Sẽ như thế nào khi công nghệ cảm biến tích hợp PIR và sóng Radar?

Bởi Hà Thu

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, công nghệ cảm biến và những ứng dụng đang đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong nhiều lĩnh vực: y tế, hàng hải, hàng không, công nghiệp sản xuất, IoT,… Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cảm biến với nguyên lý hoạt động khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng. Trong đó phải nhắc tới cảm biến hồng ngoại PIR và cảm biến radar được ứng dụng phổ biến trong nhà thông minh, các cơ sở thương mại, hành chính,… để nhận diện con người và từ đó đưa ra phản hồi tự động bật/tắt đèn, đóng/mở cửa,…

Tuy nhiên, cảm biến hồng ngoại PIR và cảm biến sóng radar có nguyên lý hoạt động và sở hữu những ưu nhược điểm khác nhau. Vậy một sản phẩm cảm biến được tích hợp cả PIR và sóng radar sẽ có gì nổi bật? Hãy cùng Lumi tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây?

1. Cảm biến hồng ngoại PIR là gì? 

Cảm biến hồng ngoại là loại cảm biến thụ động có tên tiếng anh là Passive Infrared hay thường biết tới là PIR. Đây là loại thiết bị điện tử có thể nhận các tín hiệu hồng ngoại được phát ra từ con người, động vật hay các nguồn nhiệt bất kỳ.. 

Nguyên lý hoạt động của cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR khá đơn giản. Loại cảm biến này sử dụng một cặp cảm biến nhiệt để phát hiện ánh sáng hồng ngoại từ môi trường xung quanh. Hai cảm biến này được thiết kế nằm cạnh nhau để tạo sự chênh lệch về tín hiệu từ đó xác định chuyển động.

Có 2 vùng phát hiện hồng ngoại tương ứng với 2 đầu cảm biến của đầu dò. Khi có nguồn nhiệt đi qua, ánh sáng hồng ngoại từ nguồn nhiệt hội tụ lại vào một trong hai cảm biến bằng cách sử dụng thấu kính Fresnel. Những thấu kính này giúp mở rộng vùng cảm nhận của cảm biến và được đặt bao phủ bên ngoài cảm biến. Cảm biến nhận ánh sáng hồng ngoại và xuất tín hiệu ngõ ra. Tín hiệu này được cho vào mạch khuếch đại và xử lý để tạo thành tín hiệu điều khiển cho các ứng dụng. 

1.1. Ưu điểm của cảm biến hồng ngoại PIR

Dựa vào nguyên lý hoạt động của mình, cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật: 

• Cảm biến PIR có khả năng nhận biết chuyển động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ, do đó có độ nhạy cao đối với chuyển động của người và động vật trong phạm vi hoạt động. 

• Góc quét có thể điều chỉnh bằng cách sử dụng mắt che cho PIR
• Không bị ảnh hưởng bởi rèm cửa và quạt gió

1.2. Nhược điểm của cảm biến hồng ngoại PIR

Cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR sở hữu nhiều ưu điểm nhưng cùng tồn tại nhiều hạn chế cần khắc phục để không ảnh hưởng tới người sử dụng. Cụ thể: 

• Cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR không cảm biến xuyên vật cản
• Do phụ thuộc và nhiệt độ để cảm biến nên ở môi trường có nhiệt độ cao (gió nóng, thời tiết, ánh sáng trực tiếp,điều hòa), cảm biến trở nên kém nhạy và dễ truyền thông tin sai cho các thiết bị khác
• Cảm biến hồng ngoại PIR nhanh nhạy trong việc phát hiện các chuyển động của con người hoặc động vật lớn, còn đối với các chuyển động nhỏ hoặc chậm có thể không được nhận diện. 
• Cảm biến PIR có góc nhìn hạn chế, thường góc hẹp; vì vậy nó thường chỉ phát hiện chuyển động trong một phạm vi nhất định và không thể phát hiện chuyển động ở các góc rộng hơn. 

