Low-energy pyroelectric motion detection

Abstract

Eksisterende løsninger for bevegelsesdeteksjon har et høyt energikonsum, hvilket gjør dem mindre egnet til IoT (Tingenes internett) applikasjoner. Denne masteroppgaven beskriver en ny alternativ måte å måle signalet, med et betraktelig lavere energiforbruk. Sensorelementet som benyttes er et PIR (Passive InfraRed) element. Det foreslåtte systemet oppnår et energiforbruk beregnet så lavt som 450pW. Til sammenlikning opererer eksisterende lavenergisystemer for PIR-deteksjon med rundt 6uW, mens en vanlig pir-sensor typisk bruker rundt 250 uW.

Metoden for å oppnå dette lave energiforbruket er å "duty-cycle" systemet. I det foreslåtte systemet kontrollerer PIR-elementet ladningen over en kondensator, som tømmes mellom hver måling. Dette er i motsetning til mer standard målemetoder, som går ut på å la PIR-elementet regulere strømmen gjennom en resistor, og måle spenningen over resistoren.

Denne forbedringen i energiforbruk går i liten grad på bekostning av signalets kvalitet, og det er ingen merkbar forverring i ytelse sammenliknet med eksisterende systemer. Signalets kvalitet blir diskutert i detalj. Dette inkluderer diskusjon rundt støykomponenter i systemet, en test-rigg for repeterbare eksperimenter, Spice-simulering, og metoder for signalbehandling. Å lage det foreslåtte systemet innebærer en dekonstruksjon av eksisterende komponenter, da komponentene som benyttes ikke er å få som hyllevare.

Til slutt blir et fullt IoT bevegelsesdetekssjonssystem som benytter den foreslåtte løsningen implementert og diskutert.

Current motion-sensing systems consume a relatively high amount of power, making them less suited for wireless applications. This thesis proposes an alternate measurement system for passive infrared (PIR) motion detection, that significantly reduces the consumed power. This is done while still maintaining a similar quality of the detections.

The method used for achieving this is to duty cycle the system. In the proposed system we let the sensing element control the charge over a capacitor, which is then measured and emptied. This is opposed to the more standard approach of having it control the current flow through a resistor.

For a measurement of a human passing under a ceiling-mounted sensing device, the proposed system achieves a calculated power consumption as low as 450pW. For comparison current low-energy systems for PIR detection consume about 6uW, while a normal PIR sensor generally uses about 250uW.

The quality of the signal from the measurement system is discussed in detail. This discussion involves noise calculations, the creation of a test rig, Spice simulation, and possible signal processing techniques. There is found to be no noticeable loss of performance, even with the improvement in power consumption. Creating the proposed measurement circuit in practice requires the disassembly of an existing sensor element, and this is discussed in some detail.

In the end, a full IoT (Internet of Things) system featuring this measurement system is implemented and described.