IR Lichtschranke mit Controller-Auswertung

  • Moinsen,

    nachdem ich nun den einen Teil in meinem Mammut-Projekt dank dieses Forums lösen konnte, komme ich euch gleich mal mit der nächsten Frage ;)

    Wie würdet ihr grundsätzlich an die Aufgabenstellung herangehen ?
    Eine Meldeeinrichtung wird benötigt. Diese soll die Personenbewegung in einem schmalen Zugangsbereich registrieren. Da paßt wirklich nur eine erwachsene Person durch. Somit sind Bewegungsdopplungen durch einen zeitgleichen Gegenverkehr ausgeschlossen. Anfänglich habe ich an 2 dicht beieinander angebrachte Lichtschranken gedacht. Dabei möchte ich zu einem, die Personenzahl wissen, die sich hinter diesem Durchgangsbereich befindet, und zum anderen eine getrennte Signalauslösung erhalten, wenn eine Person diesen Bereich wieder verläßt. Somit müßte diese Meldeeinrichtung klar unterscheiden können, in welche Richtung eine Person diesen Durchgang durchquert.
    Zudem möchte ich nicht, daß diese Lichtschranke(n) mit den IR Fähigkeiten einer normalen Smartphone-Kamera aufgeklärt werden kann. Dabei hatte ich an den langwelligen Bereich des IR Spektrums gedacht.
    Weiterhin kritisch sehe ich die Umgebungsbedingungen an, die altertümlich mit Kerzen oder Fackeln erfolgt.

    Bezüglich der Auswerteeinrichtung bin ich noch vollkommen frei in der Umsetzung. Egal ob AVR, PICO, ESP alles ist theoretisch machbar, solange ich ein GPIO Signal für ein PI bekomme, welches nur wissen / gemeldet bekommen muß, wenn eine Person diesen Bereich wieder verläßt.

    Laßt also mal bitte hören, wie ihr an dieses Problem herangehen würdet. Immer frei Raus, laßt die Gedanken mal Sprudeln ;):):danke_ATDE:

    Franky

    PS: Admin: falls ich die falsche Forenrubrik erwischt haben sollte, schiebt den Beitrag einfach dorthin, wo er besser passend würde. Danke.

  • Generell kann man mit jedem IR-Detektor (auch einer Smartphone Kamera) erkennen, ob ein IR-Lichtstrahl im Erfassungsbereich ist. Das lässt sich nur erschweren, wenn der Strahl eng gebündelt ist. Aber wie jeder Lichtstrahl durch Staub, Nebel u.ä. etwas gestreut wird, ist das auch hier der Fall.


    Für die Richtungserkennung benötigt man 2 Lichtschranken in einem Abstand, der kleiner als der kleinste zu erkennende Körper sein muss, jedoch ansonsten nicht zu klein sein darf. Wird jetzt erst Lichtschranke 1 unterbrochen und danach Lichtschranke 2, betritt die Person den Raum, wird dagegen erst Lichtschranke 2 unterbrochen und danach Lichtschranke 1, verlässt die Person den Raum. Aber von jedem Signal muss der Beginn der Unterbrechung und deren Ende für jede der Schranken vorhanden sein. Sonst gibt es die Fälle, dass die Person Lichtschranke 1 betritt und dann wieder zurückgeht ohne dass zwischendurch Lichtschranke 2 unterbrochen wird. Andere Spielart: Lichtschranke 1 wird unterbrochen, dann auch Lichtschranke 2, aber dann kehrt die Person um, ehe sie Lichtschranke 2 verlässt. Alle so möglichen Kombinationen müssen aufgezeichnet werden, sonst ist das System nicht sicher...


    Für die Lichtschranken verwendet man üblicherweise Impulsfolgen, wobei der Empfänger nur diese auswertet - ob sie gekommen sind und nun unterbrochen wurde und ob sie danach wieder empfangen wird. So kann man das Signal der Lichtschranke von anderen Signalen (Kerzenflackern oder Störversuche) unterscheiden. Die Impulsfolgen beider Lichtschranken sollten dabei unterschiedlich sein, damit jeder Empfänger seinen Sender von dem der anderen Lichtschranke unterscheiden kann.

  • Warum soll denn niemand mit einem Handy erkennen können, wo die Lichtschranke ist? Deine Überwachung ist doch nicht etwa illegal?

