“เชื่อว่าคุณคงเคยเข้าไปใช้บริการร้านสะดวกซื้อ เมื่อเดินเข้าไป จะได้ยินเสียงติ๊งต่อง แจ้งการเข้ามาของคุณๆ ให้พนักงานในร้านทราบ และเสียงทักทาย ก็จะดังตามมา ทั้งที่พวกเขาอาจไม่ได้เห็นคุณด้วยซ้ำ เค้ารู้ได้อย่างไร หน้าที่นี้ตกเป็นของตัวตรวจจับการเคลื่อนไหวครับ แล้วมันทำงานอย่างไร ตามผมมาครับ จะพาไปรู้จัก”

ความเคลื่อนไหวตรวจจับได้อย่างไร ?
สิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะเป็นมนุษย์หรือสัตว์เลือดอุ่นในภาวะที่ยังมีชีวิตอยู่ จะมีการกระจายพลังงานความร้อนออกมาจากตัวเองในรูปของการแผ่รังสีอินฟราเรดอยู่ตลอดเวลา โดยจะมีปริมาณมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับสภาพของร่างกายในขณะนั้น เมื่อมีการเคลื่อนไหวปริมาณของการแผ่รังสีก็จะเปลี่ยนแปลง รังสีอินฟราเรดจากมนุษย์หรือสัตว์เลือดอุ่นที่มีระดับความเข้มสูงสุดจะมีความยาวคลื่นประมาณ 9.4 ไมโครเมตร

ตัวตรวจจับความเคลื่อนไหวของสิ่งมีชีวิตหรือที่เรียกว่า โมชั่นเซนเซอร์ (motion sensor) ที่ได้รับความนิยมและใช้งานง่ายคือ ตัวตรวจจับแบบอินฟราเรด ซึ่งใช้หลักการตรวจจับ​ที่​เรียกว่า ​ไพโรอิ​เล็ก​ตริก (pyro-electric) อัน​เป็นการ​ตรวจจับ​การ​แผ่รังสี​อินฟราเรด หาก​ระดับ​ของ​การ​แผ่รังสี​ไม่​เปลี่ยนแปลง แสดงว่า สิ่งมีชีวิต​ที่​ต้องการ​ตรวจจับ​นั้น​ไม่มี​การ​เคลื่อนไหว แต่​ถ้าหาก​มี​การ​เคลื่อนไหว​เกิดขึ้น ระดับ​ของ​การ​แผ่รังสี​อินฟราเรด​จะ​เปลี่ยนแปลง จึง​เรียกตัว​ตรวจจับ​แบบนี้​ว่า PIR (Passive InfraRed sensor)

รูปที่ 1 ไดอะแกรมการทำงานของตัวตรวจจับการแผ่รังสีอินฟราเรดซึ่งใช้ตรวจจับความเคลื่อนไหว

ใน​รูป​ที่ 1 เป็น​ไดอะแกรม​แสดง​หลักการ​ทำงาน​พื้นฐาน​ของ​ตัว​ตรวจจับ​พลังงาน​ความ​ร้อน​จาก​มนุษย์​หรือ​สัตว์​เลือดอุ่น เมื่อ​เกิด​การ​เคลื่อนไหว​ทำให้เกิด​การ​แผ่รังสี​อินฟราเรด​ขึ้น รังสี​จะ​ถู​กรวม​หรือ​โฟกัส​ไป​ยัง​ตัว​ตรวจ​จับหลัก​โดย​ใช้​เลนส์​แบบ​พิเศษ​ที่​เรียกว่า เลนส์​ไฟ​รเนล​หรือเฟ​รสนัล (Fresnel lens) จากนั้น​ตัว​ตรวจ​จับหลัก​จะ​ทำการ​ขยาย​สัญญาณ​แล้ว​ส่งไปยัง​วงจร​เปรียบเทียบ​เพื่อ​สร้าง​สัญญาณ​เอาต์พุต​ต่อไป

