Detección de presencia: PIR y microondas

01 · Punto de partida

Presencia no es distancia

Los sensores de los dos temas anteriores medían cuánto: centímetros, milímetros. Para encender la luz de un pasillo, abrir una puerta o activar una alarma no hace falta cuánto sino si hay alguien. Los sensores de presencia contestan eso con una salida digital, de todo o nada (tema 3), lo que los hace baratos, sencillos y omnipresentes. Pero esconden un problema conceptual que concentra casi todos los errores de uso: lo que detectan es cambio, es decir, movimiento. Una persona sentada y quieta, para un PIR, es invisible.

El tema recorre los dos sensores de presencia más usados en proyectos: el PIR (infrarrojo pasivo, que ve el calor del cuerpo) y el radar de microondas Doppler (que ve el movimiento por el efecto Doppler). Y dedica buena parte a lo que hace el programador: transformar un pulso de movimiento en un estado de ocupación fiable, con tiempos, arranque y tolerancia a los falsos disparos.

02 · Principio

El sensor piroeléctrico

Todo cuerpo emite radiación infrarroja según su temperatura. La longitud de onda en la que emite más (ley de desplazamiento de Wien) es:

Para la piel humana, a unos 33 °C (306 K), λ_máx ≈ 2898 / 306 ≈ 9,5 µm, en el infrarrojo lejano. Esa es la radiación que un PIR (passive infrared) busca. «Pasivo» quiere decir que no emite nada: solo escucha el calor del ambiente.

El elemento sensible es un cristal piroeléctrico: un material que, cuando su temperatura cambia, genera una carga eléctrica en su superficie. Hay un detalle crucial: responde a la variación de temperatura, no a su valor. Un cristal que recibe un flujo constante de infrarrojo deja de producir señal en cuestión de segundos. Por eso un PIR es ciego a lo que no cambia.

Para que el sensor no se dispare con cualquier variación de la temperatura ambiente, el chip tiene dos elementos conectados en oposición. Un cambio que afecta a ambos por igual (una corriente de aire, el sol que calienta la carcasa) se cancela; una fuente de calor que pasa frente a un elemento y después frente al otro produce una señal bipolar (primero positiva y después negativa) que sí se detecta.

Delante del cristal, el módulo lleva una lente de Fresnel, un plástico con facetas que divide el campo de visión en muchas zonas alternadas. Una persona que cruza el campo pasa de una zona a otra, y cada cambio produce un pulso. La lente cumple dos funciones: amplía el ángulo de detección (hasta unos 100° o más) y multiplica los «cambios» que produce un desplazamiento pequeño. El movimiento transversal (cruzar de lado a lado) atraviesa muchas zonas; el movimiento radial (acercarse de frente) atraviesa pocas y genera una señal mucho más débil: un PIR detecta peor a quien camina directamente hacia él.

03 · El módulo

El módulo HC-SR501

El HC-SR501 es el módulo PIR más difundido. Combina el sensor, la lente, un circuito integrado que amplifica y filtra, un regulador y dos potenciómetros. Tiene tres pines: Vcc (de 4,5 a 20 V, gracias al regulador), salida y GND. La salida es un nivel de 3,3 V que un microcontrolador de 5 V o de 3,3 V lee sin adaptación (tema 3). Consume unos 50 µA en reposo, lo que lo hace apto para equipos a batería. Sus controles son:

• Sensibilidad (potenciómetro): ajusta el alcance de detección de unos 3 a 7 m.
• Tiempo de retardo (potenciómetro): cuánto tiempo permanece alta la salida tras una detección; de unos 5 s a varios minutos según el modelo.
• Modo de disparo (puente de soldadura o jumper): repetible (H) o único (L).

Hay además dos temporizaciones fijas que casi nadie lee en la hoja y que causan sorpresas: el tiempo de bloqueo (unos 2,5 s, durante los cuales la salida baja y el módulo no responde) y el calentamiento inicial (alrededor de 1 minuto tras la alimentación, durante el cual el módulo se estabiliza y puede dar disparos falsos).

