Dieser Artikel ist Teil unserer Spezial-Reportage der E&E-März-Ausgabe 2021. Hier geht es zum zugehörigen Spezial-Interview mit Matthias Neumann von Socionext.
Produkte in smarten Umgebungen sind mit einem Netzwerk verbunden und können miteinander interagieren und Dienste anbieten, die menschliches Verhalten erkennen, analysieren und sogar vorhersehen. Mit dieser neuen Generation von technologischen Geräten, bei denen die digitale Transformation im Mittelpunkt steht, wird eine nahtlose Integration der physischen und der digitalen Welt möglich.
Die wichtigsten Elemente sind dabei hochsensible, kompakte, kostengünstige und stromsparende Sensortechnologien, die in verschiedene IoT-Geräte implementiert werden können.
Warum Radarsensoren?
Ein Radarsensor ist ein elektronisches Gerät, das dazu dient, die Position und Bewegung eines Objekts in einer bestimmten Entfernung zu erkennen. Der Erfassungsbereich für eine kurze Entfernung beträgt bis zu mehrere Meter und er kann jedes Objekt erkennen, das in den Erfassungsbereich fällt.
Radarsensoren arbeiten mit elektromagnetischen Wellen, die von Objekten reflektiert werden und sich mit einer bekannten Geschwindigkeit ausbreiten. Sie werden weniger von Schaum, Nebel, Pulver und Staub beeinträchtigt, die die Signale anderer Sensortechnologien stören können. Außerdem können sie hinter nicht-metallischen Oberflächen, Wänden, Glas- oder Kunststoffgehäusen arbeiten. Radarsensoren können den Standort und die Bewegung von Personen erkennen, ohne Bilder oder Töne aufzuzeichnen, und bieten daher Anonymität.
PIR-Sensoren nicht mehr ausreichend
In der Vergangenheit haben viele IoT-Geräte Passiv-Infrarot (PIR) als Sensor zur Bewegungserkennung verwendet. PIRs sind seit Langem auf dem Markt und haben sich gut etabliert. Viele Jahre lang waren sie die einzige Wahl für die Bewegungserkennung in Sicherheitsanwendungen.
Aber PIR-Sensoren haben bestimmte Einschränkungen, die in Smart-Home-Anwendungen nicht wünschenswert sind. PIRs bieten nur eine einzige Art von Daten, nämlich Ein und Aus. Für ein modernes IoT-Gerät in einer „Gesellschaft 5.0“ ist das nicht ausreichend. Moderne Radarsensoren mit FMCW-Sensormodus bieten mehr Informationen als nur Bewegungserkennung Ein/Aus, wie zum Beispiel Entfernung und Anwesenheit. Und falls der Radar mit mehreren Antennen ausgestattet ist, kann der Sensor auch Informationen über den Winkel ausgeben.
Die Radartechnologie ist robuster gegenüber Umwelteinflüssen. Insgesamt haben Radarsensoren viel weniger Fehlerkennungen als PIR-Sensoren. Der Nachteil bei vielen heutigen Lösungen ist jedoch, dass sie oft eine Modulbauweise aus mehreren Komponenten sind. Der Radarsensor ist mit einer externen Antenne verbunden, was tiefgreifendes Know-how des analogen HF-Designs für Antennen- und PCB-Design erfordert. Der Ausgang eines solchen Sensors sind I/Q-Daten, die eine leistungsstarke Signalverarbeitung auf der Host-CPU und Software-Algorithmen zur Berechnung der Entfernung benötigen.
All-in-One- und 24-GHz-Radarsensoren
Vor diesem Hintergrund hat Socionext eine Serie hochintegrierter Single-Chip-Hochfrequenzsensoren für 24 und 60 GHz mit extrem niedrigem Stromverbrauch entwickelt. Die SC1230-Serie umfasst zwei Produkte, die den Standort und die Bewegung von Personen mit einem ultrahohen Grad an Empfindlichkeit erkennen können. Der SC1232AR3 misst die Anwesenheit und die Entfernung eines Objekts, während der SC1233AR3 zusätzlich die Möglichkeit bietet, die Richtung zu erkennen.