    Oh, man kann hier unliebsame Nutzer blockieren. Wie praktisch!

  • Warum soll denn niemand mit einem Handy erkennen können, wo die Lichtschranke ist? Deine Überwachung ist doch nicht etwa illegal?

    Es könnte dann jemand versuchen, unerkannt den Raum zu betreten und so die legale Zugangskontrolle zu umgehen. Das sollte man zumindest erschweren.

  • Um was für einen Hochsicherheitstrakt geht es denn da, dass du solche Befürchtungen hast?

    Oh, man kann hier unliebsame Nutzer blockieren. Wie praktisch!

  • Moinsen,

    es sind einige Tage vergangen. ich habe euch nicht vergessen.
    :danke_ATDE: erst einmal für die Antworten.
    Die Tage habe ich genutzt um mich um die Hardware zu kümmern. Mein Fachhändler des Vertrauens hat mir für doch einige Euros ein paar IR Dioden und die dazu passenden Fototransistoren besorgt. Selbst die NoIR PI Kamera sieht nur einen kleinen leuchtenden Punkt, wenn man genau auf diese Black-Diode zielt. Diese LED sieht aus wie eine Standard 5mm LED ist vollkommen schwarz und undurchsichtig. Dankenswerter Weise hat er mir nur die Anschlußwerte auf einen Zettel geschrieben, so daß ich euch nicht einmal eine Typenbezeichnung geben könnte.
    Die Anforderung kann und wird von Handykameras nicht erkannt, ist erfüllt. Weder die Samsung-Modelle die ich zu testen nehmen konnte, noch das IPhone hat etwas erkannt, bzw es war auch nichts zu sehen, wie man es sonst so kennt, diese lila bis rötlichen Leuchtpunkte.
    Der dazu passende Fototransistor ist von der Firma OSRAM und trägt nur die Aufschrift S3. Dieser hat ein Metallgehäuse, mit einer gräulich lila Linse und 3 Anschlüssen. Die Basis sollte ich nicht belegen. Mit den ersten rein auf Unterbrechung ausgerichteten Test bin ich sehr zufrieden. Die Ausrichtung Sender und Empfänger ist schon etwas Twicki , die Richtwirkung wohl auch durch die Linse beim Fototransistor muß schon relativ genau erfolgen.

    Bezogen auf Gnatz Antwort, müßte es also ausreichen, wenn ich diese beiden Lichtschrankensender nur mit einer unterschiedlichen Taktfrequenz fackern lasse ?
    Bezogen auf eine Person, wenn ich diese Lichtschranken etwa oder etwas höher als Hüfthöhe anbringe müßte ich wohl den Abstand zwischen beiden auf ca. 10 cm festlegen. Nun hast du noch angesprochen, wenn einer Umkehrt.
    Wäre es da von der Überlegung her nicht besser doch auf 3 dieser Lichtschranken zu setzen ? Platz hätte ich dafür ausreichend. Das Durchgangsportal ist 32 cm und paar Millimeter.
    Du hattest doch angesprochen, daß man für die Entscheidung ein Muster anlegen muß, um eine eindeutige Entscheidung zu erzeugen. Bei 3 Lichtschranken wüßte ich dann doch ganz genau, wenn die Lichtschranken der Reihe nach unterbrochen werden, in welche Richtung sich eine Person bewegt hat !?

    euch allen noch einen schönen Sonntag Abend,

    Franky

  • 2 Lichtschranken reichen aus. Man muss nur die Ablauffolge einmal kurz skizzieren (Ich bin hier davon ausgeganen, dass der Abstand zwischen den Lichtschranken kleiner als die "Dicke" der Person ist, was bei 10 cm der Fall sein dürfte):

    Fall 1: Lichtschranke 1 wird unterbrochen, dann wird Lichtschranke 2 unterbrochen, Lichtschranke 1 nicht mehr unterbrochen, Lichtschranke 2 nicht mehr unterbrochen -> Person ist in den Raum gegangen.

    Fall 2: Lichtschranke 2 wird unterbrochen, dann wird Lichtschranke 1 unterbrochen, Lichtschranke 2 nicht mehr unterbrochen, Lichtschranke 21 nicht mehr unterbrochen -> Person hat den Raum verlassen.

    Fall 3: Lichtschranke 1 wird unterbrochen, dann wird Lichtschranke 1 nicht mehr unterbrochen -> Person ist in den Eingangsbereich gegangen und gleich wieder zurückgegangen.