La diferencia entre los modos es importante para el programa:

En un proyecto con microcontrolador conviene casi siempre el modo repetible con retardo mínimo: la salida sigue al movimiento con poco retraso, y es el programa (no el potenciómetro) quien decide cuánto tiempo se considera ocupado el espacio. El tiempo configurado en el módulo se vuelve un detalle de hardware, y el significado «hay alguien» queda en el software, donde es fácil de ajustar y de probar.

04 · El programa

De movimiento a ocupación

El PIR entrega eventos de movimiento. Para controlar una luz hace falta un estado de ocupación: «la habitación está ocupada» desde la primera detección hasta que pasó un tiempo razonable sin ninguna. Ese intervalo es el tiempo de vacío (T_vacío). La lógica es una máquina de dos estados con un temporizador, y es una vez más el esquema de confirmación del tema 16:

const uint8_t  PIN_PIR   = 2;
const uint8_t  PIN_LUZ   = 9;
const uint32_t T_CALENTAMIENTO = 60000UL;   // el módulo se estabiliza durante ≈ 1 minuto
const uint32_t T_VACIO         = 120000UL;  // sin movimiento durante 2 minutos = habitación vacía

bool     ocupado = false;
uint32_t tUltimoMovimiento = 0;

void setup() {
    pinMode(PIN_PIR, INPUT);
    pinMode(PIN_LUZ, OUTPUT);
}

void loop() {
    uint32_t ahora = millis();
    bool calentado = ahora >= T_CALENTAMIENTO;

    if (calentado) {                                       // durante el calentamiento se ignora la salida
        if (digitalRead(PIN_PIR)) {
            tUltimoMovimiento = ahora;
            ocupado = true;
        } else if (ocupado && ahora - tUltimoMovimiento >= T_VACIO) {
            ocupado = false;
        }
    }
    digitalWrite(PIN_LUZ, ocupado);

    // ... el resto del programa sigue corriendo sin esperas
}

Tres decisiones de diseño merecen atención:

• El tiempo de vacío se elige según lo que hace la gente en ese espacio. En un pasillo, 30 s alcanzan; en un escritorio, donde alguien trabaja casi inmóvil durante minutos, 10 a 15 minutos. Un T_vacío corto apaga la luz sobre quien está sentado; uno largo desperdicia energía.
• El calentamiento se maneja ignorando la salida durante el primer minuto. Sin eso, el arranque enciende la luz sin motivo.
• El estado nunca se pierde por un pulso perdido: como cada detección reinicia la cuenta, varios movimientos espaciados por menos de T_vacío mantienen la ocupación continua, aunque la salida del módulo baje entre uno y otro (los bloqueos del modo único, por ejemplo).

Ahorrar energía: dormir hasta que haya movimiento

Como la salida del módulo es un nivel digital y consume pocos microamperios, un equipo a batería puede dormir el microcontrolador y despertarlo con una interrupción por flanco ascendente de la salida del PIR (tema 20 del curso de Microcontroladores). El microcontrolador pasa casi todo el tiempo en modo de bajo consumo, atiende el evento y vuelve a dormirse. Es el patrón típico de un sensor inalámbrico de presencia que dura meses con una batería (tema 40 de ese curso). Lo único que hay que cuidar es el bloqueo posterior al disparo: el módulo no volverá a interrumpir durante esos 2,5 s.

05 · Los errores

Falsos positivos y negativos

Un detector de presencia se equivoca de dos maneras opuestas. Un falso positivo es detectar algo que no es una persona (una luz encendida sin motivo); un falso negativo es no detectar a una persona presente (la luz se apaga con alguien trabajando). Cada uno cuesta distinto según la aplicación, y las contramedidas también:

La estrategia general contra los falsos positivos es pedir más evidencia: exigir dos detecciones separadas dentro de una ventana (por ejemplo, 10 s) antes de declarar ocupación, o combinar dos sensores de principio distinto. Contra los falsos negativos, una memoria larga (T_vacío). Ambas estrategias tienen un costo: lo primero retrasa la respuesta; lo segundo, el apagado.

