MotionSentry este un dispozitiv integrat pentru detectarea și urmărirea mișcării, bazat pe senzori infraroșu. Acesta scanează mediul înconjurător, iar la detectarea unei mișcări, orientează automat dispozitivul în direcția respectivă. Reprezintă o soluție lightweight de simulare a unui modul de tip motion tracker, utilizând un singur senzor.

Scopul proiectului este de a oferi o metodă eficientă și accesibilă pentru integrarea funcționalității de urmărire a mișcării în diverse proiecte sau dispozitive, cu un consum minim de resurse. Rezultatul constă într-un suport capabil de scanare și urmărire în timp real, ușor de integrat în alte sisteme prin simplul principiu de clip-on.

Ideea centrală a proiectului este construirea unei baze pentru o cameră video inteligentă, care, pe lângă o simplă mișcare de tip sweep pe un unghi de 180°, are și capacitatea de a se orienta automat către sursele de mișcare detectate, oferind astfel un plus de securitate. Acest concept este scalabil și poate fi aplicat oricărui dispozitiv care beneficiază de urmărirea mișcării, fără a necesita o precizie extremă.

Utilitatea sistemului derivă din simplitatea și versatilitatea sa, putând fi folosit într-o varietate de contexte. Proiectul în sine este relativ ușor de realizat din punct de vedere al resurselor și conceptelor utilizate, fiind o soluție de tip DIY pentru problema propusă. Exemplele prezentate sunt doar o parte din scenariile în care acest dispozitiv își poate dovedi valoarea.

Sistemul este compus din următoarele componente hardware și software:

Componente hardware principale:

• ESP32-WROOM - microcontroller central
• HC-SR501 PIR Sensor - senzor de detectare a mișcării
• 2x Servomotoare SG90 - pentru scanare și urmărire
• Buzzer pasiv 5V - pentru alarmă la detectarea mișcării
• 2 surse de alimentare separate (3xAA și 4xAA)

Module software:

• Scanner - controlează mișcarea de scanare a senzorului PIR
• Sentry - responsabil pentru urmărirea mișcării detectate
• PIR - gestionează detectarea mișcării prin senzorul infraroșu
• Buzzer - controlează semnalele audio
• WiFi - creează și menține serverul web pentru monitorizare

Interacțiunea componentelor:

• Senzorul PIR este montat pe primul servomotor și scanează zona
• La detectarea mișcării, al doilea servomotor orientează dispozitivul către sursa mișcării
• ESP32 gestionează comunicația între module și expune datele prin serverul web
• Buzzer-ul emite semnale sonore la detectarea mișcării

Element de noutate: implementarea unui design lightweight, usor de folosit si integrat in alte circuite sau proiecte hardware, functionalitatea fiind similara unui framework sau API din contexte orientate-software.

Sistemul folosește două surse separate de alimentare pentru o funcționare optimă:

• 3xAA + regulator step-up 5V pentru alimentarea ESP32 și a buzzer-ului
• 4xAA direct pentru alimentarea servomotoarelor și a senzorului PIR

Această separare este esențială pentru a evita interferențele și căderile de tensiune cauzate de consumul variabil al servomotoarelor, care ar putea afecta funcționarea stabilă a microcontroller-ului.

Alegerea acestor pini a fost făcută ținând cont de cerințele specifice ale fiecărei componente:

• Pinii D18 și D19 sunt utilizați pentru componente care necesită semnale PWM
• Pinul D23 pentru PIR suportă întreruperi, ceea ce permite reacții rapide la mișcare
• Pinii sunt grupați pentru o organizare mai bună a cablajului

Autonomie estimată:

• Cu bateriile 3xAA (2000mAh) pentru ESP32: ~16 ore
• Cu bateriile 4xAA (2000mAh) pentru servomotoare și PIR: ~8 ore în utilizare intensivă

Codul, împreună cu toate resursele folosite, se pot găsi pe pagina de GitHub.

Mediu de dezvoltare: Visual Studio Code, folosind extensia oficială PlatformIO

Dependențe externe:

• framework-ul Arduino din PlatformIO
• madhephaestus/ESP32Servo - pentru controlul servomotoarelor prin PWM

Structura codului:

• main: punctul de pornire, inițializare și legătură între toate componentele
• buzzer/: funcții legate de acțiunea buzzer-ului
• PIR/: logica din spatele detecției mișcării
• scanner/: configurează mișcarea treptată a PIR-ului (și a servomotorului aferent)
• sentry/: implementarea urmăririi mișcării efective detectate de senzor
• wifi/: parte pseudo-izolată de restul sistemului, în care se pornește wifi-ul și se creează serverul web
• firmware_compress.py: script de compresie gzip a fișierelor firmware

Arhitectura software:

• Conform diagramei de semnal, proiectul conține 3 componente majore care activează simultan:
  • Primul servo, cel care mișcă PIR-ul
  • Al doilea servo, care urmărește mișcarea efectivă
  • Serverul web
• Toate componentele rulează pe același core FreeRTOS, fiind utilizată noțiunea de “concurrency” (+ sincronizările asociate)
• Ele interacționează prin intermediul unor variabile volatile de tip bool, care marchează schimbarea stării sistemului și determină un feedback din partea componentei afectate (pe serial și fizic)