2. Cảm biến sóng radar là gì? 

Cảm biến sóng radar hay còn được gọi là cảm biến vi sóng hoạt động dựa trên hiệu ứng doppler, tần số 5.8Ghz dưới 10m sẽ nhận tín hiệu và phát tín hiệu phản hồi khi ghi nhận có người chuyển động qua. Trong lĩnh vực IoT, đặc biệt nhà thông minh thường cảm biến vật thể ở khoảng cách gần, với chuyển động nhỏ nên yêu cầu tần số và băng thông phải đủ lớn để có thể phát hiện chuyển động và những cử chỉ phức tạp.

Hiện nay, các dòng cảm biến ứng dụng trong nhà thông minh ưu tiên công nghệ radar vận hành ở tần số 24Ghz và 60Ghz để cảm biến phát hiện người trong phòng, theo dõi người và phân vùng, cũng như giám sát từ xa dấu hiệu sống của con người. 

Cảm biến sóng radar sử dụng tần số sóng cho phép tạo ra chùm tia rất hẹp để phát hiện cả các vật thể nhỏ, không có sự can thiệp từ các vật thể lân cận trong khoảng cách lớn. Đặc biệt, cảm biến radar luôn ở trạng thái chủ động, phát xung và nhận phản hồi, ước tính tốc độ, hướng và phạm vi mục tiêu, từ đó đưa ra phản hồi nhanh và chính xác. 

Nguyên lý hoạt động của cảm biến radar không tiếp xúc không phức tạp như nhiều người nghĩ. Đơn giản chúng ta chỉ cần cấp cho thiết bị đo mức radar nguồn 24V, lập tức thiết bị sẽ phát các chùm sóng theo phương thẳng đứng và chạm vào đối tượng. Chùm sóng phản xạ hắt ngược trở lại về đầu cảm biến thông qua bộ phận cảm thụ. Dựa trên thời gian phản xạ và vận tốc biến đổi tần số của sóng radar, cảm biến radar có thể xác định khoảng cách và vận tốc của đối tượng trong phạm vi hoạt động. Sau đó chúng phát tín hiệu điều khiển các thiết bị điện.

Trong IoT, cảm biến radar được sử dụng để thu thập thông tin về chuyển động, vị trí và đặc điểm của đối tượng như con người, phương tiện di chuyển và vật thể khác. Điều này giúp cung cấp dữ liệu quan trọng cho các ứng dụng như giám sát an ninh, quản lý giao thông, kiểm soát hệ thống,…

2.1. Ưu điểm của cảm biến sóng radar

Dựa trên nguyên lý hoạt động, cảm biến sóng radar ghi điểm trong nhiều lĩnh vực trong đó phải kể tới lĩnh vực IoT bởi những ưu điểm sau: 

• Cảm biến sóng radar có thể phát hiện và theo dõi một hoặc nhiều vật thể ở khoảng cách xa, điều này rất hữu ích trong việc giám sát và phát hiện chuyển động trong khu vực lớn
• Độ chính xác của các phép đo radar không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của áp suất, nhiệt độ hay môi trường khắc nghiệt như mưa, sương mù, ánh sáng yếu
• Cảm biến sóng radar cũng không bị ảnh hưởng bởi màu sắc và hình dạng của đối tượng, mang lại tính linh hoạt và độ chính xác cao trong việc phát hiện và đo lường. 
• Thích hợp với các ứng dụng ăn mòn và bẩn

2.2. Nhược điểm của cảm biến sóng radar

Bên cạnh các ưu điểm nổi bật, cảm biến sóng radar cũng có những nhược điểm cần được cải thiện bằng cách kết hợp với nhiều công nghệ khác để mang tới những trải nghiệm tốt cho người dùng:

