrone Spitzendetektionsschaltung ist in Fig. 13 dargestellt. Der Mikroprozessor 14 steuert die Sender 26, 27 mit einer Wellenform, mit wesentlicher weniger als 50% Tastverhältnis, was sowohl Energieabgabe an die Sendern 26, 27 einspart, als auch einen sehr kurzen Schaltimpuls an dem Transistor 85 über den Widerstand 86 erzeugt. Dieser Transistor liefert zusammen mit dem Widerstand 87 und dem Kondensator 88 den laufenden Spitzenpegel des Signals aus dem Empfänger 30 zu den Abtastzeitpunkten, welche mit dem Senderausgangssignal synchronisiert sind. Die Komponenten 36 bis 41 bilden denselben nicht-linearen Verstärker wie in Fig. 3 dargestellt und die Komponenten 75 bis 81 bilden denselben Bandpaßverstärker wie in Fig. 11 beschrieben.
Die Vorteile einer synchronen Spitzendetektion gegenüber einer normalen Spitzendetektion sind in Fig. 14 dargestellt. Zum Zeitpunkt 237 nimmt der Träger 238 in der Frequenz zu, behält aber eine konstante Amplitude bei (ein unrealistischer Fall, welcher aber das Prinzip sehr einfach veranschaulicht). Ein normaler Spitzendetektor würde keine Veränderung in seinem Ausgangspegel in diesem Beispiel detektieren, obwohl die Doppler-Verschiebung zum Zeitpunkt 237 deutlich eine Bewegung anzeigt. Der Synchrondetektor tastet die Wellenform zu Zeitpunkten 239, 237, 240 und 89 ab und dessen Ausgangssignal 90 reflektiert deutlich die Veränderung in der Frequenz zum Zeitpunkt 240.
Fig. 15 ist ein Übersichtsflußdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. In der Praxis ist das Flußdiagramm von Fig. 15 (und Fig. 16 bis Fig. 27) in geeigneter Form codiert und in dem Programmspeicher des Mikroprozessors geladen, um den Mikroprozessor 14 und dessen zugeordnete Schaltung zum Ausführen des Verfahrens zu veranlassen. Nach dem Start durchläuft der Sensor eine Initialisierung 91. Er tritt dann in die Hauptschleife ein, in welcher er umläuft, bis ein Wachhund-Zeitgeber anspricht.
Zum Beginn der Hauptschleife ermittelt der Sensor die Raumgröße und führt eine bestimmte elementare Konfiguration 92 durch. Dann führt er einen Selbsttest durch, um festzustellen, daß der Signalpfad vollständig ist 93. Anschließend erfaßt der Sensor zwei Quadraturabtastwerte aus dem Empfänger 94 und führt das Belegungssignal durch das Bandpaßfilter 95. Dann prüft der Sensor, ob er immer noch Wechselstromenergie hat 96, und verarbeitet dann das Ausgangssignal des Bandpaßfilters, um festzustellen, ob er eine Bewegung gesehen hat 97. Der Sensor aktualisiert seine Empfindlichkeit, um Veränderungen in der Benutzer-gesteuerten Einstellung oder in den automatischen Anpassungen zu reflektieren 98. Schließlich geht der Sensor in eine automatische Verstärkungsrückstellung 99, und falls es gerade Zeit ist, die Beleuchtungskörper einzuschalten, führt er einen Schaltvorgang im Nulldurchgang und eine automatischen Zeitgeberanpassung durch 100. Er springt dann an den Anfang der Hauptschleife zurück. Die Hauptschleife unterliegt einer periodischen Unterbrechung (Interrupt), um den Ultraschallsender zu betreiben. Die Interruptroutine wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 27 beschrieben.
Die Initialisierungsphase 91 ist in Fig. 16 erweitert. Der Sensor setzt zuerst seine Vorgabebelegung 101; beispielsweise unter der Annahme, daß der Raum beim Einschalten der Energie belegt ist und schaltet die Beleuchtungskörper ein. Der Sensor setzt dann den Wachhund-Zeitgeber 102, daß er in einer vorbestimmten Zeitdauer von typischerweise 72 ms abläuft, obwohl auch andere Perioden anwendbar wären. Dieses bestimmt die Verzögerung zwischen dem Abschalten der Energieversorgung und der Selbstrücksetzung des Sensors. Wenn der letzte Startvorgang des Sensors die Folge eines Energieversorgungsausfalls war 103, setzt er dann das Relais 56 (siehe auch Fig. 6) gerade in dem Falle wieder 104, im welchem die Energieversorgung nicht schnell genug beim Start eingeschaltet wurde, um das Relais 56 beim erstenmal auszulösen. Der Sensor läßt den Statusindikator blinken 105, um anzuzeigen, daß er sich zurücksetzt. Wenn der Startvorgang aufgrund eines momentanen Energieausfalls erfolgt und die Register des Sensors intakt gehalten sind 106, überspringt dann das Programm deren Initialisierung 107. Die letzte Initialisierungsaufgabe besteht in der Freigabe der Interrupts für die Sendertreiber 108; dieses ermöglicht es dem Mikroprozessor die Sender zu derselben Zeit zu betreiben, an denen er andere Aufgaben ausführt (siehe auch Fig. 27 und unterstützenden Text).
