RCWL-0516 Mikrowellenradar Bewegungssensor

Über den Beitrag

In diesem Beitrag meiner Reihe über Licht-, Gestik-, Bewegungs- und Abstandssensoren möchte ich den RCWL-0516 vorstellen. Man findet im Netz eine ganze Reihe von Seiten, die diesen Bewegungssensor beschreiben. Warum also noch ein Beitrag dazu? Nun, das Verhalten des RCWL-0516 lässt sich durch Auflöten von (Foto-)Widerständen und Kondensatoren steuern. Das ist zwar vom Prinzip her an vielen Stellen beschrieben, aber nur recht oberflächlich. Vor allem fand ich kaum etwas darüber, welche Bauteilgrößen (Widerstandswerte / Kapazitäten) welchen quantitativen Effekt erzielen. Deshalb ist das der Hauptaspekt des Beitrags. Darüber hinaus werde ich kurz auf das Funktionsprinzip eingehen, die technischen Eigenschaften des Moduls erläutern und beschreiben wie man den RCWL-0516 mit einem Arduino betreibt.

Das Funktionsprinzip

Im Gegensatz zum PIR HC-SR501, den ich in meinem letzten Beitrag beschrieben hatte, ist der RCWL-0516 ein aktiver Sensor. Er sendet Mikrowellen mit einer Frequenz von ~3,18 Megahertz aus und analysiert die reflektierte Strahlung. Dazu benutzt er den Doppler-Effekt, den die meisten von euch sicherlich kennen. Falls nicht: das ist der Effekt, der dazu führt, dass die Sirene eines herannahenden Krankenwagens höher klingt als wenn er sich entfernt. In der Astronomie macht man sich den Effekt zu Nutze, indem man die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit von Sternen bestimmt. Bewegt sich ein Stern auf die Erde zu, dann ist sein Licht in den blauen Bereich verschoben, also kurzwelliger. Entsprechend ist das Licht in den roten Bereich verschoben, also langwelliger, wenn er sich von der Erde weg bewegt.

Und woher kommt das? Licht und Schall breiten sich als Wellen aus, das heißt mit einer bestimmten Frequenz. Bewegt man sich in Richtung der Quelle, dann wird man von mehr Wellen pro Zeiteinheit getroffen. Deshalb erscheint die Frequenz erhöht. Bewegt man sich von der Quelle weg, dann ist es entsprechend anders herum.

Wer noch mehr über die Funktion des RCWL-0516 wissen möchte, dem empfehle ich diese Seite

RCWL-0516 Modul, Vorder- und Rückansicht
RCWL-0516 Modul

Eigenschaften des RCWL-0516 Moduls

Die wichtigsten technischen Daten lauten: 

  • max. Reichweite: 5-7m (Voreinstellung)
  • Spannungsversorgung: 4 -28 VDC (oder 3.3 VDC, siehe unten)
  • Stromverbrauch: ~2.7 mA
  • Signallevel an OUT: 3.3 V (Bewegung) / 0 V (keine Bewegung)
  • Signallänge: ca. 2 s (Voreinstellung) 
  • Maximaler Ausgangsstrom: 100 mA

Man kann das Modul auch mit 3.3 Volt betreiben, indem man den 3.3 V Pin als Eingang benutzt. Ansonsten bietet der 3.3 V Ausgang eine bequeme Möglichkeit einen Microcontroller mit Strom zu versorgen der nur diese Spannung verträgt. 

Bezüglich der Reichweite muss ich sagen, dass ich die überall angegebenen 7 Meter nicht erreichen konnte. Ohne Hindernisse war bei 6 Metern Schluss mit mir als zu erfassendem Objekt.

Interessant ist, dass – materialabhängig – Gegenstände von der Mikrowellenstrahlung durchdrungen werden können. So konnte ich Bewegungen auch durch eine geschlossene Zimmertür detektieren. 

Zur Reichweite habe ich unterschiedliche Angaben gefunden. Die einen schreiben 120°, die nächsten 200°. Nach meiner Erfahrung sind es jedoch stolze 360°, wenn auch nicht mit maximaler Reichweite in jede Richtung. Vielleicht sind es an Wänden reflektierte Signale, die ungünstige Winkel noch abdecken. 

Wirklich detaillierte Datenblätter habe ich nicht gefunden. Hier ein typisches Beispiel. Normalerweise bekommt man noch wertvolle Informationen, wenn man nach den auf den Modulen verbauten ICs (hier: RCWL-9196) sucht. Aber auch dazu gab es nichts Brauchbares.  