• Sóng Radar không tiếp xúc bị ảnh hưởng bởi bề mặt chất lỏng, nếu chất lỏng dao động thì sóng tín hiệu đưa về không chính xác do bề mặt sóng âm bị phân tán.
• Cảm biến radar có thể phát hiện được những chuyển động nhỏ như hơi thở, rèm cửa, quần áo kết hợp gió… vì vậy nó có thể bị ảnh hưởng bởi một số chuyển động từ môi trường.
• Có khả năng phát hiện xuyên các vật liệu không dẫn điện như gỗ, kính, thạch cao
• Cảm biến sóng radar tiêu thụ năng lượng khá lớn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục. Do đó nó luôn cần cung cấp nguồn năng lượng đủ mạnh để duy trì hoạt động của cảm biến
• Phép đo của cảm biến radar có thể bị ảnh hưởng bởi bọt. Radar sẽ có xu hướng không phản xạ với môi trường giao động mạnh hoặc có bọt nhẹ và thoáng. Bởi vì nó hiểu rằng bọt chính là mức chất lỏng.

3. Cảm biến tích hợp PIR và sóng Radar có gì đặc biệt? 

Xuất hiện từ những thập kỷ trước, cảm biến hồng ngoại PIR đang được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực nhà thông minh như dùng để điều khiển thiết bị chiếu sáng, hệ thống cảnh báo an ninh,… Tuy nhiên sau thời gian triển khai, dòng cảm biến này đã xuất hiện một số hạn chế như nhiễu từ, phạm vi cảm biến hạn chế,…

Ví dụ như khi lắp đặt cảm biến trong nhà vệ sinh hoặc phòng đọc sách, người dùng cần phải ở trong phạm vi quét của cảm biến hồng ngoại PIR và chuyển động, để đảm bảo cảm biến luôn nhận được tín hiệu và phát lệch tới đèn. Trường hợp ngồi 1 vị trí quá lâu, cảm biến PIR không nhận được tín hiệu có chuyển động trong phạm vi quét sẽ tự động báo tắt đèn, lúc này người dùng cần phải chuyển động tay để đèn được mở trở lại..

Trong khi đó, công nghệ cảm biến sóng radar sở hữu những ưu điểm có thể khắc phục những hạn chế tồn tại của cảm biến hồng ngoại nhờ khả năng thông báo chính xác về sự hiện diện hay vắng mặt của con người trong không gian xác định, bất kể tốc độ và biên độ di chuyển.

Cảm biến radar còn nhạy đến mức có thể phát hiện chính xác nhịp thở của con người để đưa ra phản hồi chính xác cho các thiết bị điện trong nhà thông minh. Tuy nhiên, cảm biến hồng ngoại PIR lại sở hữu khả năng phân biệt và không bị ảnh hưởng bởi rèm, quạt gió – điểm hạn chế cần khắc phục của cảm biến radar.

Bảng so sánh cảm biến hồng ngoại PIR và cảm biến sóng radar ở môi trường thực tế: 

Có thể thấy, với nguyên lý hoạt động khác nhau, khi tích hợp cảm biến hồng ngoại PIR và cảm biến sóng radar vào cùng một sản phẩm cảm biến, chúng ta sẽ khắc phục được những hạn chế của 2 công nghệ này . Đồng thời mở ra cơ hội mới, nâng cấp các thiết bị/ ứng dụng trong nhà thông minh;cải thiện chức năng, độ chính xác, mức tiêu thụ năng lượng và chi phí của thiết bị/ ứng dụng.

Giờ đây, với chiếc cảm biến tích hợp sóng radar và PIR người dùng hoàn toàn có thể an tâm bố mẹ lớn tuổi, con nhỏ không cần phải “mò mẫm” tìm công tắc trong đêm tối. Hay thoải mái ngồi một chỗ đọc sách, thiền tập mà không bị phiền nhiễu bởi đèn bật/tắt chập chờn do cảm biến bắt tín hiệu không ổn định.