Fig. 17 erweitert die zur Konfiguration des Sensors erforderlichen Schritte (Schritt 92 von Fig. 15). Die meisten Mikroprozessor erfordern, daß das Programm den Zustand der analogen Eingangsanschlüsse 109 und aller bidirektionalen digitalen Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse konfiguriert 110. Zusätzlich prüft der Sensor die Größe und Konfiguration des Raums jedesmal (beispielsweise alle fünf Stunden, wie von der Bedingung bestimmt 111) durch Aussenden eines kurzen Schallimpulses 112 und dann durch Abhören der Echos für 60 ms 113. Wenn alle Echos innerhalb 20 ms zurückkehren 114, ist der Raum ziemlich klein und die Sender geben zuviel Signal für einen solch kleinen Raum aus, so daß der Sensor seine Leistung um 20 dB reduziert 115. Die gemittelte Rücklaufechozeit gibt auch eine gewisse Anzeige für die Raumgröße, so daß das Programm den Skalenfaktor des Belegungssignals auf der Basis des Mittelwertes der Echoverzögerung variiert 116.
Das Flußdiagramm in Fig. 18A und 18B stellt die Schritte der Selbsttestroutine dar (Schritt 93 von Fig. 15). Wenn eine vorbestimmte Zeit (beispielsweise 17 Minuten, wie von der Bedingung bestimmt 117) seit dem letzten Selbsttest verstrichen ist, initialisiert der Sensor einen neuen Selbsttest 118. Wenn ein Selbsttest abläuft 119, schaltet der Sensor seinen Sender für 200 us alle 64 ms ab 120, und schaltet den Empfänger bis 8 ms später taub 121; wenn das Rücklaufecho keinen kurzzeitigen Abfall in der Signalstärke zeigt 122, erklärt der Sensor einen Ausfall 123. Wenn ein Ausfall erklärt wurde 124, entweder gerade jetzt oder zuvor, läßt der Sensor den Statusindikator rasch blinken, um anzuzeigen, daß irgend etwas falsch ist 125. Wenn 4 Sekunden seit dem Beginn des Selbsttestes verstrichen sind 126, und ein Fehler erklärt ist 127, schaltet der Sensor sein Fehlersignal auf ein externes Leuchtelement, um ein Problem anzuzeigen 134 und setzt seinen Selbsttestfehler-Zählstand auf 4 135; dieses bedeutet, daß der Sensor einen Selbsttest 4 aufeinanderfolgende Male nach einem Ausfall durchlaufen muß, um zu bestehen. Wenn kein Fehler erklärt wurde, dekrementiert das Programm den Selbsttestfehler-Zählstand 128. Wenn der Selbsttestfehler-Zählstand 0 ist 129, hat der Sensor bestanden und kommt aus dem Selbsttest 130, schaltet seinen Sender und Empfänger ein 131, nimmt sein Fehlerdetektionssignal zurück 132, und löscht seine Filter 133.
Fig. 19A und 19B beschreiben den Prozeß der Quadraturdetektion (Schritt 94 von Fig. 15). Wenn der Empfänger frei gegeben ist 136, erfaßt der Sensor seinen ersten Abtastwert des Belegungssignals und speichert es in dem Register AD&sub1; 137; wenn es ausgeschaltet ist, erhält AD&sub1; den Wert Null 138. Das Register TEMP&sub1; erhält einen Hochpaßwert von AD&sub1; plus einem Zitterwert, um die Auswirkungen von Störungen auf das niederwertigste Bit des Digitalisierers zu verringern 139. Der Sensor bestimmt dann den nächsten Wert von AD1LP, die Tiefpaßversion von AD&sub1; unter Verwendung von Filtern für einen normalen Betrieb 141 und für den Selbsttest 142, wie in der Bedingung festgelegt ist 140. Dieselben Operationen werden dann an dem zweiten Abtastwert des Belegungssignals in den Schritten 143, 144, 145, 146, 147, 148 und 149 durchgeführt.
Diese zweite Abtastung ist zeitlich so gelegt, daß sie etwa 90º von dem vorherigen Abtastwert weg liegt und wird in dem Register AD&sub2; gespeichert.