รูปที่ 2 แสดงการทำงานของโมดูล PIR เมื่อนำมาใช้ในการตรวจจับความเคลื่อนไหว

ใน​รูป​ที่ 2 แสดง​สถานการณ์​ที่​แหล่งกำเนิด​รังสี​อินฟราเรด (อาจ​เป็น​มนุษย์​หรือ​สัตว์​เลือดอุ่น) เกิด​การ​เคลื่อนไหว​ภายใน​ระยะ​ทำการ​ของ​ตัว​ตรวจจับ จะ​ทำให้​โมดูล​ตรวจจับ PIR ตรวจจับ​พบ​การ​แผ่รังสี​อินฟราเรด​ที่​แตกต่างกัน จึง​ให้สัญญาณ​เอาต์พุต​เป็น​ลอจิก​สูง (high) อยู่​ชั่ว​ขณะเมื่อ​ตรวจจับ​พบ​การ​เคลื่อนไหว จากนั้น​กลับ​มา​เป็น​ลอจิก​ต่ำ (low) จนกว่า​จะ​ตรวจจับ​พบ​การ​เปลี่ยนแปลง​ของ​ระดับ​รังสี​อินฟราเรด​อีกครั้ง

เลนส์ไฟรเนล
เลนส์​ไฟ​รเนล​เป็น​เลนส์​แบบ​พิเศษ​ที่​ได้รับ​การ​ค้น​คิด​จาก​นัก​ฟิสิกส์​ชาว​ฝรั่งเศส​ชื่อ ​ออกั​สติน ชอง ไฟ​รเนล (Augustin-Jean Fresnel) โดย​แนวคิด​ของ​เลนส์​แบบนี้​คือ เป็น​เลนส์​แบบ​ขั้นบันได​ที่​ยอมให้​แสง​ผ่าน​ได้มาก​และ​จาก​ทุกทิศทาง ดัง​มี​โครงสร้าง​ตาม​รูป​ที่ 3

รูปที่ 3 โครงสร้างและหน้าตาของเลนส์ไฟรเนลซึ่งนำมาใช้ในโมดูล PIR

ทั้งนี้​เนื่องจาก​ตัว​เลนส์​ได้​ถูก​สร้างขึ้น​โดย​ลด​เนื้อ​วัสดุ​ใน​ส่วน​ที่​ไม่มีผล​กับ​การ​หักเห​ของ​แสง​ลง​ไป ทำให้​สามารถ​ทำ​เลนส์​ขนาดใหญ่​ที่​มี​น้ำหนัก​เบา​ได้ เดิมที​เลนส์ไฟ​รเนล​นี้​ได้รับ​การ​ออกแบบ​เพื่อให้​นำมาใช้​ใน​การ​กระจาย​ใน​ประภาคาร เพื่อให้​สามารถ​มองเห็น​ประภาคาร​ได้​จาก​ระยะไกล ต่อมา​ได้​มี​การ​พัฒนา​ให้​มี​ขนาด​เล็กลง แล้ว​นำมา​ครอบ​หลอดไฟ​เพื่อ​ทำเป็น​ตะเกียง ทำให้​ตะเกียง สามารถ​ส่องแสง​ได้​สว่าง​และ​มองเห็น​ได้​จาก​ระยะไกล ดัง​รูป​ที่ 4

รูปที่ 4 ตัวอย่างตะเกียงที่ใช้เลนส์ไฟรเนลในการเพิ่มอัตราการส่องสว่าง

แต่​เมื่อ​นำมาใช้​ใน​โมดูล​ตรวจจับ PIR ตัว​เลนส์​ไฟ​ร เนล​จะ​ถูก​ใช้งาน​ใน​ลักษณะ​กลับกัน​คือ ใช้​เลนส์​ไฟ​รเนล​ใน​การ​รวม​แสง​เข้า​มาจาก​ทุกทิศทาง​เพื่อ​โฟกัส​ลง​ไป​ยัง​ส่วน​ตรวจจับ​แสง​อินฟราเรด​ของ​โมดูล​ตรวจจับ PIR เพื่อ​ให้การ​ตรวจจับ​การ​เปลี่ยนแปลง​ของ​รังสี​อินฟราเรด​มี​ความ​ไว​สูง

