雷達(dá)傳感器如何顯著提高智能家居的能源效率
智能家居應(yīng)用和連接設(shè)備的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，用戶的日常生活越來(lái)越方便。但是，這卻導(dǎo)致了高能耗，因?yàn)榧词篃o(wú)人在場(chǎng)，這些設(shè)備通常也處于長(zhǎng)期活躍或待機(jī)模式，以便隨時(shí)投入使用。這些設(shè)備配備采用英飛凌 XENSIV™ 毫米波雷達(dá)傳感器的智能設(shè)備后，不但可提高能效，而且更加智能，更加可持續(xù)。
智能樓宇和智能家居日益受到歡迎，預(yù)計(jì)其數(shù)量將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)大幅增長(zhǎng)：目前，估計(jì)全球智能家居數(shù)量已超過(guò) 2 億，預(yù)計(jì)這一數(shù)字將在今后幾年內(nèi)突破 5 億。、
預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)的全球智能家居數(shù)量將超過(guò) 5 億
房屋的智能化離不開(kāi)越來(lái)越數(shù)字化的設(shè)備，這些設(shè)備的巧妙功能前所未有。但是，設(shè)備成本亦居高不下：盡管過(guò)往的待機(jī)功耗呈穩(wěn)步下降趨勢(shì)，但對(duì)能源的需求卻持續(xù)增長(zhǎng)。智能設(shè)備即使處于“關(guān)閉”狀態(tài)也需要能量，因其只能選擇待機(jī)模式，才可即時(shí)響應(yīng)用戶輸入（例如通過(guò)語(yǔ)音控制）或提供來(lái)自智能家居或網(wǎng)絡(luò)的最新信息。此外，很多時(shí)候，設(shè)備完全不必以待機(jī)模式運(yùn)行并因此消耗能量——主要是無(wú)人在場(chǎng)的情形。
為解決這一問(wèn)題并滿足數(shù)字化和節(jié)能的要求，英飛凌充分利用了自己的半導(dǎo)體解決方案。其中就包括 XENSIV™雷達(dá)傳感器，幾乎可用于所有智能家居設(shè)備。雷達(dá)傳感器的靈敏度非常高，可檢測(cè)是否有人在場(chǎng)及設(shè)備是否需準(zhǔn)備就緒——類似于屏幕保護(hù)程序，如果一定時(shí)間內(nèi)無(wú)鼠標(biāo)或鍵盤輸入，則停用 PC 顯示器，而在檢測(cè)到新輸入時(shí)立即重新激活。借助這項(xiàng)可靠的在場(chǎng)和離開(kāi)檢測(cè)技術(shù)，英飛凌毫米波雷達(dá)可為真正智能、節(jié)能設(shè)備的設(shè)計(jì)提供支持。
用戶在場(chǎng)觸發(fā)活動(dòng)與持續(xù)活動(dòng)或待機(jī)
2021 年德國(guó)的一項(xiàng)Statista調(diào)查表明，在 3000 多名年齡為 18 至 64 歲的德國(guó)人中，四分之三以上擁有至少一臺(tái)智能家居設(shè)備。在美國(guó)，統(tǒng)計(jì)數(shù)字非常接近。
據(jù) Statista 調(diào)查，美國(guó)家庭中的智能設(shè)備數(shù)量正在迅速增長(zhǎng)
而在中國(guó)，智能家居設(shè)備用戶的占比高達(dá)90%。這些設(shè)備與其應(yīng)用多種多樣，包括：照明、安全設(shè)備；電視、筆記本電腦和條形音箱等消費(fèi)電子產(chǎn)品；廚房電器和空調(diào)。但是，所有設(shè)備都在增加對(duì)能源的需求，節(jié)能效果非常不好，尤其是在能源成本不斷上漲階段，而客戶更喜歡節(jié)能、可持續(xù)和環(huán)保的設(shè)備。此外，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施所面臨的壓力也越來(lái)越大。
無(wú)人在場(chǎng)時(shí)，降低能耗的一種方法是將恒溫器、智能揚(yáng)聲器或數(shù)字助手等設(shè)備置于“深度睡眠模式”，而不是使其處于正常待機(jī)模式。對(duì)于某些設(shè)備，這樣僅可節(jié)省幾瓦或一小部分能源。但也有一些使用情況，如果將設(shè)備置于深度睡眠模式或暫時(shí)關(guān)閉，則可節(jié)省超過(guò) 100 瓦，因?yàn)闊o(wú)人在場(chǎng)時(shí)，無(wú)需使用電視屏幕、筆記本電腦、音響系統(tǒng)或空調(diào)等設(shè)備。使用雷達(dá)傳感器后，這些設(shè)備就能感測(cè)人員是否在場(chǎng)或是否移動(dòng)；如果仍然沒(méi)有此類脈沖，基于雷達(dá)的智能設(shè)備就可自動(dòng)切換至睡眠模式，從而節(jié)省能源。根據(jù)傳感器和實(shí)施的不同，雷達(dá)模塊本身的功耗僅為幾 mW，最高為 0.1 W，這遠(yuǎn)低于許多電子設(shè)備的通電或標(biāo)準(zhǔn)待機(jī)模式的能量需求。
如何使用雷達(dá)傳感器來(lái)提高能源效率