Das Bandpaßfilter von Fig. 20 simuliert eine LC-Serienschaltung, die von einer Wechselstromquelle betrieben wird (Schritt 95 von Fig. 15). Das Register ILl stellt den Strom durch die Spule dar; das Register VC1 stellt die Spannung über den Kondensator dar, und ist das Ausgangssignal des Bandfilters. Die Koeffizienten b&sub1; und b&sub2; sind die Verstärkungsfaktoren des Eingangssignals, dessen Entsprechung die Stromquelle in dem LC-Modell ist, und werden als die Verstärkungsfaktoren für die Eingangswerte (AD&sub1; - ADlLp) 150, und (AD&sub2; - AD2LP) verwendet 151. Man beachte, daß für die synchrone Spitzendetektion kein zweiter Quadraturabtastwert vorliegt, und somit AD&sub2; - AD2LP = 0 ist. Diese verstärkten Werte werden dann in der Software beschnitten, um eine Sättigung der Filter zu verhindern 152. Die Koeffizienten a&sub1; und a&sub3; welche in den Schritten 154 bzw. 157 eingeführt wurden, bestimmen die Frequenzkennlinien des Bandpaßfilters, während der im Schritt 155 verwendete Koeffizient a&sub2; den Q-Wert des Filters bestimmt. Diese Werte können beispielsweise für unterschiedliche Anwendungen (Decken-, Treppenhaus-, Wandmontage und Korridoranwendungen) verändert werden, indem diese in dem Mikroprozessor 14 programmiert werden, oder indem Schaltbrücken verwendet werden, um die Anwendung und somit die zu verwendenden Werte zu wählen. Der Schritt 156 berechnet die Dämpfung VC1 im Schritt 157. Die mathematische Operation des Bandfilters wird nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 21 und Fig. 28 beschrieben.
Das vorstehend beschriebenen digitale Bandpaßfilter kann anders als ein analoges Filter mit festgelegten Werten dynamisch während des Sensorbetriebs verändert werden. Diese kann aus mehreren Gründen nützlich sind: als eine Alternative zu einer (in Fig. 24 beschriebenen) automatischen Verstärkungsrückstellung, durch Änderung der Filterparameter, um nur eine Vollkörperbewegung zu sehen, anstelle der simpleren Maßnahme, lediglich die Empfindlichkeit zu verringern; oder um dem Sensor sowohl die Funktion einer Laststeuerung als auch eines Sicherheitssensors zu geben, wobei das Letzere ein anspruchsvolleres Bewegungsdetektionsverfahren erfordert, um sicherzustellen, daß der Sensor keinen Falschalarm erzeugt.
Fig. 21 ist die äquivalente Schaltung des in Fig. 20 beschriebenen Bandpaßfiltes. Die zwei Eingangsgrößen des Filters sind als die Stromquelle 158 und die Spannungsquelle 159 dargestellt. Die Ausgangsvariablen IL1 und VC1 werden durch den Strom 160 und die Spannung 161 dargestellt. Der Wert der Spule 162 ist t/a&sub1;, wobei t die Zeit zwischen der Abtastwerten ist; der Wert des Kondensators 163 ist t/a&sub3;; und der Wert des Dämpfungswiderstandes 164 ist 1/a&sub2;a&sub3;.
Der Sensor verwendet den Wachhund-Zeitgeber und einen digitalen Eingang in den Mikroprozessor 14, um sich selbst zurückzusetzen, wenn die Energieversorgung ausfällt; das spezifische Verfahren dazu ist in Fig. 22 dargestellt (Schritt 96 in Fig. 15). Die Spannung aus der Wechselspannungsenergieversorgung an die Last wird mittels der 60-Hz-Detektionsstufe 16 abgetastet, welcher die Versorgungsspannung um einen großen Faktor verringert, um so deren Einführung in einen TTL-Eingang zu ermöglichen. Wenn die Wechselspannungsenergie noch aktiv ist, oszilliert dieses digitale Eingangssignal mit 60 Hz; falls nicht, verbleibt sie in dem einen oder anderen Zustand. Das Programm liest die Transformatorspannung einmal pro Durchlauf durch die Hauptschleife 165 aus. Jedesmal, wenn das digitale Eingangssignal seinen Zustand verändert 166 löscht das Programm den Wachhund-Zeitgeber 167. Wenn die Wechselspannungsenergieversorgung für mehr als eine bestimmte Zeitdauer fehlt, beispielsweise 72 ms, löst der Wachhund- Zeitgeber aus, und setzt den Sensor zurück.
