雷达传感器如何显著提高智能家居的能源效率

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【导读】智能家居应用和连接设备的数量不断增长,用户的日常生活越来越方便。但是,这却导致了高能耗,因为即使无人在场,这些设备通常也处于长期活跃或待机模式,以便随时投入使用。这些设备配备采用英飞凌 XENSIV™ 毫米波雷达传感器的智能设备后,不但可提高能效,而且更加智能,更加可持续。

 

智能楼宇和智能家居日益受到欢迎,预计其数量将在未来数年内大幅增长:目前,估计全球智能家居数量已超过 2 亿,预计这一数字将在今后几年内突破 5 亿。


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预计未来几年内的全球智能家居数量将超过 5 亿

 

房屋的智能化离不开越来越数字化的设备,这些设备的巧妙功能前所未有。但是,设备成本亦居高不下:尽管过往的待机功耗呈稳步下降趋势,但对能源的需求却持续增长。智能设备即使处于“关闭”状态也需要能量,因其只能选择待机模式,才可即时响应用户输入(例如通过语音控制)或提供来自智能家居或网络的最新信息。此外,很多时候,设备完全不必以待机模式运行并因此消耗能量——主要是无人在场的情形。

 

为解决这一问题并满足数字化和节能的要求,英飞凌充分利用了自己的半导体解决方案。其中就包括 XENSIV™雷达传感器,几乎可用于所有智能家居设备。雷达传感器的灵敏度非常高,可检测是否有人在场及设备是否需准备就绪——类似于屏幕保护程序,如果一定时间内无鼠标或键盘输入,则停用 PC 显示器,而在检测到新输入时立即重新激活。借助这项可靠的在场和离开检测技术,英飞凌毫米波雷达可为真正智能、节能设备的设计提供支持。


用户在场触发活动与持续活动或待机


2021 年德国的一项Statista调查表明,在 3000 多名年龄为 18 至 64 岁的德国人中,四分之三以上拥有至少一台智能家居设备。在美国,统计数字非常接近。


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据 Statista 调查,美国家庭中的智能设备数量正在迅速增长


而在中国,智能家居设备用户的占比高达90%。这些设备与其应用多种多样,包括:照明、安全设备;电视、笔记本电脑和条形音箱等消费电子产品;厨房电器和空调。但是,所有设备都在增加对能源的需求,节能效果非常不好,尤其是在能源成本不断上涨阶段,而客户更喜欢节能、可持续和环保的设备。此外,电网基础设施所面临的压力也越来越大。

 

无人在场时,降低能耗的一种方法是将恒温器、智能扬声器或数字助手等设备置于“深度睡眠模式”,而不是使其处于正常待机模式。对于某些设备,这样仅可节省几瓦或一小部分能源。但也有一些使用情况,如果将设备置于深度睡眠模式或暂时关闭,则可节省超过 100 瓦,因为无人在场时,无需使用电视屏幕、笔记本电脑、音响系统或空调等设备。使用雷达传感器后,这些设备就能感测人员是否在场或是否移动;如果仍然没有此类脉冲,基于雷达的智能设备就可自动切换至睡眠模式,从而节省能源。根据传感器和实施的不同,雷达模块本身的功耗仅为几 mW,最高为 0.1 W,这远低于许多电子设备的通电或标准待机模式的能量需求。


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如何使用雷达传感器来提高能源效率


为节省能源,需重新探寻设备必须始终可用且保持连接的方法——也包括耗电的待机模式。我们要求,仅当用户真正需要时,也就是用户在场时,设备才处于活动或待机状态。这就是我们目前在“非智能”家中所做的事情,进入房间后才开灯,或仅在室内太热时手动启动空调。然而,在许多设备中,用户仍未使用,甚至禁用诸如超时之类的省电功能。主要是因为那些与高级功能相关的特性通常会导致启动时间过长,以及缺乏最新信息,尤其是在麻烦的手动重新激活之后,因此会明显影响客户体验。

 

但是,新智能方法可以解决许多问题:为何必须打开恒温器的显示屏,为何设备本身必须连接到互联网才能下载天气数据?即使监控区域内无人移动,为何家庭安全系统的摄像头仍始终开启、记录数据、预处理数据并将其传输到云端?实现更智能设备激活方式的最佳方法是实施运动检测,通过部署雷达传感器将设备从深度睡眠模式中唤醒。

 

例如,可默认关闭智能恒温器,而仅激活雷达检测模块。只要雷达检测到房间内的移动,恒温器就会启动,从而更新房屋的标准数据和源自互联网的天气数据。如果有人进入规定区域,例如 1 m 以内,显示屏会打开。因此,用户无需触摸屏幕即可将其激活,然后等待数据更新和结果显示。这种在场检测概念可部署至其他各类智能家居设备和电器中。

 