Concepte folosite:

1. GPIO - pentru controlul componentelor conectate
2. UART - pentru afisare de mesaje pe serial
3. Întreruperi - detectarea mișcării generează o întrerupere
4. Timere - mișcarea PIR-ului se face pe baza unui timer la intervale și unghiuri predefinite
5. PWM - necesar în mișcarea servomotoarelor și în acționarea asupra buzzer-ului
6. Wi-Fi - ESP32 creează un server web unde afișează momentul de timp al ultimei mișcări detectate
7. FreeRTOS - folosit pentru a separa cele 3 procese descrise anterior

Calibrarea senzorului PIR:

• Aceasta a fost realizată luând în considerare delay-ul dintre detecții
• Valoarea acestui delay a fost aleasă astfel încât să fie minimală, dar să evite totuși fals-pozitive (de exemplu, detectarea aceleiași mișcări de 2 ori, sau pornirea alarmei atunci când senzorul în sine se mișcă)
• Această calibrare se poate observa și în partea software, prin noțiunea de debounce

Optimizări:

Au fost realizate 3 tipuri de optimizări: ale dimensiunii firmware-ului, ale eficienței de execuție a codului și optimizări legate de power management.

1. Dimensiune Firmware
   • Optimizări de genul opțiunii -Os la compilare
   • Fișierul rezultat se trece printr-un script Python de compresare gzip
   • Aceste optimizări s-au realizat după sesizarea utilizării excesive ale memoriei flash de pe ESP32

1. Eficiență cod:
   • API-ul FreeRTOS pentru crearea de task-uri pe același core împarte codul în funcție de partea implementată
   • Evitarea oricăror algoritmi / structuri de date care ar putea încetini execuția (analiză tradeoff funcționalitate-overhead)

1. Power management:
   • Orice componente ESP32 care nu sunt folosite au fost dezactivate (ex: bluetooth, partiții de fișiere SPIFFS)
   • WiFi nu poate fi pus pe sleep, deoarece ar contrazice funcționalitatea proiectului în sine (trebuie să fie mereu activ log-ul)

Funcționalitate principală:

• Detectarea fiabilă a mișcării pe un unghi de 180° prin scanare continuă
• Orientarea precisă spre sursa mișcării în mai puțin de 300ms
• Interfață web accesibilă pentru monitorizarea evenimentelor de mișcare în timp real
• Autonomie satisfăcătoare pentru un dispozitiv portabil

Performanță:

• Raza de detecție: până la 7 metri (conform specificațiilor senzorului PIR)
• Timp de reacție: 200-300ms de la detectarea mișcării până la orientarea completă
• Consum mediu: sub 200mA în funcționare normală (fără alarme frecvente)
• Fiabilitate crescută prin separarea surselor de alimentare

Limitări identificate:

• Sensibilitatea senzorului PIR variază în funcție de condițiile de mediu
• Servomotoarele consumă energie semnificativă în timpul operațiilor de scanare continuă
• Autonomia poate fi îmbunătățită prin optimizări suplimentare de energie
• Impulsurile primite de la senzor sunt ignorate pe perioada schimbarii unghiului de orientare

Proiectul MotionSentry demonstrează posibilitatea implementării unui sistem de urmărire a mișcării eficient și accesibil utilizând componente comune și un microcontroller ESP32. Principalele realizări includ:

• Implementarea unui algoritm de scanare și urmărire cu un singur senzor PIR
• Utilizarea eficientă a resurselor microcontroller-ului prin separarea task-urilor
• Optimizarea consumului de energie prin separarea surselor de alimentare
• Crearea unei interfețe web pentru monitorizare și control

Direcții de dezvoltare ulterioară:

• Adăugarea unui modul de cameră pentru înregistrarea mișcării detectate
• Implementarea unui sistem de notificări push pe telefonul utilizatorului
• Optimizarea suplimentară a consumului de energie pentru autonomie extinsă
• Integrarea cu alte sisteme de automatizare pentru casa inteligentă

Codul sursă și toate fișierele proiectului sunt disponibile pe pagina de GitHub: GitHub Repository.

Proiectul include:

• Cod sursă complet organizat modular
• Fișier README cu instrucțiuni de instalare și utilizare
• Script de compilare și încărcare
• Scheme de conectare a componentelor

• Confirmare temă proiect: 30.04.2025
• Comandă piese: 03.05.2025
• Documentație idee generală și componente: 04.05.2025
• Schemă bloc: 04.05.2025
• Ridicare piese: 08.05.2025
• Conectare piese la breadboard + legături între ele: 10.05.2025
• Implementare separare surse de alimentare: 12.05.2025
• Optimizare consum de energie: 14.05.2025
• Finalizare parte software: 15.05.2025
• Finalizare pagina de wiki si github: 16.05.2025

Export to PDF