06 · Otro principio

Radar de microondas Doppler

Los módulos de microondas como el RCWL-0516 son pequeños radares. Emiten una onda de radiofrecuencia continua (unos 3,2 GHz en el RCWL-0516; 10,525 GHz en los módulos HB100) y miden la onda que regresa. Si el reflector se mueve, la frecuencia de la onda reflejada cambia: es el efecto Doppler. Mezclando la señal emitida con la recibida, queda un tono de baja frecuencia proporcional a la velocidad del movimiento:

donde v es la velocidad radial del objeto, f₀ la frecuencia emitida y c la velocidad de la luz. Para una persona que camina a 1,5 m/s frente a un módulo de 3,2 GHz: f = 2 × 1,5 × 3,2×109 / 3×108 = 32 Hz; para un movimiento lento, de 0,1 m/s, solo 2,1 Hz. Con un módulo de 10,525 GHz, la misma persona a 1 m/s da 70 Hz. El circuito detecta ese tono y activa la salida.

La ventaja de poder atravesar materiales es también el defecto: un radar detecta a alguien en el pasillo, del otro lado de un tabique, y enciende la luz del cuarto. Y como mide velocidad y no temperatura, se dispara con un ventilador, una cortina o un objeto mecánico que vibra. Tampoco ve a la persona quieta: el efecto Doppler requiere movimiento.

07 · Elegir y complementar

Combinar tecnologías

Los dos sensores fallan de manera distinta, lo que invita a combinarlos. Los detectores de movimiento de uso profesional son de doble tecnología: un PIR y un radar de microondas, con una lógica que decide cuándo disparar:

• AND (ambos tienen que detectar): reduce mucho los falsos positivos, porque un calentador no mueve ninguna onda reflejada y un ventilador no emite calor. Aumenta el riesgo de falsos negativos. Es el modo de las alarmas.
• OR (basta con uno): cubre mejor, con más falsos positivos. Se usa para iluminación.
• Mantener con el segundo: disparar con el PIR y mantener la ocupación mientras cualquiera de los dos detecte, para atenuar la persona quieta.

Para detectar a una persona quieta hace falta una tecnología distinta. Los radares de onda milimétrica (por ejemplo, los módulos de 24 GHz como el LD2410) miden la presencia de personas inmóviles por los pequeños movimientos de la respiración, y entregan datos por puerto serie: estado (movimiento, presencia estática o nada), distancia y energía. Son el reemplazo moderno del PIR en aplicaciones donde la persona se queda quieta durante mucho tiempo.

08 · Analogía con programación

Los dos modos del módulo y el tiempo de vacío

La lógica de este tema se prueba bien sin hardware. Simulamos 180 segundos con un patrón de movimiento (una persona que se mueve entre los segundos 5 y 8, hace dos gestos sueltos en el 20 y el 22 y camina entre el 60 y el 70) y aplicamos primero el modelo del módulo en sus dos modos, con un retardo de 10 s y un bloqueo de 3 s, y después la lógica de ocupación del programa. También los cálculos de Wien y Doppler.

C = 3e8

# ---- Wien y Doppler ----
print(f"Piel a 33 °C: lambda máx = {2898 / 306:.2f} µm")
for nombre, f0, v in (("RCWL-0516 (3,2 GHz)", 3.2e9, 1.5), ("RCWL-0516, movimiento lento", 3.2e9, 0.1), ("HB100 (10,525 GHz)", 10.525e9, 1.0)):
    print(f"{nombre:30s} v = {v:3.1f} m/s -> {2 * v * f0 / C:5.1f} Hz")

