Наблюдение за птицами с помощью PIR сенсора

Автор: Сергей Безруков (ака Ser60)
Опубликовано 06.02.2026
Создано при помощи КотоРед.

Это устройство мне заказали сделать для внучки. Ей очень интересно смотреть на прилетающих к кормушке птиц. Но, поскольку это происходит непостоянно, то продолжительное слежение за кормушкой не вариант, а отсутствие птиц в момент наблюдения вызывает разочарование. С конструкцией самой кормушки пока особо не заморачивались, сделав её на скорую руку из пакета для молока, и подвесив её напротив окна на верёвке, чтобы белки не достали корм оттуда. Однако, проблема оповещения подлёта птицы к кормушке осталась.

Понятно, что оповещатель должен быть беспроводным, лёгким, и малогабаритным для размещения его на кормушке с минимумом влияния на её положение. В качестве датчика решено было применить PIR сенсор. Полазив по Интернету, я обнаружил, что самыми распространёнными являются PIR устройства на основе датчиков SR501 и АМ312, показанные ниже.

На плате первого из них помимо самого сенсора имеется некая схема усилителя-формирователя выходного сигнала на ОУ либо на специализированной микросхеме типа BISS001, позволяющая регулировать чувствительность и задержку обнаружения. Такое устройство мне не подошло из-за больших габаритов и высокого токопотребления порядка 50 мкА. Второе устройство основано на датчике с 3 выводами и встроенным в него усилителем сигнала. На его плате установлен лишь стабилизатор напряжения и сопутствующие конденсаторы. Его токопотребление при питании от 3В и отключенном стабилизаторе оказалось около 13 мкА. Оба датчика укомплектованы линзами Френеля и имеют нерегулируемое «слепое» время между измерениями порядка 2 секунд. Копнув глубже, я обнаружил ещё 2 типа датчиков BS412 и BS612 также со встроенными усилителями, линзами Френеля, и с числом выводов от 4 до 6. Чувствительность, задержка, и слепое время у них регулируется величиной напряжения на соответствующих выводах. Поскольку чувствительность для моего приложения не является определяющим фактором, я решил попробовать первый из них. При замыкании его вывода регулировки на землю получаем минимальное слепое время около 2 сек и потребление 9 мкА, что и определило его выбор.

Далее стал вопрос о разработке канала связи. Поскольку расстояние от кормушки до окна дома не превышает 20м, решено было использовать Bluetooth протокол и хорошо себя зарекомендовавшую по прошлым проектам схему на основе микроконтроллера IC1 со встроенным приёмно-передающим трактом. МК включён по типовой схеме с задействованием встроенного DC/DC конвертера вместо LDO для уменьшения токопотребления. В программной его части реализован маяк (beacon) с периодом передачи оповещений 2 сек также с целью уменьшения среднего токопотребления, которое при выходной мощности +6dBm без учёта потребления сенсора оказалось около 7 мкА. При срабатывании сенсора имя маяка изменяется на несколько секунд с “PIR 0” на “PIR 1”. Таким образом, постоянно работающий на приёмном конце Bluetooth сканер обнаружит срабатывание датчика без необходимости установки соединения с передатчиком.

Передатчик смонтирован на плате размером 29×29мм и помещён в корпус Hammond 1551MFLBK соответствующих размеров и высотой 19мм. Держатель батареи приклеен к задней стенке внутри корпуса. В передней части корпуса просверлено отверстие под сенсор. На корпусе имеются фланцы, что удобно для его крепления внутри кормушки напротив отверстия для птиц. Проект с самого начала задумывался как (полу-) экспериментальный, поскольку неясно было как поведёт себя сенсор при приближении к нему маленьких птичек. Поэтому приёмная часть была временно реализована на стандартной демо-плате BGM220 Explorer Kit. В качестве звукового оповещателя в разъём платы вставлен пьезо-излучатель с резонансной частотой 4кГц, который для увеличения громкости звучания управлялся противофазными сигналами меандра, генерируемых таймером.

Система устойчиво работала в моих условиях при детектировании человека, но попробовать её на птицах у меня не было возможности. Однако, работа системы у внучки обернулась полным провалом. Дело в том, что они живут в гораздо более плотных условиях городской застройки и Bluetooth сканер видел порядка 50 устройств разных пользователей, в то время как у меня дома он видел не более 5 устройств. При обнаружении каждого устройства сканер должен был распознать его MAC адрес в принятом пакете и сравнить его с адресом передатчика. Из-за большого периода работы нашего маяка сканер иногда не успевал вовремя принять и обработать сигнал срабатывания датчика до его сброса. В результате приближение объекта к сенсору не всегда отрабатывалось на приёмном конце. Проблему можно было бы решить, уменьшив период отсылки оповещений, но за счёт увеличения токопотребления, что я делать не стал. Более того, оказалось, что троекратный писк пьезо-излучателя при обнаружении объекта оказался очень похожим на писк противопожарной сигнализации, который внучке совсем не понравился. Она даже зажимала уши при его звучании.

