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雷達(dá)傳感器如何顯著提高智能家居的能源效率

發(fā)布時(shí)間:2022-05-13 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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。


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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(pán)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。


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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。


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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???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。


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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


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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。

 

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)。


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)。或者可看護(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。


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_EnernetStudying_EnergyBuildings.pdf

 

[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?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(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 24G雷達(dá) 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)。



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