Pinout des RCWL-0516

VIN / GND dienen der Spannungsversorgung. OUT liefert das Bewegungssignal. 3V3 hatte ich schon erklärt. An CDS könnt ihr einen externen Photowiderstand (LDR) anschließen um den OUT Pin bei Tageslicht zu deaktivieren. Details dazu folgen noch. Ihr könnt den Pin aber auch benutzen um den OUT Pin ohne LDR zu deaktivieren, indem ihr ihn mit GND verbindet. Das Modul ist aber trotzdem noch aktiv, ihr erzielt also keinen Vorteil hinsichtlich seines Stromverbrauchs.

Wofür steht CDS?

CDS steht für Cadmiumsulfid und das ist die fotoaktive Substanz in den meisten LDRs. Manchmal werden LDRs deswegen auch CDS Photowiderstände genannt. 

Einstellungen am RCWL-0516

Wenn ihr euch das Modul genauer anschaut, dann seht ihr drei (pinlose) Jumper auf der Rückseite und einen Anschluss für einen LDR (CDS) auf der Vorderseite. Am RCWL-0516 lassen sich drei Einstellungen vornehmen, indem man diese Jumper mit Widerständen und Kondensatoren bestückt:

  • CDS / R-CDS: durch Anschluss eines LDR an CDS und eines geeigneten Widerstandes an R-CDS lässt sich der OUT Ausgang bei Tageslicht deaktivieren 
    • Alternativ zum Auflöten eines LDR kann man diesen auch an den CDS Pin anschließen. Die andere Seite des LDR kommt an GND. 
  • R-GN: durch Anschluss eines geeigneten Widerstandes lässt sich die Reichweite herabsetzen
  •  C-TM: durch Anschluss eines geeigneten Kondensators lässt sich die Signallänge variieren.

Wie schon erwähnt ist nur wenig darüber zu finden, wie die Bauteilparameter zu wählen sind. Aus diesem Grund habe ich ein bisschen herumprobiert und dazu erst einmal Steckbrückenkabel an die Jumper gelötet:

Anschluss von Steckbrückenkabeln an den RCWL-0516
Anschluss von Steckbrückenkabeln an den RCWL-0516

Damit ließ sich dann auf dem Breadboard herumspielen:

Versuchsaufbau zur Ermittlung der geeigneten Widerstände und Kondensatoren

Die zugehörige Schaltung am Arduino sieht folgendermaßen aus (die Jumperanschlüsse habe ich mir in dem Schema gespart):

Schaltung: RCWL-0516 am Arduino

Und hier der zugehörige, sehr übersichtliche Sketch:

int outPin = 2;
int ledPin = 13;

void setup() {
  
  pinMode(outPin, INPUT);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);

}

void loop() {
  while(digitalRead(outPin)==1){
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  }
  digitalWrite(ledPin, LOW);

}

Einstellung der Signallänge

In Datenblättern und Produktinformationen findet man zur Einstellung der Signallänge den folgenden Hinweis:

Nicht gerade hilfreich – oder kann mir jemand erklären, was das im Hinblick auf die zu wählende Kapazität heißen soll? Ich habe deshalb eine Reihe von Kondensatoren an C-TM angeschlossen und dann die Signallänge gemessen (siehe unten). Dabei kam heraus, dass der Zusammenhang zwischen Kapazität und Signallänge einigermaßen linear ist. Wie hoch man mit der Kapazität gehen kann, weiß ich nicht, denn ich hatte schlicht keine Lust länger als 240 s (bei 1 µF) zu warten. 

Einstellung der Signallänge des RCWL-0516 über die Kondensatorgröße

Einstellung der Tageslichtabschaltung

Wenn ihr den Bewegungssensor zum Anschalten einer Lampe benutzt, dann macht es durchaus Sinn, diese Funktion bei Tageslicht zu deaktivieren. Wie schon erwähnt, lötet ihr dazu entweder einen LDR an den CDS Anschluss auf dem Modul oder ihr hängt einen LDR an den CDS Pin. Das allein reicht aber nicht aus, denn so deaktiviert ihr OUT auch bei Dunkelheit. Ihr müsst zusätzlich einen Widerstand an R-CDS anbringen. Die Größe dieses Widerstandes legt fest bei welcher Helligkeit das OUT Signal wieder aktiv wird. 