# ---- Dos modos de disparo del módulo PIR ----
MOVIMIENTO = {5, 6, 7, 8, 20, 22, *range(60, 71)}          # segundos con movimiento
DURACION, DELAY, BLOQUEO = 180, 10, 3


def salida_repetible():
    salida, mantener = [], 0
    for t in range(DURACION):
        if t in MOVIMIENTO:
            mantener = DELAY                                  # cada movimiento reinicia el retardo
        salida.append(mantener > 0)
        if mantener > 0:
            mantener -= 1
    return salida


def salida_unica():
    salida, estado, cuenta = [], "espera", 0
    for t in range(DURACION):
        alta = False
        if estado == "espera" and t in MOVIMIENTO:
            estado, cuenta = "alto", DELAY
        if estado == "alto":
            alta = True
            cuenta -= 1
            if cuenta == 0:
                estado, cuenta = "bloqueo", BLOQUEO           # durante el bloqueo se ignora el movimiento
        elif estado == "bloqueo":
            cuenta -= 1
            if cuenta == 0:
                estado = "espera"
        salida.append(alta)
    return salida


def luz(salida, vacio):
    """Lista de (segundo, encendida) con el tiempo de vacío del programa."""
    cambios, ocupado, ultimo, previa = [], False, -10**9, False
    for t, alta in enumerate(salida):
        if alta:
            ultimo, ocupado = t, True
        elif ocupado and t - ultimo >= vacio:
            ocupado = False
        if ocupado != previa:
            cambios.append((t, ocupado))
            previa = ocupado
    return cambios


print()
for nombre, salida in (("repetible", salida_repetible()), ("único", salida_unica())):
    print(f"Modo {nombre:9s}: {sum(salida)} s con la salida alta")
    print(f"   luz con la salida directa: {luz(salida, 1)}")
    print(f"   luz con tiempo de vacío de 45 s: {luz(salida, 45)}")

Resultado: la piel emite con un máximo en 9,47 µm; el movimiento de 1,5 m/s da 32 Hz con 3,2 GHz, el lento de 0,1 m/s da 2,1 Hz y 1 m/s con 10,525 GHz da 70,2 Hz. El modo repetible mantiene la salida alta 45 s en total, el único 30 s. Si la luz sigue directamente a la salida del módulo, se enciende y apaga 3 veces (6 cambios) en cualquiera de los dos modos; con un tiempo de vacío de 45 s, el programa mantiene la luz encendida de forma continua desde el segundo 5 y la apaga una sola vez: en el 124 (repetible) o en el 114 (único). Probá un tiempo de vacío de 25 s y mirá cuándo vuelve a parpadear.

La lección: el módulo entrega pulsos de movimiento con tiempos fijos propios; el significado «ocupado» es del programa. El modelo no incluye ruido ni falsos disparos; sirve para razonar sobre tiempos.

09 · Exploración interactiva

El simulador de PIR y ocupación

El simulador avanza un segundo por paso. Marcá «Persona moviéndose» para generar movimiento continuo, o usá los botones para un movimiento breve o un falso positivo (una ráfaga de aire caliente). Elegí el modo de disparo del módulo, su retardo y el tiempo de vacío del programa, y mirá en el gráfico de los últimos 120 s el movimiento real, la salida del PIR y el estado de la luz.

El gráfico muestra tres franjas: arriba, los segundos con movimiento real (los falsos positivos se marcan igual, porque el sensor no puede distinguirlos); en el medio, la salida del módulo; abajo, la luz que decide el programa.