Fig. 23A, Fig. 23B und Fig. 23C beschreiben die Art, in welcher der Sensor die Belegung feststellt (Schritt 97 von Fig. 15). Das Programm nimmt den Absolutwert von VC1, das Ausgangssignal des Bandpaßfilters (Fig. 20), und steckt ihn in die 2-Byte-Variable AVC1 168. Wenn der Raum für mehr als eine vorbestimmte Zeit (beispielsweise 16 Sekunden, gemäß Festlegung in der Bedingung 169) belegt war, wird das höherwertige Byte von AVC1 um 1-Bit dekrementiert 170, und dessen niederwertigeres Byte darin um 128 inkrementiert 172; anderenfalls wird dessen niederwertiges Byte um 32 inkrementiert 173, wie es in der Bedingung festgelegt ist 171. Dieses bedeutet, daß AVC1 leicht abwärts geht, wenn der Raum für mehr a&sub1; s 16 Sekunden belegt war, was das Auftreten einer wiederholten Falschauslösung des Sensors verringert. Das Register BPAVE erhält den laufenden Mittelwert von AVC1 SSGAIN, die aktuelle Empfindlichkeit 174 und wird dann beschnitten 175, um zu einer Reduzierung einer Falschauslösung aufgrund von Windstörungen beizutragen.
Wenn das mit SSGAIN multiplizierte AVC1 größer oder gleich als der Schwellenwert ist, welcher üblicherweise bezogen auf BPAVE, wie in der Bedingung bestimmt 176, definiert ist, hat der Sensor eine Bewegung detektiert. Wenn der Sensor eine Doppel-Technologie-Einheit ist, prüft er dann das Ausgangssignal des PIR-Detektors, um zu sehen, ob dieser auch einen Schwellenwert überschreitet 177; falls ja, wurde eine Bewegung detektiert. (Man beachte, daß ein reiner PIR-Sensor alle Ultraschallfilterungsschritte 136 bis 157 und 168 bis 176 überspringen würde und lediglich die Bedingung 177 als Kriterium für die Bewegungsdetektion verwenden würde) Das Programm setzt den Bewegungszeitgeber zurück und schaltet die Statusanzeige 178 ein. Wenn der Sensor ein Relais aufweist und es mindestens zwei Sekunden her ist, daß es einen Einschaltimpuls erhielt, sendet der Sensor nochmals einen Impuls 179; wenn das Relais aus irgendeinem Grunde in der Aus- Position hängen bleibt, schaltet dieser es wieder ein. Ein Sensor, welcher parallel zu einer Anordnung weiterer Sensoren arbeitet, könnte sein Belegungssignal an eine zentrale Steuerungsstation senden, statt die Last selbst einzuschalten.
Wenn die Bewegung größer ist (d. h., die Bewegung passiert unmittelbar den Sensor, wie durch die Bedingung bestimmt 180), setzt das Programm den Selbstanpassungszeitgeber 181 zurück. Schließlich werden die Filterregister gelöscht, 182. Wenn der Sensor keine Bewegung detektiert 176, prüft er dann, ob der Zustandsindikator lange genug eingeschaltet war 183; wenn dies der Fall ist, wird er gelöscht, 184. Wenn die Beleuchtungskörper ausgeschaltet sind 185, und ein Bruchteil der Schwelle kleiner oder gleich als AVC1 * ONGAIN ist (der Verstärkungsfaktor bei eingeschalteten Beleuchtungskörpern) 168, wird der Selbstanpassungszeitgeber zurückgesetzt 187. Eine ähnliche Routine kann zur Rücksetzung eines unabhängigen Selbstanpassungszeitgeber für ein PIR-Element verwendet werden, da eine einen Infrarot-Sensor nahe passierende Wärmequelle ebenfalls eine große Signatur ergeben würde. Der Mechanismus einer automatischen Empfindlichkeitseinstellung wird detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 31 und Fig. 32 diskutiert.
Der Sensor liest die Zeitgeberanpassungseinstellung aus 188. Wenn die Beleuchtungskörper eingeschaltet sind 189, wird der Selbstanpassungszeitgeber auf einen Zeitablauf in nochmals der Hälfte des Zeitablaufs des Belegungszeitgebers gesetzt 190. Wenn die Zeitgeberanpassung auf unter eine Minute gesetzt ist 191, wird der Statusindikator aktiviert 192. Dieses Merkmal ist für Sensoren vorgesehen, welche in öffentlichen Bereichen installiert werden; der Indikator ist noch für den Installateur vorhanden, welcher während der Installation üblicherweise den Zeitablauf auf Minimum setzt, wobei dieses aber während des gewöhnlichen Betriebs deaktiviert ist, so daß Spaßvögel nicht durch die blinkende LED angezogen werden und an der Vorrichtung herumspielen. Wenn der Belegungszeitgeber abgelaufen ist 193, wird der Raum als nicht belegt erklärt und der Sensor schaltet die Beleuchtungskörper aus 194.
