Сенсационное расследование двойной жизни микросхемы PIR-сенсора BISS0001

Дорогие мои читатели! Представьте себе: решил я как-то раз усовершенствовать систему умного дома и заказал на известном китайском сайте чудо-датчик RCWL-0516. И как-то позабыл о нем… Но вот он мне снова понадобился. Хватился — а даташита нет! Однако взглянув повнимательнее, я обнаружил кое-какие зацепки. Подробности под катом...

Принцип работы

Если вы когда-нибудь задумывались, как умный свет включается сам собой, когда вы входите в комнату, или как охранная система узнает о вашем приближении, возможно, виновником торжества является скромный, но мощный датчик RCWL-0516. Этот невзрачный на вид модуль скрывает в себе целый радиолокатор, умещающийся на ладони. Давайте заглянем внутрь и разберемся, как же он работает.

Основной принцип: Эффект Доплера

RCWL-0516 не просто излучает радиоволны, а анализирует искажения частоты отражённого сигнала в результате эффекта Доплера:

1. Передатчик датчика генерирует высокочастотное электромагнитное излучение с частотой 3.181 ГГц (диапазон S-band)14.
2. Эти волны отражаются от окружающих объектов и возвращаются к датчику.
3. Если объект неподвижен, частота отражённого сигнала не изменяется.
4. Если объект движется (приближается или удаляется), частота отражённого сигнала изменяется (повышается или понижается соответственно).
5. Датчик улавливает это малейшее изменение частоты (доплеровский сдвиг) и интерпретирует его как движение.

Эффект Доплера наблюдается и в звуковых волнах — вы когда-нибудь задумывались, почему музыка с удаляющейся машины звучит чуть иначе, чем на приближающейся.

Устройство и компоненты: Что внутри?

1. СВЧ-генерирующая часть (Антенна и генератор)

Антенна: выполнена прямо на печатной плате в виде изящной S-образной медной дорожки. Это микрополосковая линия передачи, работающая как антенна на ¼ длины волны.

Генератор: собран на биполярном транзисторе (Q1) по схеме сверхрегенеративного генератора. Он работает на частоте ~3.18 ГГц и генерирует радиоволны. Его ключевая особенность — он не просто непрерывно излучает, а работает в импульсном режиме (пульсирует с частотой около 20 МГц), что значительно повышает его чувствительность как приёмника. 

Именно для генератора и установлен стабилизатор 3.3V.

Кстати, подобные СВЧ-датчики можно собрать своими руками. Например, вот образец. Его даже несложно повторить.

2. Обрабатывающая часть (Микросхема-процессор)

Здесь кроется главная интрига! Многие модули используют микросхему BISS0001. Изначально разработанная для обработки сигналов с инфракрасных (PIR) датчиков, она идеально подходит для своей роли и здесь. Фактически, BISS0001 —это, по сути, высокоинтегрированная комбинация полосового фильтра, усилителя, детектора огибающей и цифрового таймера. Раньше китайцы скрывали причастность этой, по сути, копеечной микросхемы к технологии микроволновых датчиков и перемаркировывали ее лазером в RCWL. 

Однако, энтузиасты раскусили подвох. Сделать это несложно и самостоятельно, если взглянуть на схемы датчиков повнимательнее. Вот вам схема RCWL.

А вот его тезки — PIR сенсора. Не похоже?

А так?

Буковки чуть другие, нотация схем тоже. Но по смыслу одно и то же. В новых ревизиях наши братья уже не скрывают, что это так. Мне попалась как раз такая ревизия. Маркировка на микросхеме чуть другая, чем на PIR-сенсоре. И ее почти не видно.

Ради интереса отпаял и заменил одно на другое. Думаете заработает?

Почему бы и нет? Обратно тоже работает, поверьте.

А это значит, что почти весь даташит BISS0001 подходит для нашего микроволнового сенсора. Что не может не радовать! Что касается радиоволновой части, ее можно поправить, используя знания о сверхрегенеративном приемнике. Сверхрегенеративный приёмник — это, по сути, усилитель с бесконечным коэффициентом усиления в момент нарастания колебаний. Он невероятно чувствителен и может уловить малейшее изменение в резонансной частоте контура, вызванное приближением объекта. Это делает его идеальным для простых и дёшевых датчиков движения. 

Как рассчитать частоту? (Теоретически)

Резонансная частота параллельного LC-контура рассчитывается по классической формуле Томсона:

f = 1 / (2 * π * √(L * C))

Где:

f — резонансная частота в Герцах (Гц). Нам нужно 3.18 ГГц, то есть 3 180 000 000 Гц.

L — индуктивность в Генри (Гн). Индуктивность S-образной дорожки имеет порядок нескольких наноГенри (нГн, 10⁻⁹ Гн).

C — ёмкость в Фарадах (Ф). Паразитная ёмкость имеет порядок пикофарад (пФ, 10⁻¹² Ф).

Примерный расчёт:
Чтобы получить частоту ~3.18 ГГц, при индуктивности антенны, скажем, 2 нГн (2 * 10⁻⁹ Гн), нам потребуется ёмкость:

C = 1 / ( (2 * π * f)² * L )

C = 1 / ( (2 * 3.14 * 3.18e9)² * 2e-9 ) ≈ 1.25 пФ

Вывод: Вся схема работает с очень маленькими значениями индуктивности и ёмкости, которые определяются в первую очередь геометрией печатной платы.