Recorrido guiado

1. Con el modo repetible, retardo de 5 s y tiempo de vacío de 1 s (la luz sigue a la salida), presioná «Movimiento breve»: la salida queda alta unos 6 s (2 s de movimiento, el último reinicia el retardo de 5 s) y la luz la acompaña.
2. Marcá «Persona moviéndose» durante unos 10 s y desmarcala: la salida se mantiene mientras haya movimiento y baja 5 s después del último.
3. Pasá al modo único con retardo de 10 s y marcá «Persona moviéndose»: la salida da pulsos de 10 s separados por 3 s de bloqueo. Con la luz siguiendo directamente a la salida (vacío de 1 s), parpadea cada 13 s.
4. Subí el tiempo de vacío a 10 s: los bloqueos de 3 s ya no apagan la luz. Una persona moviéndose mantiene la habitación ocupada de forma continua.
5. Dejá de mover a la persona y mirá la luz: sigue encendida hasta pasados el retardo y el tiempo de vacío desde el último movimiento. Una persona sentada y quieta (el simulador no genera movimiento) termina a oscuras: el falso negativo clásico. Con 60 s la luz resiste más.
6. Presioná «Falso positivo»: el módulo lo trata como movimiento y la luz se enciende por el retardo más el tiempo de vacío. El sensor no puede distinguirlo; solo una regla del programa (pedir dos detecciones en una ventana) o un segundo sensor lo haría.
7. Marcá «Simular el calentamiento» y reiniciá: durante los primeros 60 s la salida del módulo queda bloqueada, aunque haya movimiento, y el estado es «calentando».

10 · Método de trabajo

Cómo elegir y programar un detector de presencia

1. Definí qué querés detectar: personas en movimiento, personas presentes aunque estén quietas, una puerta que se abre.
2. Elegí la tecnología: PIR para movimiento humano con bajo consumo; microondas si hay que atravesar un material; radar milimétrico para presencia estática; combinaciones si el costo del error es alto.
3. Pensá la instalación: altura, orientación (que la gente cruce el campo), alejamiento de calefactores, rejillas de aire y ventanas soleadas.
4. Usá el modo repetible con retardo mínimo y llevá el tiempo de ocupación al programa.
5. Ignorá la salida durante el calentamiento (≈ 1 minuto) y desacoplá la alimentación.
6. Elegí el tiempo de vacío según el comportamiento de la gente, no según el módulo.
7. Definí el costo de cada tipo de error y, si hace falta, exigí dos detecciones o dos sensores.
8. Para equipos a batería, dormí el microcontrolador y despertalo con la interrupción del PIR.
9. Probá en el lugar real y a las horas reales: el sol, la calefacción y las mascotas aparecen recién allí.

Si la luz se enciende sola, buscá primero fuentes de calor y de aire, la alimentación y el arranque; si se apaga con alguien presente, el tiempo de vacío, la orientación del sensor y el movimiento radial.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. La radiación del cuerpo

La piel humana está a unos 33 °C. ¿En qué longitud de onda emite el máximo de radiación (Wien: 2898 µm·K / T)?

2. La frecuencia Doppler

Un módulo de microondas de 3,2 GHz ve a una persona que se acerca a 1,5 m/s. ¿Qué frecuencia tiene el tono Doppler? ¿Y si se mueve a 0,1 m/s?

3. Los dos modos

El retardo es 10 s y el bloqueo, 3 s. Hay movimientos en los segundos 0 y 6. ¿Hasta cuándo está alta la salida en el modo repetible? ¿Y en el modo único?

4. Tiempo de vacío en un escritorio

Una persona escribe en su escritorio y el PIR registra un movimiento cada 90 s. Con módulo repetible de retardo 5 s, ¿qué tiempo de vacío evita que la luz se apague? ¿Y qué problema genera?

5. El arranque

El microcontrolador y el módulo PIR se alimentan al mismo tiempo. El programa enciende la luz en cuanto la salida es alta. ¿Qué pasa y cómo se evita?

6. Elegir la tecnología

Elegí PIR, microondas o radar milimétrico para: (a) la luz de un pasillo, con alimentación de red; (b) un sensor a batería que debe durar un año; (c) detectar si hay alguien durmiendo en una cama.

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 20?

Antes de avanzar, explicá por qué un PIR no ve a una persona quieta, calculá la frecuencia Doppler de un movimiento de 0,5 m/s con un módulo de 3,2 GHz y justificá por qué conviene resolver el tiempo de ocupación en el programa y no con el potenciómetro del módulo. Si podés justificar las tres respuestas, ya sabés usar detectores de presencia.

En el próximo tema estudiamos los acelerómetros, giroscopios e IMU: los sensores MEMS, la gravedad, la velocidad angular y la lectura por I2C del MPU-6050.