為節(jié)省能源，需重新探尋設(shè)備必須始終可用且保持連接的方法——也包括耗電的待機(jī)模式。我們要求，僅當(dāng)用戶真正需要時(shí)，也就是用戶在場(chǎng)時(shí)，設(shè)備才處于活動(dòng)或待機(jī)狀態(tài)。這就是我們目前在“非智能”家中所做的事情，進(jìn)入房間后才開(kāi)燈，或僅在室內(nèi)太熱時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)。然而，在許多設(shè)備中，用戶仍未使用，甚至禁用諸如超時(shí)之類的省電功能。主要是因?yàn)槟切┡c高級(jí)功能相關(guān)的特性通常會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以及缺乏最新信息，尤其是在麻煩的手動(dòng)重新激活之后，因此會(huì)明顯影響客戶體驗(yàn)。
但是，新智能方法可以解決許多問(wèn)題：為何必須打開(kāi)恒溫器的顯示屏，為何設(shè)備本身必須連接到互聯(lián)網(wǎng)才能下載天氣數(shù)據(jù)？即使監(jiān)控區(qū)域內(nèi)無(wú)人移動(dòng)，為何家庭安全系統(tǒng)的攝像頭仍始終開(kāi)啟、記錄數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)皆贫耍繉?shí)現(xiàn)更智能設(shè)備激活方式的最佳方法是實(shí)施運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)部署雷達(dá)傳感器將設(shè)備從深度睡眠模式中喚醒。
例如，可默認(rèn)關(guān)閉智能恒溫器，而僅激活雷達(dá)檢測(cè)模塊。只要雷達(dá)檢測(cè)到房間內(nèi)的移動(dòng)，恒溫器就會(huì)啟動(dòng)，從而更新房屋的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和源自互聯(lián)網(wǎng)的天氣數(shù)據(jù)。如果有人進(jìn)入規(guī)定區(qū)域，例如 1 m 以內(nèi)，顯示屏?xí)蜷_(kāi)。因此，用戶無(wú)需觸摸屏幕即可將其激活，然后等待數(shù)據(jù)更新和結(jié)果顯示。這種在場(chǎng)檢測(cè)概念可部署至其他各類智能家居設(shè)備和電器中。
此外，如果應(yīng)用空位檢測(cè)的反向原理，還可提高節(jié)能潛力。在這種情況下，如果一段時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到房間內(nèi)有任何移動(dòng)，則可關(guān)閉電視、揚(yáng)聲器、智能燈和空調(diào)等設(shè)備，這樣可大幅降低功耗。由于空位檢測(cè)不是立即激活設(shè)備，而是一段時(shí)間內(nèi)無(wú)人時(shí)有針對(duì)性地停用，因此傳感器模塊本身可保持停用狀態(tài)，并且每隔幾秒或幾分鐘執(zhí)行一次檢查。因而，此類傳感器模塊可為整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省大量能源，而自身消耗卻很低。部署 HVAC 系統(tǒng)的樓宇尤其可因此而受益，因?yàn)楸M管無(wú)人在場(chǎng)，但大部分能源都浪費(fèi)于供暖和制冷。[1] 更糟糕的是，大多數(shù)時(shí)候，這些設(shè)備均會(huì)頻繁且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行 [2]。但是，真正的智能家居會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)人時(shí)停用這些系統(tǒng)。該功能在照明系統(tǒng)中逐漸普及，但在空調(diào)和其他設(shè)備（如監(jiān)視器、廚房電器、計(jì)算機(jī)、揚(yáng)聲器和音響系統(tǒng)）中尚未普及。
盡管如此，用戶也可受益于電視等其他應(yīng)用中的空位檢測(cè)。例如，英飛凌 BGT60LTR11AIP 雷達(dá)傳感器已用于三星 Frame TV 2021，在用戶規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，如果附近無(wú)人，則使電視從藝術(shù)模式切換至睡眠模式。這樣不僅可節(jié)省能源，還能延長(zhǎng)顯示器的使用壽命。
左圖：英飛凌毫米波雷達(dá)傳感器 BGT60LTR11AIP 為真正智能、節(jié)能設(shè)備的設(shè)計(jì)提供支持
右圖：如果在用戶規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到任何人，三星 Frame TV 2021 將從藝術(shù)模式切換至睡眠模式
雷達(dá)傳感器是最合適的智能家居設(shè)備感測(cè)選擇
在所有可用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)解決方案中，對(duì)于最小幅度的運(yùn)動(dòng)，甚至是肉眼看不見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)傳感器的靈敏度最高。PIR 傳感器的靈敏度無(wú)法相提并論。此外，雷達(dá)不像 PIR 傳感器那樣依賴體熱，因其采用的是主動(dòng)感測(cè)技術(shù)。從而確保檢測(cè)到幾乎沒(méi)有移動(dòng)或根本沒(méi)有移動(dòng)的人。然而，最大的優(yōu)勢(shì)之一卻是可以穿透非導(dǎo)電材料進(jìn)行檢測(cè)。雖然紅外、超聲波、攝像頭或其他基于圖像的傳感器不得遮蓋或需要在產(chǎn)品外殼上開(kāi)孔，但雷達(dá)傳感器可完全隱藏在設(shè)備內(nèi)。因此，您不必在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面做出任何妥協(xié)，且可避免額外的制造步驟以及因此而更改外殼的成本。