Der Sensor aktualisiert seinen Empfindlichkeitswert gemäß Darstellung in Fig. 24 (Schritt 98 von Fig. 15). Zuerst liest der Sensor die Einstellung der Empfindlichkeitsanpassung, 195. Wenn sich diese Einstellung seit dem letzten Durchlauf durch die Hauptschleife verändert hat 198, oder wenn das Programm zum ersten mal die Hauptschleife durchläuft 196, setzt der Sensor den Empfindlichkeitswert auf den, welchen der Benutzer wählt 197. Wenn keines diese Ereignisse aufgetreten ist und der Selbstanpassungszeitgeber abgelaufen ist 199, ist es Zeit die Empfindlichkeitseinstellung zu verändern. Wenn die Last noch mit Energie versorgt wird, wenn der Selbstanpassungszeitgeber abläuft 200, war die Last für über 150% der Zeitablaufseinstellung ohne jede größere Eintrittsbewegung in den Raum eingeschaltet, da der Selbstanpassungszeitgeber zurückgesetzt wird, wenn eine solche Bewegung auftritt 181. In jedem Raum, von dem angenommen wird, daß er nur kurzzeitig belegt ist, wie z. B. eine Toilette, bedeutet diese möglicherweise, daß der Sensor fehlerhaft eine Raumbewegung auf der Basis einer Flurbewegung detektiert und das es Zeit ist, die Empfindlichkeit stark zu reduzieren 202.
Wenn der Raum als nicht belegt angesehen wird, und kein Umgebungsgeräusch oder Flurverkehr das Belegungssignal selbst nur auf einen Bruchteil des Schwellenwertes ansteigen ließ (was den Selbstanpassungszeitgeber zurückstellen würde 187) ist es Zeit die Empfindlichkeit leicht zu erhöhen 2O1. D. h., der Sensor verringert seine Empfindlichkeit rasch bis zu einem Punkt, wo er nicht fehlerhaft eine Bewegung detektiert und steigert dann die Empfindlichkeit langsam und konservativ. Wenn sich die Empfindlichkeit entweder aufgrund einer Benutzereinstellung oder aufgrund der automatischen Anpassung verändert hat, wird der Selbstanpassungszeitgeber zurückgesetzt, 203.
Eine automatische Verstärkungsrücksetzung (AGS) ist eine einfache Möglichkeit zur Verringerung einer Falschauslösung durch Flurverkehr, wie es in Fig. 25 (Schritt 99 von 15) dargestellt ist. Wenn ein Raum für einige Sekunden nicht belegt war 204, ist es nicht wahrscheinlich, daß der Sensor irrtümlich die Beleuchtungskörper abgeschaltet hat; wenn jemand noch in dem Raum war, wird er sicher einige Bewegungen gemacht haben, um den Sensor zu aktivieren und die Lichter wieder anzuschalten. Da die Lichter ausgeschaltet blieben, fand keine derartige Bewegung statt und so vertauscht das Programm die Werte von TEMP&sub1; und TEMP&sub2; 205, die Eingangsvariablen des Bandpaßfilters. Dieses kehrt die Richtungsvorspannung des Sensors um, so daß er nun empfindlicher auf eine davon weggehende Bewegung ist. Was nützlich ist, da eine darauffolgende Eintrittsbewegung von dem in der Nähe eines Eingangs montierten Senders weg gerichtet ist; die umgekehrte Vorspannung erlaubt eine rasche Detektion der Eintrittsbewegung. Der Sensor verringert auch die Empfindlichkeit auf einen festen Bruchteil von ONGAIN, 206, ein Register, welches den Vor-AGS-Empfindlichkeitspegel speichert. Dieses macht es möglich, die Empfindlichkeit des Sensors zu verringern, ohne irgendwelche Anpassungen an seinem Verstärkungsfaktor zu verlieren, welche durch die automatische Empfindlichkeitsanpassung gemacht wurden.
Fig. 26 repräsentiert Nulldurchgangs-Schalt- und automatischen Zeitgeberanpassungs-Routinen, welche beide auftreten können, wenn der Sensor gerade die Belegung in einem zuvor nicht belegten Raum detektiert hat (Schritt 100 von Fig. 15). Ein Schaltvorgang im Nulldurchgang ist wichtig, um das Relais vor einem Einschaltstromstoß aus den zuvor erläuterten Gründen zu schützen; sie erreicht diesen Zweck, indem sie das Relais so einschaltet, daß sich die Kontakte etwa zur selben Zeit schließen bei der die Wechselspannung an der Last den Nullpunkt durchläuft. Wenn die Beleuchtungskörper ausgeschaltet waren, und der Sensor eine Belegung detektiert 207, wartet das Programm bis die 60-Hz-Detektionsspannung 16 erst tief und dann hoch gegangen ist 208. Sie wartet dann für eine kurze Dauer, welche auf die Schaltzeit des Relais und die Periode der Netzspannung abgestimmt ist 209.
