Eine der Grundlagen der Gebäude- und Industrieautomation sind Sensoren. Sie erkennen unter anderem die Anwesenheit von Objekten und deren Entfernung und Geschwindigkeit und geben diese Informationen an die Steuerung weiter. Diese kann die Funktion, zum Beispiel einer Industrieanlage, dann dementsprechend anpassen. Oft werden dafür Radarsensoren verwendet. Sie emittieren elektromagnetische Wellen und erfassen Objekte mit verschieden physikalischen Prinzipien, wie Doppler, FSK-Doppler (Frequency Shift Keying) und FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave).
Nicht jedes dieser Messverfahren eignet sich für alle Einsatzgebiete. Deshalb ist es oft sinnvoll Sensoren mit unterschiedlichen Verfahren zu kombinieren. Früher war dafür der Einsatz mehrerer Sensoren nötig. Mittlerweile gibt es Module, die verschiedene Messverfahren in sich vereinen.
Dopplersensoren emittieren Mikrowellen mit einer bestimmten Frequenz über eine Sendeantenne und empfangen die vom Objekt reflektierte Welle über eine Empfangsantenne. Die Frequenz der reflektierten Welle wird durch die Bewegung des reflektierenden Objekts über den Doppler-Effekt verändert. Der Sensor wertet diese Veränderung aus und erfasst dadurch die Geschwindigkeit des Objekts. Reine Doppler-Module sind zum Beispiel das von dem Distributor Codico angebotene NJR4265 des japanischen Herstellers New Japan Radio (NJR). Es arbeitet im 24-GHz-Band. Die Antenne sowie die MCU sind in das Modul integriert. Als Schnittstelle für die Kommunikation steht ein UART-Interface (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) zur Verfügung. Ausgelegt ist das NJR4265 für die Detektion von Objekten mit geringem Abstand, in etwa 10 m, zum Sensor, die sich langsam bewegen, wie beispielsweise Fußgänger. Typische Einsatzgebiete sind die Erfassung von Personen, etwa in einem Lager, aber auch die Anwesenheitserkennung in der Gebäudeautomatisierung zur Lichtsteuerung.
Ist eine Distanzmessung nötig, bieten sich FSK-Doppler- und FMCW-Sensoren an. FSK-Dopplersensoren verwenden für die emittierte Welle zwei verschieden Frequenzen, welche in einem vordefinierten Zeitintervall abwechselnd ausgesandt werden. Auch bei ihnen ist die Doppler-Frequenz proportional zu der Geschwindigkeit des Objektes. Die zwei unterschiedlichen Frequenzen erzeugen zwei verschiedene Doppler-Frequenzen, welche eine Phasenverschiebung aufweisen. Über diese Phasenverschiebung kann die Distanz zum Objekt erfasst werden. Das ist allerdings nur möglich, solang sich das Objekt bewegt. Steht es still, lässt sich die Entfernung nicht ermitteln.
Mehrere Messprinzipien in einem Modul
Bei FMCW werden Mikrowellen mit einer sich linear ändernden Frequenz emittiert. Die reflektierte Welle weist eine Zeitverzögerung auf. Diese ist proportional zur Distanz und kann somit vom Sensor ausgewertet werden. Sind für eine Anwendung sowohl FSK-Doppler- als auch FMCW-Sensoren notwendig, eignen sich dafür Kombimodule die beide Messprinzipien vereinen. Codico bietet dafür zum Beispiel das NJR4234 an. Auch bei ihm sind die Antenne und der Mikrocontroller on Board. Zur Anbindung steht eine serielle Schnittstelle zur Verfügung. Sie überträgt sowohl Parameter an das Modul als auch Information vom Modul an den Host. Je nach erforderlichem Detektionsbereich gibt es zwei Versionen, eine für 5 und eine für 30 m. Das NJR4234 eignet sich unter anderem für Sicherheitsbereiche, beispielsweise zur Kollisionsdetektion.
Zusammenfassend sind somit folgende Messungen möglich: Mit dem Doppler-Prinzip kann ein bewegtes Objekt und seine Geschwindigkeit über einen großen Bereich gemessen werden. FSK-Doppler bieten die Möglichkeit, Entfernung und Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zu ermitteln. Ein stationäres Objekt ist für den Sensor allerdings nicht erfassbar. Mit FMCW ist es möglich, stationäre Objekte und deren Entfernung zu messen.
