雷達傳感器如何顯著提高智能家居的能源效率

本文作者：Bernd Kohler，英飛凌科技股份公司物聯(lián)網(wǎng)雷達傳感器產(chǎn)品經(jīng)理和營銷人員

智能家居應(yīng)用和連接設(shè)備的數(shù)量不斷增長，用戶的日常生活越來越方便。但是，這卻導(dǎo)致了高能耗，因為即使無人在場，這些設(shè)備通常也處于長期活躍或待機模式，以便隨時投入使用。這些設(shè)備配備采用英飛凌 XENSIV? 毫米波雷達傳感器的智能設(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)計其數(shù)量將在未來數(shù)年內(nèi)大幅增長：目前，估計全球智能家居數(shù)量已超過 2 億，預(yù)計這一數(shù)字將在今后幾年內(nèi)突破 5 億。、

預(yù)計未來幾年內(nèi)的全球智能家居數(shù)量將超過 5 億

房屋的智能化離不開越來越數(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：盡管過往的待機功耗呈穩(wěn)步下降趨勢，但對能源的需求卻持續(xù)增長。智能設(shè)備即使處于“關(guān)閉”狀態(tài)也需要能量，因其只能選擇待機模式，才可即時響應(yīng)用戶輸入（例如通過語音控制）或提供來自智能家居或網(wǎng)絡(luò)的最新信息。此外，很多時候，設(shè)備完全不必以待機模式運行并因此消耗能量——主要是無人在場的情形。

為解決這一問題并滿足數(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?雷達傳感器，幾乎可用于所有智能家居設(shè)備。雷達傳感器的靈敏度非常高，可檢測是否有人在場及設(shè)備是否需準備就緒——類似于屏幕保護程序，如果一定時間內(nèi)無鼠標或鍵盤輸入，則停用 PC 顯示器，而在檢測到新輸入時立即重新激活。借助這項可靠的在場和離開檢測技術(shù)，英飛凌毫米波雷達可為真正智能、節(jié)能設(shè)備的設(shè)計提供支持。

用戶在場觸發(fā)活動與持續(xù)活動或待機

2021 年德國的一項Statista調(diào)查表明，在 3000 多名年齡為 18 至 64 歲的德國人中，四分之三以上擁有至少一臺智能家居設(shè)備。在美國，統(tǒng)計數(shù)字非常接近。

據(jù) Statista 調(diào)查，美國家庭中的智能設(shè)備數(shù)量正在迅速增長

而在中國，智能家居設(shè)備用戶的占比高達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越大。

無人在場時，降低能耗的一種方法是將恒溫器、智能揚聲器或數(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模式。對于某些設(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關(guān)閉，則可節(jié)省超過 100 瓦，因為無人在場時，無需使用電視屏幕、筆記本電腦、音響系統(tǒng)或空調(diào)等設(shè)備。使用雷達傳感器后，這些設(shè)備就能感測人員是否在場或是否移動；如果仍然沒有此類脈沖，基于雷達的智能設(shè)備就可自動切換至睡眠模式，從而節(jié)省能源。根據(jù)傳感器和實施的不同，雷達模塊本身的功耗僅為幾 mW，最高為 0.1 W，這遠低于許多電子設(shè)備的通電或標準待機模式的能量需求。

如何使用雷達傳感器來提高能源效率

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——也包括耗電的待機模式。我們要求，僅當(dāng)用戶真正需要時，也就是用戶在場時，設(shè)備才處于活動或待機狀態(tài)。這就是我們目前在“非智能”家中所做的事情，進入房間后才開燈，或僅在室內(nèi)太熱時手動啟動空調(diào)。然而，在許多設(shè)備中，用戶仍未使用，甚至禁用諸如超時之類的省電功能。主要是因為那些與高級功能相關(guān)的特性通常會導(dǎo)致啟動時間過長，以及缺乏最新信息，尤其是在麻煩的手動重新激活之后，因此會明顯影響客戶體驗。

但是，新智能方法可以解決許多問題：為何必須打開恒溫器的顯示屏，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)無人移動，為何家庭安全系統(tǒng)的攝像頭仍始終開啟、記錄數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)皆贫耍繉崿F(xiàn)更智能設(shè)備激活方式的最佳方法是實施運動檢測，通過部署雷達傳感器將設(shè)備從深度睡眠模式中喚醒。