此外,如果应用空位检测的反向原理,还可提高节能潜力。在这种情况下,如果一段时间内未检测到房间内有任何移动,则可关闭电视、扬声器、智能灯和空调等设备,这样可大幅降低功耗。由于空位检测不是立即激活设备,而是一段时间内无人时有针对性地停用,因此传感器模块本身可保持停用状态,并且每隔几秒或几分钟执行一次检查。因而,此类传感器模块可为整个系统节省大量能源,而自身消耗却很低。部署 HVAC 系统的楼宇尤其可因此而受益,因为尽管无人在场,但大部分能源都浪费于供暖和制冷。[1] 更糟糕的是,大多数时候,这些设备均会频繁且长时间运行 [2]。但是,真正的智能家居会在一段时间内无人时停用这些系统。该功能在照明系统中逐渐普及,但在空调和其他设备(如监视器、厨房电器、计算机、扬声器和音响系统)中尚未普及。

 

尽管如此,用户也可受益于电视等其他应用中的空位检测。例如,英飞凌 BGT60LTR11AIP 雷达传感器已用于三星 Frame TV 2021,在用户规定的时间内,如果附近无人,则使电视从艺术模式切换至睡眠模式。这样不仅可节省能源,还能延长显示器的使用寿命。


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英飞凌毫米波雷达传感器 BGT60LTR11AIP 为真正智能、节能设备的设计提供支持


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如果在用户规定的时间内未检测到任何人,三星 Frame TV 2021 将从艺术模式切换至睡眠模式


雷达传感器是最合适的智能家居设备感测选择


在所有可用运动检测解决方案中,对于最小幅度的运动,甚至是肉眼看不见的运动,雷达传感器的灵敏度最高。PIR 传感器的灵敏度无法相提并论。此外,雷达不像 PIR 传感器那样依赖体热,因其采用的是主动感测技术。从而确保检测到几乎没有移动或根本没有移动的人。然而,最大的优势之一却是可以穿透非导电材料进行检测。虽然红外、超声波、摄像头或其他基于图像的传感器不得遮盖或需要在产品外壳上开孔,但雷达传感器可完全隐藏在设备内。因此,您不必在产品设计方面做出任何妥协,且可避免额外的制造步骤以及因此而更改外壳的成本。

 

另一种可能性是基于摄像头的运动检测,例如用于摄像头、电视、笔记本电脑或其他已配备合适图像传感器的设备。但是,图像系统的功耗非常高,可能需要良好的光照条件,并且需要图像处理来检测视频中的运动,这无疑增加了能量需求。您还可能指责缺乏隐私,因为摄像头系统会侵入私人空间——因此用户并不完全信任。

 

此外,消费电子价格下降增加了组件的成本压力。因此,3D ToF(飞行时间)和摄像头传感器通常因过于昂贵而无法用于在场检测。而功能强大的 PIR 解决方案,不仅影响产品外壳设计,还需额外的菲涅耳透镜、放大器、控制器等,从而增加 BOM(物料清单)成本。英飞凌 BGT60LTR11AIP 雷达传感器所需支持组件最少,尤其是在自主运行中,因此对系统成本的影响最小。雷达传感器体积很小,因此也可集成到小而薄的电子设备中。

 

此外,雷达传感器在多尘、多烟或潮湿的环境中也很非常耐用,而某些基于激光的 ToF 传感器或其他图像传感器可能难以在这样的环境中实现检测。


雷达传感器支持的其他智能功能


用户通常意识不到,设备操作不当也会导致不必要的功耗。他们可能在暂时离开时没有关闭设备或调整设置,从而在无意中浪费了能源。但是,在雷达传感器的帮助下,此时可自动进行调节,因此,用户即使什么都不考虑,也不会浪费能源。

 

除用作在场或离开检测器外,雷达传感器还可为智能设备添加其他功能,例如在空调系统中。在这类应用中,雷达传感器与温度和 二氧化碳传感器结合使用时效率最高,因此系统会根据需要启动——比如有人在房间内、二氧化碳浓度过高或温度超过预定义极限时。其他传感技术通常只提供在场或离开等二进制信息,而雷达传感器却可提前检查房间内人数并相应进行调整,甚至可检查人员位置和距离,从而控制气流方向。

 

还有许多其他可能用例,例如跟踪聆听者位置并据此不断优化音量和声音参数的音响系统。或者可看护儿童的电视,能够测量观看者的距离,并在儿童的眼睛距离屏幕太近时发出警告。还可用于老年人或需护理人员所用的设备中,例如在跌倒时寻求帮助的警报系统。因此,雷达传感器不仅可节省能源并改善人们的舒适度,还可在智能环境中为个人护理和安全做出贡献,而这一切都轻而易举。


参考文献


[1] Martani、Claudio 等人:ENERNET:建筑使用率与能源消耗之间的动态关系研究。能源与建筑,2011,http://senseable.mit.edu/papers/pdf/20120401_Martani_etal_EnernetStudying_EnergyBuildings.pdf

 

[2] Norford、L.K 等人:“低能耗”办公楼的测量性能与预测性能之间的二比一差异:基于 DOE-2 模型的调节见解。能源与建筑,1994,https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0378778894900051?via%3Dihub

 

Bernd Kohler


拥有物理学 (M.Sc.) 背景,并在 2020 年加入英飞凌雷达团队之前完成了 MBA 学业。作为产品营销人员和经理,他负责各系列英飞凌 24G雷达 和 毫米波雷达传感器。其中,Bernd 主要推动所有工业、消费和物联网相关的雷达应用,包括智能家居和智能楼宇系统。



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