Eine automatische Zeitgeberanpassung erfolgt, wenn der Sensor eine Bewegung innerhalb weniger Sekunden nach der Erklärung, daß der Raum nicht belegt ist, und Ausschaltung der die Beleuchtungskörper detektiert 210. In einem solchen Falle ist das, was sich ereignet hat, wahrscheinlich das, daß der Zeitgeber zu kurz eingestellt war und der Sensor die Beleuchtungskörper ausschaltete, während der Raum noch belegt war. Die überraschte Belegungsperson würde dann eine Bewegung machen, um die Beleuchtungskörper wieder anzuschalten. Der Sensor erhöht daher die Einschaltzeitdauer der Beleuchtungskörper leicht, um das Wiederauftreten des Vorfalls zu verhindern 211. Schließlich setzt der Sensor die Relais auf den gewünschten Zustand 212.
Die Interrupt-gesteuerten Sendertreiber von Fig. 27 werden jedesmal aufgerufen, wenn die Software einen entsprechenden Interrupt erzeugt; sie macht dieses mit der Senderfrequenz. Diese Unterbrechungen können an jedem Punkt in dem Programm auftreten, so daß die Sender mit einem ganzzahligen Vielfachen der Abtastfrequenz betrieben werden können. Es wäre besser mit der Senderfrequenz oder höher abzutasten, aber dieses ist selbst für die schnellsten derzeit auf dem Markt erhältlichen Mikrocontroller nicht möglich. Die Interrupt-Routine speichert zuerst die Inhalte des Akkumulators und aller wichtigen Register (z. B. des Statusregisters) im Speicher 213, um deren Inhalte zu sichern. Wenn das Programm bereit ist, das Ultraschallbelegungssignal abzutasten 214, tastet der Sensor dieses ab 215. Das Programm kehrt dann die Spannung an jeden der Sender um, um diese anzusteuern. Die Inhalte der Akkumulatoren und Register werden dann wieder zurückgeholt 217, so daß das Programm seine Funktion dort fortsetzten kann, wo es verlassen wurde. Die Interrupt-Routine kehrt dann zu dem Hauptprogramm zurück 218 (Fig. 15).
Das in Fig. 20 beschriebene Bandpaßfilter ist ein einfaches digitales Echtzeitfilter. Die Eingangsvariablen für das Filter sind AD&sub1; und AD&sub2;, die Quadraturabtastwerte des empfangenen Signals, und AD1LP und AD2LP, die Tiefpaßversionen von AD&sub1; bzw. AD&sub2;:
AD1LP = 1/2 z&supmin;¹AD1LP + 1/2 AD&sub1;
AD2LP = 1/2 z&supmin;²AD2LP + 1/2 AD&sub2;
Die z-Transformationsgleichungen für die zwei Ausgangsvariablen sind:
VC1 = z&supmin;¹VC1(1 - a&sub2;a&sub3;) - a&sub3;[IL1 - b&sub2;(AD&sub2;-AD2LP)]
L1 = z&supmin;¹IL1 + a&sub1;[VC1 - b&sub1;(AD&sub1;-AD1LP)]
Typische Werte für die Koeffizienten sind: b&sub1; = 8
b&sub2; = 16
a&sub1; = 1/2
a&sub2; = 1/8
a&sub3; = 3/8
wobei jedoch auch andere Werte ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung verwendet werden können.
Das Ausgangssignal eines derartigen Filters ist in Fig. 28 dargestellt. Man beachte, daß sich die Verstärkungsfaktoren für Dopplerverschiebungen, die eine Bewegung auf den Sensor zu 220 und davon weg 221 anzeigen, unterscheiden, was zu einer Richtungsvorspannung führt. Dieses ist eine aus dem vorstehend beschriebenen Gründen nützliche Eigenschaft. Klimaanlagengeräusche weisen tendenziell eine niedrigere Frequenz als eine zulässige Bewegung auf und es stellt den schlechtesten Fall dar, wenn diese direkt auf den Sensor bläst, so daß der Verstärkungsfaktor in dem Bereich 219 in der Frequenzantwort des Filters niedriger als der in den Bereichen 220 oder 221 sein sollte. Die Verstärkung bei der Sendefrequenz 222 muß so nahe wie möglich an Null sein, da eine Reflexion bei dieser Frequenz keine Dopplerverschiebung und somit keine Bewegung anzeigt. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 20 erwähnt, kann es gelegentlich erwünscht sein, die Richtungsvorspannung des Bandpaßfilters umzukehren. Diese kann durch Veränderung der Filterparameter a&sub2; und a&sub3; erfolgen.