例如，可默認關(guān)閉智能恒溫器，而僅激活雷達檢測模塊。只要雷達檢測到房間內(nèi)的移動，恒溫器就會啟動，從而更新房屋的標準數(shù)據(jù)和源自互聯(lián)網(wǎng)的天氣數(shù)據(jù)。如果有人進入規(guī)定區(qū)域，例如 1 m 以內(nèi)，顯示屏?xí)蜷_。因此，用戶無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。這種在場檢測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，如果一段時間內(nèi)未檢測到房間內(nèi)有任何移動，則可關(guān)閉電視、揚聲器、智能燈和空調(diào)等設(shè)備，這樣可大幅降低功耗。由于空位檢測不是立即激活設(shè)備，而是一段時間內(nèi)無人時有針對性地停用，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，因為盡管無人在場，但大部分能源都浪費于供暖和制冷。[1] 更糟糕的是，大多數(shù)時候，這些設(shè)備均會頻繁且長時間運行 [2]。但是，真正的智能家居會在一段時間內(nèi)無人時停用這些系統(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、計算機、揚聲器和音響系統(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。例如，英飛凌 BGT60LTR11AIP 雷達傳感器已用于三星 Frame TV 2021，在用戶規(guī)定的時間內(nèi)，如果附近無人，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，還能延長顯示器的使用壽命。

雷達傳感器是最合適的智能家居設(shè)備感測選擇

在所有可用運動檢測解決方案中，對于最小幅度的運動，甚至是肉眼看不見的運動，雷達傳感器的靈敏度最高。PIR 傳感器的靈敏度無法相提并論。此外，雷達不像 PIR 傳感器那樣依賴體熱，因其采用的是主動感測技術(shù)。從而確保檢測到幾乎沒有移動或根本沒有移動的人。然而，最大的優(yōu)勢之一卻是可以穿透非導(dǎo)電材料進行檢測。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)品外殼上開孔，但雷達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動檢測，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檢測視頻中的運動，這無疑增加了能量需求。您還可能指責(zé)缺乏隱私，因為攝像頭系統(tǒng)會侵入私人空間——因此用戶并不完全信任。

此外，消費電子價格下降增加了組件的成本壓力。因此，3D ToF（飛行時間）和攝像頭傳感器通常因過于昂貴而無法用于在場檢測。而功能強大的 PIR 解決方案，不僅影響產(chǎn)品外殼設(shè)計，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 雷達傳感器所需支持組件最少，尤其是在自主運行中，因此對系統(tǒng)成本的影響最小。雷達傳感器體積很小，因此也可集成到小而薄的電子設(shè)備中。

雷達傳感器支持的其他智能功能

用戶通常意識不到，設(shè)備操作不當(dāng)也會導(dǎo)致不必要的功耗。他們可能在暫時離開時沒有關(guān)閉設(shè)備或調(diào)整設(shè)置，從而在無意中浪費了能源。但是，在雷達傳感器的幫助下，此時可自動進行調(diào)節(jié)，因此，用戶即使什么都不考慮，也不會浪費能源。

除用作在場或離開檢測器外，雷達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，雷達傳感器與溫度和 二氧化碳傳感器結(jié)合使用時效率最高，因此系統(tǒng)會根據(jù)需要啟動——比如有人在房間內(nèi)、二氧化碳濃度過高或溫度超過預(yù)定義極限時。其他傳感技術(shù)通常只提供在場或離開等二進制信息，而雷達傳感器卻可提前檢查房間內(nèi)人數(shù)并相應(yīng)進行調(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兒童的電視，能夠測量觀看者的距離，并在兒童的眼睛距離屏幕太近時發(fā)出警告。還可用于老年人或需護理人員所用的設(shè)備中，例如在跌倒時尋求幫助的警報系統(tǒng)。因此，雷達傳感器不僅可節(jié)省能源并改善人們的舒適度，還可在智能環(huán)境中為個人護理和安全做出貢獻，而這一切都輕而易舉。

此外，雷達傳感器在多塵、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)境中實現(xiàn)檢測。

參考文獻

[1] Martani、Claudio 等人：ENERNET：建筑使用率與能源消耗之間的動態(tài)關(guān)系研究。能源與建筑，2011

[2] Norford、L.K 等人：“低能耗”辦公樓的測量性能與預(yù)測性能之間的二比一差異：基于 DOE-2 模型的調(diào)節(jié)見解。能源與建筑，1994

Bernd Kohler

擁有物理學(xué) (M.Sc.) 背景，并在 2020 年加入英飛凌雷達團隊之前完成了 MBA 學(xué)業(yè)。作為產(chǎn)品營銷人員和經(jīng)理，他負責(zé)各系列英飛凌 24 和 毫米波雷達傳感器。其中，Bernd 主要推動所有工業(yè)、消費和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的雷達應(yīng)用，包括智能家居和智能樓宇系統(tǒng)。

審核編輯 黃宇