คุณสมบัติของโมดูลตรวจจับ ZX-PIR
อุปกรณ์ตรวจจับความเคลื่อนไหวที่นำมาเสนอเพื่อเป็นตัวอย่างในที่นี้คือ โมดูล ZX-PIR ซึ่งใช้ตัวตรวจจับที่เรียกว่า PIR ซึ่งสามารถตรวจจับการแผ่รังสีอินฟราเรด โดยทำงานร่วมกับเลนส์ชนิดพิเศษที่เรียกว่า เลนส์ไฟรเนล ซึ่งทำหน้าที่รวมรังสีอินฟราเรดที่ตัวตรวจจับได้รับ เพื่อส่งผ่านไปยังตัวตรวจจับ PIR เพื่อทำการประมวลผลต่อไป ในรูปที่ 5 แสดงลักษณะทางกายภาพของโมดูล ZX-PIR และขาต่อใช้งาน

รูปที่ 5 แสดงขนาด, ส่วนประกอบและการจัดขา และหน้าตาของโมดูล ZX-PIR

คุณสมบัติทางเทคนิคที่ควรทราบมีดังนี้
• ระยะการตรวจจับสูงสุด 20 ฟุต
• เมื่อตรวจพบความเคลื่อนไหวจะให้แรงดันเอาต์พุตที่สภาวะสูงที่ขาเอาต์พุต
• ใช้เวลาในการปรับตัวเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงช่วง 10 ถึง 60 วินาทีหลังจากได้รับไฟเลี้ยง
• ใช้ไฟเลี้ยงในย่าน +3.3 ถึง +5V กระแสไฟฟ้าน้อยกว่า 100 mA

การใช้งาน
เนื่องจาก​เอาต์พุต​ของ​โมดูล ZX-PIR เป็น​สัญญาณ​ดิจิตอล​ที่​มี​สอง​สถานะ​คือ ลอจิก​สูง หรือ “1” และ​ลอจิก​ต่ำ​หรือ “0” จึง​สามารถ​เชื่อม​ต่อ​กับ​ขา​พอร์ต​ดิจิตอล​ของ​ไมโคร​คอนโทรลเลอร์​ได้​ทุก​ตระกูล โดย​ต้อง​กำหนด​ให้​ขา​พอร์ต​ที่​เชื่อม​ต่อ​นั้น​เป็น​อินพุต​ดิจิตอล​ก่อน และ​ไม่​ต้อง​ต่อตัว​ต้านทาน​พูลอัป​ที่​ขา​พอร์ต​ของ​ไมโคร​คอนโทรลเลอร์​ซึ่ง​นำมา​ต่อ​กับ​โมดูล ZX-PIR ดัง​รูป​ที่ 6 เนื่องจาก​เอาต์พุต​ของ ZX-PIR ไม่​สามารถ​จ่าย​กระแส​ได้​มาก​พอที่จะ​ควบคุม​ให้​ขา​พอร์ต​เป็น​ลอจิก “0” ใน​ภาวะ​ที่​ไม่​สามารถ​ตรวจจับ​การ​เคลื่อนไหว​ได้ หาก​มี​การ​ต่อตัว​ต้านทาน​พูลอัป​ที่​ขา​พอร์ต​ของ​ไมโคร​คอนโทรลเลอร์

รูปที่ 6 ตัวอย่างการเชื่อมต่อโมดูล ZX-PIR กับไมโครคอนโทรลเลอร์

ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องเขียนโปรแกรมเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงทางลอจิกของขาพอร์ตที่ต่อกับโมดูล ZX-PIR

คลิกเพื่อชมตัวอย่างการใช้ PIR กับหุ่นยนต์เดินตามเส้น iBEAM

จากข้อมูลที่นำเสนอมาทั้งหมดจะเห็นได้ว่า การตรวจจับความเคลื่อนไหวด้วยโมดูล PIR นี้ ความไวหรือประสิทธภาพในการทำงานจะขึ้นกับเลนส์ไฟรเนลเป็นสำคัญ ทางด้านการนำไปใช้งานนั้นจะเห็นได้ว่าง่ายมาก หากแต่ ต้องให้ความใส่ใจในด้านการติดตั้งตัวตรวจจับในตำแหน่งที่เหมาะสม

สนใจซื้อหามาใช้งานได้ที่ www.inex.co.th