另一種可能性是基于攝像頭的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，例如用于攝像頭、電視、筆記本電腦或其他已配備合適圖像傳感器的設(shè)備。但是，圖像系統(tǒng)的功耗非常高，可能需要良好的光照條件，并且需要圖像處理來(lái)檢測(cè)視頻中的運(yùn)動(dòng)，這無(wú)疑增加了能量需求。您還可能指責(zé)缺乏隱私，因?yàn)閿z像頭系統(tǒng)會(huì)侵入私人空間——因此用戶并不完全信任。
此外，消費(fèi)電子價(jià)格下降增加了組件的成本壓力。因此，3D ToF（飛行時(shí)間）和攝像頭傳感器通常因過(guò)于昂貴而無(wú)法用于在場(chǎng)檢測(cè)。而功能強(qiáng)大的 PIR 解決方案，不僅影響產(chǎn)品外殼設(shè)計(jì)，還需額外的菲涅耳透鏡、放大器、控制器等，從而增加 BOM（物料清單）成本。英飛凌 BGT60LTR11AIP 雷達(dá)傳感器所需支持組件最少，尤其是在自主運(yùn)行中，因此對(duì)系統(tǒng)成本的影響最小。雷達(dá)傳感器體積很小，因此也可集成到小而薄的電子設(shè)備中。
雷達(dá)傳感器支持的其他智能功能
用戶通常意識(shí)不到，設(shè)備操作不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致不必要的功耗。他們可能在暫時(shí)離開(kāi)時(shí)沒(méi)有關(guān)閉設(shè)備或調(diào)整設(shè)置，從而在無(wú)意中浪費(fèi)了能源。但是，在雷達(dá)傳感器的幫助下，此時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，用戶即使什么都不考慮，也不會(huì)浪費(fèi)能源。
除用作在場(chǎng)或離開(kāi)檢測(cè)器外，雷達(dá)傳感器還可為智能設(shè)備添加其他功能，例如在空調(diào)系統(tǒng)中。在這類應(yīng)用中，雷達(dá)傳感器與溫度和 二氧化碳傳感器結(jié)合使用時(shí)效率最高，因此系統(tǒng)會(huì)根據(jù)需要啟動(dòng)——比如有人在房間內(nèi)、二氧化碳濃度過(guò)高或溫度超過(guò)預(yù)定義極限時(shí)。其他傳感技術(shù)通常只提供在場(chǎng)或離開(kāi)等二進(jìn)制信息，而雷達(dá)傳感器卻可提前檢查房間內(nèi)人數(shù)并相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，甚至可檢查人員位置和距離，從而控制氣流方向。
還有許多其他可能用例，例如跟蹤聆聽(tīng)者位置并據(jù)此不斷優(yōu)化音量和聲音參數(shù)的音響系統(tǒng)；蛘呖煽醋o(hù)兒童的電視，能夠測(cè)量觀看者的距離，并在兒童的眼睛距離屏幕太近時(shí)發(fā)出警告。還可用于老年人或需護(hù)理人員所用的設(shè)備中，例如在跌倒時(shí)尋求幫助的警報(bào)系統(tǒng)。因此，雷達(dá)傳感器不僅可節(jié)省能源并改善人們的舒適度，還可在智能環(huán)境中為個(gè)人護(hù)理和安全做出貢獻(xiàn)，而這一切都輕而易舉。
此外，雷達(dá)傳感器在多塵、多煙或潮濕的環(huán)境中也很非常耐用，而某些基于激光的 ToF 傳感器或其他圖像傳感器可能難以在這樣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
參考文獻(xiàn)
[1] Martani、Claudio 等人：ENERNET：建筑使用率與能源消耗之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系研究。能源與建筑，2011，http://senseable.mit.edu/papers/pdf/20120401_Martani_etal_EnernetStudyin...
[2] Norford、L.K 等人：“低能耗”辦公樓的測(cè)量性能與預(yù)測(cè)性能之間的二比一差異：基于 DOE-2 模型的調(diào)節(jié)見(jiàn)解。能源與建筑，1994，https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0378778894900051?v...
Bernd Kohler
擁有物理學(xué) (M.Sc.) 背景，并在 2020 年加入英飛凌雷達(dá)團(tuán)隊(duì)之前完成了 MBA 學(xué)業(yè)。作為產(chǎn)品營(yíng)銷人員和經(jīng)理，他負(fù)責(zé)各系列英飛凌 24 和 毫米波雷達(dá)傳感器。其中，Bernd 主要推動(dòng)所有工業(yè)、消費(fèi)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的雷達(dá)應(yīng)用，包括智能家居和智能樓宇系統(tǒng)。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2022-05-08