    Fall 4: Lichtschranke 1 wird unterbrochen, dann wird Lichtschranke 2 unterbrochen, dann wird Lichtschranke 2 nicht mehr unterbrochen, wobei zwischenzeitlich Lichtschranke 1 noch immer unterbrochen blieb, dann wird auch Lichtschranke 1 nicht mehr unterbrochen -> Person ist etwas weiter in den Eingangsbereich gegangen, dann aber wieder zurückgegangen.Fall 5: Lichtschranke 2 wird unterbrochen, dann wird Lichtschranke 2 nicht mehr unterbrochen -> Person wollte den Raum verlassen, hat es sich aber wieder überlegt und ist geblieben.

    Fall 6: Lichtschranke 2 wird unterbrochen, dann wird Lichtschranke 1 unterbrochen, dann wird Lichtschranke 1 nicht mehr unterbrochen, wobei zwischenzeitlich Lichtschranke 2 noch immer unterbrochen blieb, dann wird auch Lichtschranke 2 nicht mehr unterbrochen -> Person hat den Raum fast verlassen, ist dann aber wieder zurückgegangen.


    Abhängig von dem Abstand der Lichtschranken und der "Dicke" der Person müssen solche Szenarien und der Signalverlauf über der Bewegung der Person skizziert werden und daraus die entsprechenden Schlüsse gezogen werden.


    Lichtschranken werden frequenzmoduliert, damit das empfangene Signal von anderen Lichtquellen unterschieden werden kann. Je mehr Störsignale mit verschiedenen Frequenzen zu erwarten sind, desto schärfer muss die Selektion des empfangenen Signals sein, damit sicher ist, dass es wirklich von "seiner" Quelle stammt. In extremen Fällen werden sogar das ausgesandte und das empfangene Licht mit einer PLL verglichen. Unterschiedliche Frequenzen sind nur nötig, wenn Licht der Lichtschranke 1 auf den Empfänger der Lichtschranke 2 fallen kann.

  • Fall 2: Lichtschranke 2 wird unterbrochen, dann wird Lichtschranke 1 unterbrochen, Lichtschranke 2 nicht mehr unterbrochen, Lichtschranke 21 nicht mehr unterbrochen -> Person hat den Raum verlassen.

    Sorry Tippfehler: Es sollte natürlich nicht Lichtschranke 21 sondern Lichtschranke 1 heißen.


    Das Prinzip, dass 2 Lichtschranken bei Bewegung phasenverschobene Impulsfolgen erhalten und aus der Abfolge von positiven und negativen Flanken Impulse gezählt und die Drehrichtung erkannt wird, ist bei optische Drehencodern üblich und die "alten" Mäuse mit Rollkugel hatten auch solche Lichtschranken, wobei da pro Lichtschranke eine gemeinsame Lichtquelle und 2 nebeneinander angeordnete Fotosensoren ausreichend waren.

  • Moin Gnatz,

    Danke für das erläuternde Beispiel. Das habe ich soweit verstanden.
    Jetzt habe ich aber noch eine Frage bezüglich der Lichtschranke selber, der Modulation, und dem Empfänger.
    Du sagst der ausgesendete Strahl wird moduliert. Okay.
    Soweit mein Schulwissen noch reicht ;) FM ist ja Frequenzmodulation, wo um einer Basisfrequenz herum es zu einer minimalen Frequenzverschiebung kommt. Also liegt die aktuelle Frequenz mal unter oder über dieser Basis- oder Mittenfrequenz.
    So, wie bekomme ich das hin, mit einem ... Ja was, ESP , AVR oder PI ? Oder brauche ich dafür noch einen Signalprozesssor ?
    Dann ist der Empfänger nur ein einfacher, wohl auf diesen Bereich des Lichtspektrums abgestimmter Fototransistor. Wenn ich eine feste Pulsfolge ( Rechteck-Signal ) über diese IR-LED aussende, dann habe ich auf der Empfängerseite genau die gleiche Pulsfolge. Das müßte ich somit in die Auswertung einfließen lassen ?
    Macht man das mit der SW, oder könnte man da auch so etwas wie einen Komparator nehmen ? Oder ein Logik-Gatter ?
    Was ich schon mal so nebenbei probiert habe, auf aufflammende Feuerzeuge oder Zigaretten reagiert der Fototransistor auch außerhalb des offensichtlichen Empfangskegels, so bis zu 30 Grad würde ich schätzen, mit einem Signal am Ausgang, wenn die Sendediode nicht aktiv ist. Das Signal ist zwar deutlich schwächer, aber dennoch vorhanden. Damit müßte ich doch einen Schwellwert definieren, um zu bestimmen, ob die empfangene Lichtwelle wirklich von der IR-Diode kommt. Auf Tageslicht, Zimmerlampe oder Taschenlampen reagiert der Fototransistor fast gar nicht.