Урок был усвоен при разработке второй версии системы. На передающем конце было решено отказаться от Bluetooth протокола связи в пользу другого проприетарного, но работающего в том же диапазоне 2.4 ГГц, на который рассчитан радио-тракт МК. Дело в том, что до установки связи с Bluetooth LE устройствами, видимыми сканеру, все они передают оповещения (advertising) на каналах 37, 38, и/или 39, или на частотах 2402, 2426, и 2480 МГц, соответственно. Другие BLE каналы используются только на время соединения с устройствами, что бывает нечасто, я бы даже сказал довольно редко. Если настроить передачу на частоте вне каналов оповещения, то влияние передачи оповещений многочисленных Bluetooth устройств сведётся к минимуму. Поэтому во второй версии мы используем частоту 2450 МГц, которая лежит аккурат посередине между наиболее часто используемыми каналами 6 и 11 WiFi протокола, что также уменьшает влияние соседских WiFi маршрутизаторов на наше устройство. Протокол основан на библиотеке RAIL фирмы Silicon Labs, о которой я уже рассказывал здесь ранее, и пакетной передаче данных.

Далее, я решил попробовать более продвинутый PIR сенсор PYQ1548 фирмы Excelitas Technologies. Он выпускается в стандартном корпусе с 4 выводами. Однако, в отличии от вышеупомянутых, предполагает цифровое управление параметрами вместо аналогового и имеет 4 термочувствительных элемента вместо двух. Конфигурация сенсора производится засылкой в него 25 байт, определяющих значения 8 параметров работы его внутренней начинки. Засылка производится через вывод SERIN в соответствии с проприетарным протоколом чем-то напоминающим протокол связи с адресуемыми светодиодами серий WS28xx, подробности см. в ДШ. В протоколе регламентируются длительности передачи нулей и единиц, что в данном проекте реализовано с помощью аппаратного блока МК для генерации ШИМ на основе таймера. При этом вывод Direct Link может быть использован как для чтения цифровых данных сенсора, так и просто для генерации запроса на прерывание при обнаружении объекта, как в нашем проекте. Помимо всего прочего, датчик имеет расширенный диапазон питающего напряжения и его токопотребление при питании от 1.8В составляет всего около 3 мкА.

Во второй версии передатчика сенсор запитан с выхода DC/DC конвертера МК (через один из выводов GPIO), понижающим напряжение батареи как раз до 1.8В для питания его ядра. Также я решил упростить выходной RF фильтр, собрав его по рекомендованной в ДШ схеме и на компонентах большего размера 0402 вместо 0201 как ранее. В результате схема передающей части получилась очень похожей на первый вариант с минимальными отличиями от него, а печатная плата и монтаж несколько упростились. Передатчик смонтирован в таком же корпусе, что и первая версия. Сенсор не комплектуется линзой Френеля, однако, оказалось, что линза от BS412/612 подходит к нему благодаря стандартизации корпуса. Я не уверен, что для ближнего обнаружения птиц у кормушки на расстоянии порядка 10 - 15см вообще нужна линза Френеля, но решил её поставить для ускорения разработки.

В результате принятых мер среднее токопотребление всей передающей части даже с учётом сенсора снизилось до 6.16 мкА, т.е. время непрерывной работы при питании от CR2032 ожидается в течение нескольких лет в зависимости от числа обнаруженных птиц. Ниже показан график токопотребления при детектировании сенсором четырёх объектов. Пики сигнала соответствуют моментам передачи пакетов.

Изменениям подверглась и приёмная часть. Прежде всего, пришлось сначала согласовать с внучкой звуковой сигнал при обнаружении птиц. Подходящим оказался звук, схожий со звуком падающей капли, заимствованный из Интернета. Звук был сконвертирован из WAV файла в массив 16-битных слов, размещённых во флеш-памяти МК. Для воспроизведения звука решено было вместо ШИМ/ЦАП применить полноценный цифровой усилитель класса D на микросхеме МАХ98357 с I2S интерфейсом. Такой усилитель замечательно зарекомендовал себя во многих моих проектах. Усилитель работает на громкоговоритель диаметром 28мм и высотой 6мм с сопротивлением звуковой катушки 8 Ом. Звуковые 16-битные семплы передаются из МК на скорости 16 ksps посредством DMA. Схема приёмника собрана на плате, устанавливаемой в виде сэндвича в разъёмы форм-фактора mikroBUS на такой же фирменной демо-плате, что и в первой версии. Дополнительная плата была собрана ранее как тестовая для другого устройства, поэтому в левой её части имеются детали, не используемые в этом проекте. Я пока не знаю будем ли мы доводить приёмник до более законченного устройства на отдельной печатной плате в корпусе и с автономным питанием.

Тем не менее, проект оказался рабочим и успешным, и я решил поделиться своим опытом сейчас. В прилагаемом видео показана работа системы при подлёте птицы к кормушке. Меры, направленные на уменьшение помех от других Bluetooth и WiFi устройств, полностью подтвердили свою состоятельность на практике, обеспечивая безотказную связь между датчиком и приёмником. Описанный здесь подход можно применить в ряде других ситуаций, например при фотографировании животных, или в системах охранной автоматики. Файлы плат передатчиков для системы Eagle, а также полные проекты для Simplicity Studio прилагаются.

Файлы:
Firmware

Все вопросы в Форум.