Um das quantitativ zu erfassen, habe ich verschiedene Widerstände an R-CDS angeschlossen und einen Poti an CDS. Dann habe ich ausgetestet bei welchem Grenzwiderstand OUT aktiv bzw. inaktiv wird. Auch hier zeigte sich ein linearer Zusammenhang. Der OUT Pin wird aktiv (bzw. inaktiv) wenn der LDR einen Widerstand erreicht der bei ca. einem Drittel des Widerstandes an R-CDS liegt. 

Einstellung der Tageslichtabschaltung über LDR vs R-CDS

Einstellung der Reichweite

Immerhin: zur Einstellung der Reichweite findet man den Hinweis, dass ein 1 MOhm Widerstand an R-GN die Reichweite auf 5 Meter senkt. Ich habe das und verschiedene andere Widerstände hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Reichweite getestet. Im Gegensatz zu den anderen Einstellungen kann ich nur hier nur grobe Richtwerte liefern, da sich die Reichweite nicht wirklich exakt messen lässt. Und es ist zu beachten, dass ich sowieso die 7 Meter Reichweite nicht nachvollziehen konnte. Hier also meine Ergebnisse:

  • ohne Widerstand: ca. 6 Meter
  • R-GN = 1 MΩ: ca. 4.5 Meter
  • R-GN = 470 kΩ: ca. 2.5 Meter
  • R-GN = 270 kΩ: ca. 1.5 Meter
  • R-GN = 100 kΩ: 0 Meter (keine Bewegung wird erkannt)

RCWL-0516 vs PIR HC-SR501

Dank seiner Einstellungsmöglichkeiten lässt sich der RCWL-0516 im Prinzip genauso nutzen wie der etwas weiter verbreitete PIR HC-SR501. Bei beiden braucht man für die klassische Anwendung „Schalte bei Bewegung das Licht an“ keinen Microcontroller. Ein Relais reicht. 

Nachteilig ist beim RCWL-0516 natürlich, dass man Widerstände und Kondensatoren auflöten muss um die Einstellungen zu ändern. Ein Vorteil hingegen ist seine integrierbare Tageslichtabschaltung. 

Die maximale Reichweite des PIRs ist etwas weiter als die des RCWL-0516. Innerhalb des Erfassungsbereiches erscheint mir jedoch der RCWL-0516 erheblich empfindlicher – was nicht unbedingt ein Vorteil sein muss. Der PIR reagiert etwas spezifischer auf Lebewesen, wohingegen der RCWL-0516 z.B. auch schon bei Wind auf kleinere Bewegungen von Pflanzen reagiert.

Ein Vorteil des RCWL-0516 ist, dass seine Mikrowellenstrahlung viele Materialien durchdringen kann (Faustregel: alles was in der Mikrowelle nicht heiß wird) und man ihn so besser verstecken oder schützen kann als den PIR. 

Danksagung

Für das Beitragsbild habe ich wieder Bilder von Pixabay genutzt: 

2 thoughts on “RCWL-0516 Mikrowellenradar Bewegungssensor

  1. Diese Informationen helfen wirklich weiter und sind gut zu gebrauchen. Danke dass du dir diese Mühe gemacht hast.
    Kann man auch den Mikrowellenkocher auf Lecks kontrollieren?
    Andreas

    1. Erst einmal vielen Dank für den freundlichen Kommentar!
      Da der Sensor auf Abweichungen zu der ausgesendeten Frequenz reagiert, könnte man in der Tat auf den Gedanken kommen, dass auch jede andere Mikrowellenstrahlung wie eine Bewegung detektiert wird. Allerdings ist der RCWL-0516 ein ziemlich hochgezüchtetes Gerät, dass auf sehr geringe Frequenzabweichungen zur ausgesendeten Strahlung getrimmt ist. Bewegt man sich mit 1 m/s auf den Sensor zu, liegt die Dopplerverschiebung gerade mal bei ca. 10 Hz. Bei 3.18 GHz schon eine ziemliche Leistung. Mikrowellenherde haben meist eine Frequenz von 2.45 GHz. Das ist so weit weg, dass der Sensor damit nichts anfangen kann. Übrigens funktioniert W-Lan auch mit 2.4 GHz (oder 5 GHz), so dass der Router oder das Handy dann auch wechselwirken müssten – tun sie aber nicht.

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