    Rein von der baulichen Sache, ich habe keine Problem, wenn beide Seiten ( Empfänger und Sender ) mit einer Signalleitung verbunden sind.

    Franky

  • Der Begriff "moduliert" war von mir unglücklich gewählt. Anfangs wollte ich "Wechselspannung" schreiben, aber das wäre noch schlechter gewesen, Gemeint hatte ich eine Ansteuerung mit einem Rechtecksignal, wobei Frequenzen von etwa 4 kHz bisher ein guter Schutz gegen Sonnenlicht (Gleichstromanteil) und Licht herkömmlicher Leuchtstoffröhren (100 Hz) war. Bei den inzwischen üblichen LED-Leuchten wird das Spektrum unvorhersagbar, besonders wenn diese über PWM gedimmt werden. Aber das muss man dann von Fall zu Fall prüfen. Deshalb ist eine Rechteckimpulsfolge auf der Sendeseite passend und wenn das Empfangssignal (ggf. nach vorheriger Bandpassfilterung) über ein EXOR- Gatter mit dem Sendesignal "verglichen" wird, ergibt sich am Ausgang eine Gleichspannung, die nach einem RC-Tiefpass direkt ausgewertet werden kann. Eigentlich muss das Sendesignal vor dem EXOR-Vergleich etwas verzögert werden, da die Filterung der Empfangsseite je nach Schaltung eine Zeitverzögerung ergibt. Falls die klein genug ist, sind am Ausgang des EXOR nur schmale Spikes zu sehen, die mit einem einfachen RC-Glied beseitigt werden können. Bei größeren Verarbeitungszeiten werden die Spikes breiter und irgendwann muss man sich Gegenmaßnahmen überlegen. Aber für solche Feinabstimmungen gibt es keine Standards für die Vorgehensweise.


    Bei der Auswertung der Lichtschranken gibt es 2 Typen von up/down Countern, die früher für so etwas gern genommen wurden:

    Der 74HC191 war ein Counter, der auf positive Flanken eines Eingangssignals zählte, während ein zweiter Eingang die Zählrichtung up/down vorgab. Wenn nun beispielsweise die Lichtschranke bei Beleuchtung einen LOW-Pegel ausgibt und einen HIGH-Pegel, wenn das Licht unterbrochen wird, könnte man als Zähltakt die Lichtschranke 1 verwenden und als Richtung die Lichtschranke 2.

    Geht man nun in den Laden, wird Lichtschranke 1 unterbrochen und liefert eine positive Flanke an den Zähleingang. Die Lichtschranke 2 ist noch nicht unterbrochen und liefert einen LOW-Pegel, was der "up"-Zählrichtung entspricht = Person geht in den Laden. Geht eine Person aus dem Laden, so ist zuerst Lichtschranke 2 unterbrochen und liefert einen HIGH-Pegel. Dann wird etwas später auch Lichtschranke 1 unterbrochen und liefert die positive Zählflanke. Der Zähler zählt herunter. Blöd ist nur, wenn eine Person nur die Lichtschranke 1 kurz unterbricht, dann zurückweicht und dann wieder die Lichtschranke unterbricht, jedesmal um 1 hochgezählt wird und so Fehlzählungen erfolgen.

    Will man das vermeiden, müsste man nach einer positiven Flanke weitere positive Flanken sperren, bis die Lichtschranke 2 wieder verlassen wird (negative Flanke bei Lichtschranke 2).

    So wie man bei der Anwendung von solchen Bausteinen auf Designlücken bei der Anwendung achten muss, muss man das auch bei der eigenen Software machen. Je besser man das macht, desto sicherer und fehlerfreier funktioniert später die Anwendung.


    In diesem Sinne wünsche ich viel Erfolg bei der weiteren Arbeit.