Ein Selbsttest ist in Fig. 29 dargestellt. Der innerhalb eines Raumes angeordnete Ultraschallsensor 223 muß einen vollständigen Signalpfad 224 aufweisen, um korrekt zu funktionieren; wenn keines der Ausgangssignale jemals den Empfänger erreicht, kann er keine Dopplerverschiebung in einem nicht existierenden Echo detektieren und der Sensor funktioniert nicht. Daher kann ein Sensor in Intervallen kurzzeitig mit dem Senden von Schall aufhören und dann auf eine kurze Zunahme oder Abnahme in der Echointensität gemäß Darstellung in Fig. 30 hören. Wenn der Signalabfall 225 nicht innerhalb einiger weniger Zehn Millisekunden empfangen wird, muß der Signalpfad unvollständig sein, entweder aufgrund einer Fehlfunktion der Senderschaltung, einer Blockierung der Empfängerapertur oder eines Ausfalls der Empfängerschaltung.
Eine automatische Empfindlichkeitsanpassung ist primär in Umgebungen nützlich, in welchem man einige bestimmte Annahmen über das Belegungsmuster des kontrollierten Raumes machen kann; anderenfalls kann der Sensor nicht unterscheiden, wann er seine Empfindlichkeit verringern oder erhöhen sollte. Das in Fig. 24 dargestellte spezielle Verfahren nimmt zwei Zustände an welche beispielsweise für Toiletten oder andere kleine Räume, welche keine Büroräume sind, zutreffen:
Die Belegung ist kurzzeitig, üblicherweise nicht länger als 10 Minuten und in keinem Falle länger als 150% der vom Benutzer eingestellten Ablaufzeit.
Der Sensor ist in der Nähe der Tür befestigt, so daß eine Eintrittsbewegung eine große Signatur ergibt.
Da der Sensor in einem Raum nahezu jeder Größe und Konfiguration installiert werden kann, sollte ein gewisser festgelegter Pegel an Rücklaufsignal vorhanden sein, welcher als ein Eintrittsbewegungs-Schwellenwert wirkt: jede Eintrittsbewegung in einen beliebigen Raum ergibt diesen Signalpegel oder darüber, während jeder Flurverkehr in einem beliebigen Raum nicht einen derart hohen Signalpegel ergibt.
Dieses tritt am wahrscheinlichsten innerhalb eines Sensors auf, der in der Nähe des Türweges montiert ist.
Der Sensor kann daher sicher seine Empfindlichkeit tieferstellen, wenn die Beleuchtungskörper für über 150% der Zeitablaufsdauer ohne Eintrittsbewegung eingeschaltet waren. Man betrachte, daß exemplarische Belegungsmuster von Fig. 31, in welcher die Empfindlichkeit 256 anfangs so hoch ist, daß der Sensor aufgrund eines Flurwegverkehrs falsch auslöst. Da die Zeitablaufsdauer in diesem Falle auf 15 Minuten gesetzt ist, wartet der Sensor 22,5 Minuten, bevor er die Empfindlichkeit auf einen niedrigeren Pegel zum Zeitpunkt 227 reduziert. In diesem Beispiel ist die Schwelle der Bewegungsdetektion 228, welche sich durch diesen Empfindlichkeitspegel ergibt, immer noch zu hoch, so daß der Sensor die Empfindlichkeit 226 noch weiter zum Zeitpunkt 229 reduziert. Die Detektionsschwelle 228 ist nun hoch genug, daß der Sensor den Flurverkehr nicht berücksichtigt. Die Eintrittsbewegung zum Zeitpunkt 230 reicht aus, um die Beleuchtungskörper eingeschaltet zu halten, da sie jedoch gleich den minimalen Pegel 231 ist, bei welchem der Sensor das Signal als Eintrittsbewegung betrachtet, wird der Selbstanpassungszeitgeber zurückgesetzt (siehe 181 in Fig. 23B). Schließlich läuft die Sensorzeit zum Zeitpunkt 232 ab und die Beleuchtungskörper gehen ohne Berücksichtigung weiteren Flurverkehrs aus.
