Mit Arduino-kompatiblen Modulen Radarsensoren flexibel aufbauen

| Autor / Redakteur: Dr. Claus Kühnel* / Richard Oed

Bild 1: Das Arduino-kompatible radino32 WiFi Funkmodul, das im Radarsensor radino IP-Radar Verwendung findet.
Bild 1: Das Arduino-kompatible radino32 WiFi Funkmodul, das im Radarsensor radino IP-Radar Verwendung findet. (Bild: In-Circuit)

Radarsensoren lassen sich mit Hilfe von Arduino-kompatiblen radino-Modulen leicht aufbauen. Auf diese Weise lässt sich auch das Funkprotokoll nachträglich ändern.

IoT Devices sind Netzwerkknoten, die über Sensoren Messdaten erfassen und über unterschiedliche Kommunikationskanäle einem Netzwerk oder Server zur Verfügung stellen oder von da empfangene Daten umsetzen, um über Aktoren auf einen zu steuernden Prozess einzuwirken. Die Anforderungen an ein solches IoT Device sind im Wesentlichen durch das Anwendungsumfeld und die Anwendung selbst bestimmt und dabei erwartungsgemäß sehr unterschiedlich.

Geeignete Modularisierung vorausgesetzt, können verschiedene Funktionen baukastenartig zusammengesetzt und variiert werden. Die radino Funkmodule der Dresdner Firma In-Circuit können für derartige Zwecke sehr gut eingesetzt werden, wie am Beispiel eines Radarsensors zur Anwesenheitsdetektion und Geschwindigkeitsmessung verdeutlicht werden soll.

In der Tabelle 1 sind den verschiedenen Funktechnologien und Frequenzbereichen die jeweils dafür verfügbaren Funkmodule von In-Circuit gegenübergestellt. Allen Funkmodulen gemeinsam ist der kompakte radino Formfaktor, wobei Bild 1 bis Bild 3 beispielhaft die Gehäuseausführung des Wi-Fi-, LoRa- und BLE-Moduls zeigen. Voraussetzung für die Austauschbarkeit der Module ist deren Pinkompatibilität. Die Pinbelegung der radino Funkmodule, deren CPU ein Atmel ATmega32U4 Mikrocontroller ist, zeigt Bild 4.

Die radino32 Funkmodule sind die Nachfolger der radino Module mit verbesserter Prozessorleistung, größerem RAM-, Flash- und EEPROM-Speicher sowie erweiterten Pin-Funktionalitäten. Dies kommt in der in Bild 5 gezeigten Pinbelegung der radino32 Funkmodule deutlich zum Ausdruck. Als CPU wird auf diesen Modulen ein ARM Cortex-M3 basierter STM32L151 Mikrocontroller von STMicroelectronics verwendet. Alternativ können die radino32 Funkmodule auch mit einem leistungsstärkeren STM32L433 Mikrocontroller (ARM Cortex-M4) bestückt werden.

Alle Module der radino/radino32-Serie sind voll Arduino- und untereinander Pin-zu-Pin kompatibel.

Vorbereitung der Arduino-IDE

Um mit der Arduino-IDE Programme für die radino Funkmodule entwickeln zu können, muss diese erweitert werden. Unter der Voraussetzung einer aktuellen Version der Arduino IDE sind dazu die folgenden Schritte erforderlich:

  • Starten der Arduino-IDE und Öffnen des Fensters für die Preferences (File > Preferences).
  • Hinzufügung der URL http://library.radino.cc/Arduino_1_8/package_radino_radino32_index.json in das Feld Additional Boards Manager URLs (siehe Bild 6) .
  • Öffnen des Boards Managers (Tools > Board) und die Installation von radino32 (Bild 7).
  • Auswahl des eingesetzten Boards radino32 USB-Load (Tools > Board) nach der Installation.

Zum Download des übersetzten Programms ist die Installation eines Treibers für den Bootloader des radino32 erforderlich. Windows installiert automatisch einen falschen Bootloader. Der Installationsvorgang ist auf der Seite des Herstellers detailliert beschrieben: http://wiki.in-circuit.de/index.php5?title=radino/radino32_software#Install_bootloader_driver_at_Windows_10.

Vor dem Download eines Programms muss der radino32 in den Bootloader-Modus versetzt werden. Dies erfolgt über die Pins "BOOT_SEL" und "RESET" in definierter Reihenfolge und ist ebenfalls auf der Website des Herstellers beschrieben.

Von der fehlerfreien Installation der radino32-Erweiterung kann man sich schließlich durch Aufruf des Programms radino32_gpio_demo.ino überzeugen (File > Examples > In-Circuit > radino32_gpio_demo.ino). Wird das Programm fehlerfrei kompiliert und auf den radino32 WiFi heruntergeladen, war die Installation erfolgreich.

Einsatz des radino IP65-Radars

Das radino IP65-Radar-Sensor-Modul von In-Circuit basiert auf der radino Serie desselben Herstellers und dient zusammen mit dem RSM 1650 Radarsensor als frei programmierbares Radar-Sensor-Modul zur relativen Geschwindigkeitsmessung und Bewegungserkennung. Der radino IP65-Radar kommt mit einem vorinstallierten radino32 WiFi ([1], Bild 1).

Der Radarsensor RSM 1650 ist ein hochintegrierter Radarsensor mit Sende- und Empfangsantenne ([2], Bild 8). Durch getrennte Sende- und Empfangszweige und die Verwendung eines Gegentaktmischers (balanced mixer) wird eine hohe Empfindlichkeit des Radarsensors erreicht. Aufgrund seines Designs kommt der Sensor ohne zusätzliche Temperaturkompensation aus. Er hält die Vorgaben des Europäischen ETSI-Standards ein und verfügt über ein CE-Kennzeichen.

Die in Bild 9 dargestellten Antennendiagramme der Sende- und der Empfangsantenne sind identisch und absichtlich relativ breit ausgelegt, wodurch ein möglichst großer Erfassungsbereich möglich wird. Die Stromaufnahme des Sensors wird ausschließlich durch den Sendeteil bestimmt. Eine Reduktion der Stromaufnahme durch Erniedrigen der Betriebsspannung ist nicht möglich, ohne den sicheren Betrieb bei allen Temperaturen zu gefährden. Die wichtigsten technischen Daten sind in Tabelle 2 zusammengefasst [2].

Die Ausgangsspannung des Radarsensors RSM 1650 muss verstärkt und bandbegrenzt werden, um ein auswertbares Signal zu erhalten. Bei einer Sendefrequenz von 24,125 GHz kann die Frequenz des Ausgangssignals nach folgender Beziehung berechnet werden:

Claus Kühnel
Claus Kühnel

Zur Detektion von Bewegungen von Menschen kann das zu verstärkende Frequenzband auf 6 bis 600 Hz beschränkt werden. Bei Anwendungen in Räumen, die mit Leuchtstoffröhren beleuchtet sind, ist ein Kerbfilter bei 100 Hz einzufügen.

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