【導讀】智能家居應用和連接設備的數量不斷增長(cháng)，用戶(hù)的日常生活越來(lái)越方便。但是，這卻導致了高能耗，因為即使無(wú)人在場(chǎng)，這些設備通常也處于長(cháng)期活躍或待機模式，以便隨時(shí)投入使用。這些設備配備采用英飛凌 XENSIV? 毫米波雷達傳感器的智能設備后，不但可提高能效，而且更加智能，更加可持續。
智能樓宇和智能家居日益受到歡迎，預計其數量將在未來(lái)數年內大幅增長(cháng)：目前，估計全球智能家居數量已超過(guò) 2 億，預計這一數字將在今后幾年內突破 5 億。
預計未來(lái)幾年內的全球智能家居數量將超過(guò) 5 億
房屋的智能化離不開(kāi)越來(lái)越數字化的設備，這些設備的巧妙功能前所未有。但是，設備成本亦居高不下：盡管過(guò)往的待機功耗呈穩步下降趨勢，但對能源的需求卻持續增長(cháng)。智能設備即使處于“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(shí)響應用戶(hù)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，設備完全不必以待機模式運行并因此消耗能量——主要是無(wú)人在場(chǎng)的情形。
為解決這一問(wèn)題并滿(mǎn)足數字化和節能的要求，英飛凌充分利用了自己的半導體解決方案。其中就包括 XENSIV?雷達傳感器，幾乎可用于所有智能家居設備。雷達傳感器的靈敏度非常高，可檢測是否有人在場(chǎng)及設備是否需準備就緒——類(lèi)似于屏幕保護程序，如果一定時(shí)間內無(wú)鼠標或鍵盤(pán)輸入，則停用 PC 顯示器，而在檢測到新輸入時(shí)立即重新激活。借助這項可靠的在場(chǎng)和離開(kāi)檢測技術(shù)，英飛凌毫米波雷達可為真正智能、節能設備的設計提供支持。
用戶(hù)在場(chǎng)觸發(fā)活動(dòng)與持續活動(dòng)或待機
2021 年德國的一項Statista調查表明，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備。在美國，統計數字非常接近。
據 Statista 調查，美國家庭中的智能設備數量正在迅速增長(cháng)
而在中國，智能家居設備用戶(hù)的占比高達90%。這些設備與其應用多種多樣，包括：照明、安全設備；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。但是，所有設備都在增加對能源的需求，節能效果非常不好，尤其是在能源成本不斷上漲階段，而客戶(hù)更喜歡節能、可持續和環(huán)保的設備。此外，電網(wǎng)基礎設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、智能揚聲器或數字助手等設備置于“深度睡眠模式”，而不是使其處于正常待機模式。對于某些設備，這樣僅可節省幾瓦或一小部分能源。但也有一些使用情況，如果將設備置于深度睡眠模式或暫時(shí)關(guān)閉，則可節省超過(guò) 100 瓦，因為無(wú)人在場(chǎng)時(shí)，無(wú)需使用電視屏幕、筆記本電腦、音響系統或空調等設備。使用雷達傳感器后，這些設備就能感測人員是否在場(chǎng)或是否移動(dòng)；如果仍然沒(méi)有此類(lèi)脈沖，基于雷達的智能設備就可自動(dòng)切換至睡眠模式，從而節省能源。根據傳感器和實(shí)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(lái)提高能源效率
為節省能源，需重新探尋設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，僅當用戶(hù)真正需要時(shí)，也就是用戶(hù)在場(chǎng)時(shí)，設備才處于活動(dòng)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(jìn)入房間后才開(kāi)燈，或僅在室內太熱時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)空調。然而，在許多設備中，用戶(hù)仍未使用，甚至禁用諸如超時(shí)之類(lèi)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(huì )導致啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)，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(hù)體驗。
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，為何設備本身必須連接到互聯(lián)網(wǎng)才能下載天氣數據？即使監控區域內無(wú)人移動(dòng)，為何家庭安全系統的攝像頭仍始終開(kāi)啟、記錄數據、預處理數據并將其傳輸到云端？實(shí)現更智能設備激活方式的最佳方法是實(shí)施運動(dòng)檢測，通過(guò)部署雷達傳感器將設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的移動(dòng)，恒溫器就會(huì )啟動(dòng)，從而更新房屋的標準數據和源自互聯(lián)網(wǎng)的天氣數據。如果有人進(jìn)入規定區域，例如 1 m 以?xún)?，顯示屏會(huì )打開(kāi)。因此，用戶(hù)無(wú)需觸摸屏幕即可將其激活，然后等待數據更新和結果顯示。這種在場(chǎng)檢測概念可部署至其他各類(lèi)智能家居設備和電器中。