Diese Serie ist in der Lage, eine extrem niedrige Leistungsaufnahme in einem ultrakompakten Format von 9 mm x 9 mm zu erreichen, während sie gleichzeitig eine hohe Leistung bietet. Durch die Integration grundlegender Signalverarbeitungsfunktionen in das Sensorgerät wird die Anzahl der externen Komponenten reduziert, was eine einfachere Anwendung ohne spezielle Kenntnisse der Signalverarbeitung ermöglicht.
Das All-in-One-Paket besteht aus einer eingebauten Antenne, einem Funkschaltkreis, einem A/D-Wandler und einer Schaltung zur Entfernungsberechnung und verfügt über eine eingebaute Bewegungserkennungsfunktion, die den Abstand zu einem Objekt erkennt und bei Erkennung einer Bewegung ein Signal ausgibt. Das Erkennungsergebnis kann nach dem Einrichten des Systems von der Host-MCU über I2C/SPI fix ausgelesen werden. Er arbeitet mit einer Leistungsaufnahme von 0,5 mW für die Erkennung von Personen bei einem Tastverhältnis von 0,1 Prozent im Bewegungserkennungsmodus.
Radarsensoren – weitere Details
Mittels des integrierten Spannungsreglers kann der Chip mit einer einzigen Spannungsversorgung von 1,8 V betrieben werden, was die Komplexität des Designs und die BOM-Kosten reduziert. Der SC1232AR3 verfügt über eine digitale Strahlformungsfunktion, die eine Auswahl des Sichtfelds (Field of View, FOV) von entweder 120 oder 95 Grad bietet. Die Reduzierung des FOV auf 95 Grad ermöglicht es dem Radarsensor, in engen Räumen genauer zu arbeiten, da mögliche Reflexionen vermieden werden. Der Erfassungsbereich beträgt 8 m zur Frontseite.
Der SC1233AR3 verfügt über ein duales Empfangsantennensystem, das eine 2D-Winkelerfassung ermöglicht. Das Sichtfeld beträgt 120 Grad mit einem Erfassungsbereich von 8 m in der Frontrichtung. Zur Winkelerkennung gibt er durch das eingebaute Signal Processing vorverarbeitete Daten aus, sodass Winkelinformationen mit einer einfachen Beispielrechnung mit Hilfe einer externen MCU gewonnen werden können.
Effiziente 60-GHz-Breitband-Radarsensoren
Die SC1220-Serie integriert gleich mehrere Antennen für Receiver und Transmitter. Dadurch ist die Serie ideal geeignet für fortschrittliche Anwendungen, bei denen es nicht nur um Detektion und Lokalisierung, sondern auch Klassifizierung von Objekten und Bewegungen geht, wie zum Beispiel die Bedienung von Geräten durch Handgesten.
Durch die sehr hohe Bandbreite von bis zu 6,8 GHz können Bewegungen im Millimeterbereich erfasst werden. Sie arbeiten mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme von 1 bis 2,5 mW, sind sehr hoch integriert und einfach zu bedienen und beinhalten Antennen, Signal Processing, einen FIFO-Speicher, eine SPI-Schnittstelle und einen intelligenten Sequenzer zur Leistungssteuerung.
Wie auch die anderen Chips erfordern sie kein spezielles HF-Know-how. Der SC1220AT2 ist in der Lage, dreidimensionale Bewegungen wie das Heben und Senken der Hände oder Fingerbewegungen einer Person zu erkennen. Der SC1221AR3 bietet eine hochpräzise Erkennung von zweidimensionalen Bewegungen und erkennt gleichzeitig mehrere bewegte Objekte innerhalb eines festgelegten Bereichs von bis zu 10 m.
Ein Zukunftsausblick
Diese Sensorgeräte repräsentieren die Art von intelligenten Geräten, die benötigt werden, um auf dem Weg zur superintelligenten Gesellschaft – der „Society 5.0“ – voranzukommen und so den wirtschaftlichen Fortschritt mit der Lösung sozialer Probleme durch ein System ausgleicht, das den Cyberspace und den physischen Raum hochgradig integriert. Socionext erforscht das Potenzial neuer Sensortechnologien und entwickelt neue Radarsensorprodukte, um deren Einsatz nicht nur für Heimanwendungen, sondern auch für mobile Geräte, Industrieanlagen, Automobilbau, Sicherheit und Überwachung zu erweitern.