Der Sensor kann wesentlich konservativer bei der Erhöhung seiner Empfindlichkeit sein, da eine Periode einer Inaktivität über ein Wochenende oder Ferien, nicht eine Erhöhung der Empfindlichkeit bis zu dem Punkt zulassen sollte, wo sie zu einer Falschauslösung neigt. Fig. 32 stellt ein Verfahren dar, mittels welchem dieses erfolgen kann. Das Programm setzt eine Schwelle für ein Hintergrundgeräusch 233, in diesem Falle einen Bruchteil der Schwelle der Bewegungsdetektion 234. Wenn der Sensor mehrere Stunden arbeitet und niemals ein diesen Schwellenwert überschreitendes Belegungssignal sieht, ist es sicher, die Empfindlichkeit 235 leicht anzuheben, wie es der Sensor zu dem Zeitpunkt 236 macht. Diese verringert jedoch die Schwelle für das Hintergrundgeräusch 233 auf einen Punkt, bei welchem das Belegungssignal 237 diesen von Zeit zu Zeit überschreitet; das Programm setzt daher den Selbstanpassungszeitgeber so häufig zurück, daß er niemals abläuft und die Empfindlichkeit 235 nicht weiter erhöht wird.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Last als Funktion der Belegung eines Raums, wobei akustische Energie in den Raum übertragen wird von dem Raum reflektierte akustische Energie empfangen wird, und Detektorsignale, welche eine Bewegung innerhalb des Raums anzeigen als Antwort auf die empfangene akustische Energie erzeugt werden, mit den Schritten:

Übertragen der akustischen Energie in den Raum zu gesteuerten Zeitintervallen;

Digitalisieren (97) der als Antwort auf die empfangene akustische Energie erzeugten Detektorsignale, um eine Reihe digitaler Abtastwerte bei steuerbaren Abtastintervallen zu erzeugen, welche mit den gesteuerten Zeitintervallen synchronisiert sind;

Verarbeiten (97) der Reihe der digitalen Abtastwerte, um jede Veränderung in der Frequenz zwischen aufeinanderfolgenden digitalen Abtastwerten zu ermitteln um dadurch eine Dopplerverschiebung zwischen der übertragenen akustischen Energie und der empfangenen akustischen Energie zu bewerten und um ein Signal zu erzeugen, daß eine Belegung des Raums auf der Basis der Dopplerverschiebung anzeigt; und automatisches Einschalten und Ausschalten (100) der elektrischen Last als Antwort auf das Signal, welches die Belegung anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einer Detektion (177) infraroter Energie innerhalb des Raums, wobei der Erzeugungsschritt (94 bis 96) ferner das erzeugende Detektorsignal auch als eine Funktion der detdktieren Energie umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verarbeitungsschritt die Verarbeitung (97) der Reihe von digitalen Proben als eine Funktion einer Belegungshistorie des Raums aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Verarbeitunsschritt die Einstellung (98) eine Empfindlichkeit für der Ermittlung für die Belegung des Raums aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Verarbeitungsschritt die automatische Einstellung (98) der Empfindlichkeit als eine Funktion einer Historie des Belegungssignals aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Verarbeitungsschritt ferner, die Einstellung (98) der Empfindlichkeit als eine Funktion vom Benutzer einstellbarer Parameter aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Verarbeitungsschritt die automatische Einstellung (98) der Empfindlichkeit als eine Funktion einer Größe des Raums aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Verarbeitungsschritt (97) die Analyse der Reihe digitaler Abtastwerte aufweist, um eine Bewegungsrichtung innerhalb des Raums festzustellen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches ferner eine Verrauschung des Belegungssignals vor dem Digitalisierungsschritt aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der automatische Einschalt- und Ausschaltschritt (100) eine Erfassung eines Null-Durchgangs eines Wechselstroms beinhaltet, der die Last versorgt und die Last im wesentlichen gleichzeitig mit dem Null-Durchgang einschaltet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches ferner die automatische Initialisierung einer Selbsttestprozedur (93) aufweist, welche umfaßt:

Unterbrechen (120) der Übertragung akustischer Energie in den Raum für eine vorbestimmte Zeit, und

Anschließendes Detektieren (124) von dem Raum reflektierter akustischer Energie, um ein Testsignal zu erzeugen; und das Analysieren (124) eines Betriebs der Übertragungs-, Empfangs- und Erzeugungsschritte als eine Funktion des Testsignals.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welches ferner die Detektion eines Spitzenwertes des eine Belegung des Raums anzeigenden Signals und eine Verarbeitung des Spitzenwertes zur Bestimmung der Belegung des Raums aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches ferner die Detektion eines Spitzenwertes der akustischen Energie aufweist, welche von dem Raum im wesentlichen synchron zu der Übertragung der akustischen Energie in den Raum reflektiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der automatische Einschalt- und Ausschaltschritt (100) aufweist das Einschalten der Last im wesentlichen gleichzeitig mit der Erzeugung des Signals, welches die Belegung anzeigt; und das Ausschalten der Last nach einer steuerbaren Ausschaltzeit.

15. Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner die Einstellung der steuerbaren Ausschaltzeit als eine Funktion einer Historie des Belegungssignals aufweist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welches ferner die Erfassung eines Umgebungszustandes des Raums aufweist, wie z. B. des Umgebungslichts unter Temperatur, und dem Einschalt- und dem Ausschaltschritt gemäß den Umgebungsbedingungen und gemäß dem Signal, das eine Belegung anzeigt steuert.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Erfassungsschritt die Erfassung des Umgebungslichts und der Umgebungstemperatur in dem Raum als die Umgebungsbedingung aufweist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der digitalisierungsschritt die Abtastung des Detektorssignals in Quadratur synchron zu den gesteuerten Zeitintervallen aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Verarbeitungsschritt eine Bewegung innerhalb des Raums als eine Funktion der in Quadratur mit den gesteuerten Zeitintervallen synchronisierten Abtastwerte unterscheidet.