此外，如果應用空位檢測的反向原理，還可提高節能潛力。在這種情況下，如果一段時(shí)間內未檢測到房間內有任何移動(dòng)，則可關(guān)閉電視、揚聲器、智能燈和空調等設備，這樣可大幅降低功耗。由于空位檢測不是立即激活設備，而是一段時(shí)間內無(wú)人時(shí)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行一次檢查。因而，此類(lèi)傳感器模塊可為整個(gè)系統節省大量能源，而自身消耗卻很低。部署 HVAC 系統的樓宇尤其可因此而受益，因為盡管無(wú)人在場(chǎng)，但大部分能源都浪費于供暖和制冷。[1] 更糟糕的是，大多數時(shí)候，這些設備均會(huì )頻繁且長(cháng)時(shí)間運行 [2]。但是，真正的智能家居會(huì )在一段時(shí)間內無(wú)人時(shí)停用這些系統。該功能在照明系統中逐漸普及，但在空調和其他設備（如監視器、廚房電器、計算機、揚聲器和音響系統）中尚未普及。
盡管如此，用戶(hù)也可受益于電視等其他應用中的空位檢測。例如，英飛凌 BGT60LTR11AIP 雷達傳感器已用于三星 Frame TV 2021，在用戶(hù)規定的時(shí)間內，如果附近無(wú)人，則使電視從藝術(shù)模式切換至睡眠模式。這樣不僅可節省能源，還能延長(cháng)顯示器的使用壽命。
英飛凌毫米波雷達傳感器 BGT60LTR11AIP 為真正智能、節能設備的設計提供支持
如果在用戶(hù)規定的時(shí)間內未檢測到任何人，三星 Frame TV 2021 將從藝術(shù)模式切換至睡眠模式
雷達傳感器是最合適的智能家居設備感測選擇
在所有可用運動(dòng)檢測解決方案中，對于最小幅度的運動(dòng)，甚至是肉眼看不見(jiàn)的運動(dòng)，雷達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，雷達不像 PIR 傳感器那樣依賴(lài)體熱，因其采用的是主動(dòng)感測技術(shù)。從而確保檢測到幾乎沒(méi)有移動(dòng)或根本沒(méi)有移動(dòng)的人。然而，最大的優(yōu)勢之一卻是可以穿透非導電材料進(jìn)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(kāi)孔，但雷達傳感器可完全隱藏在設備內。因此，您不必在產(chǎn)品設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(dòng)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備。但是，圖像系統的功耗非常高，可能需要良好的光照條件，并且需要圖像處理來(lái)檢測視頻中的運動(dòng)，這無(wú)疑增加了能量需求。您還可能指責缺乏隱私，因為攝像頭系統會(huì )侵入私人空間——因此用戶(hù)并不完全信任。
此外，消費電子價(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。而功能強大的 PIR 解決方案，不僅影響產(chǎn)品外殼設計，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備中。
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(shí)現檢測。
雷達傳感器支持的其他智能功能
用戶(hù)通常意識不到，設備操作不當也會(huì )導致不必要的功耗。他們可能在暫時(shí)離開(kāi)時(shí)沒(méi)有關(guān)閉設備或調整設置，從而在無(wú)意中浪費了能源。但是，在雷達傳感器的幫助下，此時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行調節，因此，用戶(hù)即使什么都不考慮，也不會(huì )浪費能源。
除用作在場(chǎng)或離開(kāi)檢測器外，雷達傳感器還可為智能設備添加其他功能，例如在空調系統中。在這類(lèi)應用中，雷達傳感器與溫度和 二氧化碳傳感器結合使用時(shí)效率最高，因此系統會(huì )根據需要啟動(dòng)——比如有人在房間內、二氧化碳濃度過(guò)高或溫度超過(guò)預定義極限時(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，而雷達傳感器卻可提前檢查房間內人數并相應進(jìn)行調整，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)者位置并據此不斷優(yōu)化音量和聲音參數的音響系統?；蛘呖煽醋o兒童的電視，能夠測量觀(guān)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理人員所用的設備中，例如在跌倒時(shí)尋求幫助的警報系統。因此，雷達傳感器不僅可節省能源并改善人們的舒適度，還可在智能環(huán)境中為個(gè)人護理和安全做出貢獻，而這一切都輕而易舉。
參考文獻
[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_EnernetStudying_EnergyBuildings.pdf
[2] Norford、L.K 等人：“低能耗”辦公樓的測量性能與預測性能之間的二比一差異：基于 DOE-2 模型的調節見(jiàn)解。能源與建筑，1994，https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0378778894900051?via%3Dihub
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(yíng)銷(xiāo)人員和經(jīng)理，他負責各系列英飛凌 24G雷達 和 毫米波雷達傳感器。其中，Bernd 主要推動(dòng)所有工業(yè)、消費和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的雷達應用，包括智能家居和智能樓宇系統。
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