Настройка основных параметров

В практическом плане имеет смысл замена резистора 220 Ом на правой части сенсора на подстроечник. 

Этот резистор шунтирует сигнал с выхода СВЧ-детектора на землю. Уменьшение его сопротивления ослабляет полезный сигнал, поступающий на вход микросхемы BISS0001, тем самым снижая чувствительность. И наоборот, увеличение сопротивления повышает чувствительность.

Опытным путем установлено, что значение около 160–170 Ом обеспечивает хороший баланс между чувствительностью спереди и сзади. При сопротивлении около 130 Ом датчик может начать реагировать только на очень близкие движения (в пределах ~1 метра), а при 100 Ом — практически перестать реагировать вообще.

Остальные настраиваемые элементы настраиваются аналогично BISS. Например, есть конденсатор задержки C-TM и резистор чувствительности  R-GN микросхемы. А еще можно подключить датчик освещенности CDS, и к нему есть место под подстроечный резистор R-CDS. 

C-TM (регулировка времени срабатывания)
— По умолчанию выход OUT остаётся в состоянии HIGH около 2 секунд. Установив конденсатор на C-TM, можно значительно увеличить время удержания:

0,2 µF → ~50 с

1 µF → ~250 с

R-GN (регулировка дальности обнаружения)
— По умолчанию дальность до ~7 метров. Установка резистора уменьшает дальность:

1 МОм → до ≈5 м

270 кОм → до ≈1,5 м

Однако стоит помнить, что лучше комбинировать это с изменением резистора в антенном тракте.

R-CDS (регулировка реакции на свет)
— Эти площадки предназначены для подключения внешнего фоторезистора (LDR). Без дополнительных элементов, встроенный порог выключает датчик при сопротивлении LDR ниже ≈269 кОм (то есть при ярком освещении). Добавление резистора на R-CDS позволяет изменить этот порог.

CDS (фотосенсор)

Подойдут стандартные фоторезисторы (CdS/LDR), которые имеют сопротивление порядка сотен кОм в темноте (более 200 кОм), и десятки кОм при ярком освещении. Например, часто используемая в электронике модельGL5528.

Выводы

В общем и целом, неудивительно, что сенсоры стоят так дешево. Даже в рознице чипы BISS0001 продаются по 10 рублей штука. 

Смешно подумать, сколько они стоят оптом. А обвязка и производство двусторонней платы — мероприятия копеечные… Ну а я, в общем, продолжу эксперименты. Надеюсь, материал окажется полезен для радиолюбителей и честного люда. Не прощаюсь!

Edit. 

Мы с kdekaluga разобрались в принципах работы это датчика глубже. Оказывается, чтобы доплеровский сдвиг хоть как-то выделился на фоне собственной нестабильности генератора RCWL-0516, объект должен двигаться со скоростью ~470 м/с (около 1700 км/ч). Это скорость пули или реактивного самолета. 

Дело тут в том, что простой транзисторный генератор без кварцевой стабилизации, используемый в RCWL-0516, имеет чудовищную нестабильность.

Его частота легко дрейфует на десятки и сотни килогерц (10 000 — 100 000 Гц) от изменения температуры, напряжения питания, влажности.

Приведу расчет скорости объекта через минимальную заметную частоту смещения в результате эффекта Доплера. Где:

Δf — доплеровский сдвиг частоты (Гц)

v — скорость движения объекта (м/с)

f0 — исходная частота излучения (Гц). Для RCWL-0516 f0 = 3.18 ГГц = 3 180 000 000 Гц

c — скорость света (~300 000 000 м/с)

Получается такой результат:

v = (Δf * c) / (2 * f0) = (10 000 * 300 000 000) / (2 * 3 180 000 000) ≈ 471 м/с

На этом фоне попытаться обнаружить дрейф в 10 Гц (доплеровский сдвиг для скоростей движения человека) — все равно что пытаться измерить линейкой толщину слоя краски на футбольном поле во время урагана. Это технически бессмысленно.

Как работает RCWL-0516 на самом деле

Не Доплер, а Интерферометр: Основной принцип работы — не эффект Доплера (изменение частоты отраженного сигнала), а интерференция излученного и отраженного сигналов, приводящая к фазовым сдвигам и, как следствие, к амплитудной модуляции результирующего сигнала. Движущийся объект меняет картину стоячих волн, что и детектируется.

Почему Доплер невозможен: Для скоростей человека (0.1-1 м/с) доплеровский сдвиг составляет 2-20 Гц. Простой LC-генератор датчика имеет нестабильность на порядки выше (десятки кГц). Обнаружить сдвиг в 10 Гц на фоне дрейфа в 10 000 Гц технически нереально.

Роль BISS0001: Микросхема является универсальным процессором низкочастотных флуктуаций. Ей неважна природа сигнала — изменение тепловой картины (PIR) или изменение амплитуды СВЧ-сигнала, вызванное движением (RCWL-0516). Она усиливает, фильтрует и детектирует само факт изменения.