雷達感測器顯著提升智慧家庭能源效率

作者 : Bernd Kohler,英飛凌科技物聯網雷達感測器產品行銷經理

雷達感測器的靈敏度非常高,可檢測是否有人在場及裝置是否需準備就緒——類似於螢幕保護裝置程式,如果一定時間內無滑鼠或鍵盤輸入,則會停用PC顯示器,而在檢測到新輸入時立即重新啟動...

智慧家庭應用和連網裝置的數量不斷增加,讓使用者的日常生活越來越方便。但是,這卻導致了高能耗,因為即使無人在場,這些裝置通常也處於長期活躍或待機模式,以便隨時投入使用。這些裝置配備採用毫米波雷達感測器——例如英飛凌科技(Infineon Technologies) XENSIV 60GHz雷達感測器的智慧裝置後,不但可提高能效,而且更加智慧,更加可持續。

智慧建築和智慧家庭日益受到歡迎,預計其數量將在未來數年內大幅增加:目前,估計全球智慧家庭數量已超過2億,預計這一數字將在今後幾年內突破5億(1)。

12017-2025年全球智慧家庭數量持續成長,預計將在未來幾年內超過5億台

房屋的智慧化離不開越來越數位化的裝置,這些裝置的巧妙功能前所未有。但是,裝置成本亦居高不下:儘管過往的待機功耗呈穩步下降趨勢,但對能源的需求卻持續這一成長。智慧裝置即使處於「關閉」狀態也需要能量,因其只能選擇待機模式,才可即時回應用戶輸入(例如透過語音控制)或提供來自智慧家庭或網路的最新資訊。此外,很多時候,裝置完全不必以待機模式運行並因此消耗能量——特別是無人在場的情形。

為了解決這一問題並滿足數位化和節能的要求,英飛凌利用自家半導體解決方案,包括幾乎可用於所有智慧家庭裝置的XENSIV雷達感測器。雷達感測器的靈敏度非常高,可檢測是否有人在場及裝置是否需準備就緒——類似於螢幕保護裝置程式,如果一定時間內無滑鼠或鍵盤輸入,則會停用PC顯示器,而在檢測到新輸入時立即重新啟動。藉由這項可靠的在場和離開檢測技術,英飛凌毫米波雷達可為真正智慧、節能裝置的設計提供支援。

用戶在場觸發活動vs持續活動/待機

2021年Statista針對德國的一項調查表明,在3,000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台智慧家庭裝置。在美國,統計數字非常接近(2),而在中國,智慧家庭裝置使用者的比重高達90%。這些裝置與其應用種類繁多,包括照明、安全裝置;電視、筆記型電腦和揚聲器等消費電子產品;廚房電器和空調。但是,所有裝置都增加了對能源的需求,節能效果非常差,尤其是在能源成本不斷上漲階段,然而,客戶更喜歡節能、可持續和環保裝置。此外,電網基礎設施所面臨的壓力也越來越大。

According to Statista, the number of smart devices in U.S. homes is growing rapidly.

2:據Statista調查,美國家庭中的智慧裝置數量正在迅速增加中。

無人在場時,降低能耗的一種方法是將恆溫器、智慧揚聲器或數位助理等裝置置於「深度睡眠模式」,而不是使其處於正常待機模式。對於某些裝置,這樣僅可節省幾瓦或一小部份能源。但也有一些使用情況,如果將裝置置於深度睡眠模式或暫時關閉,則可節省超過100W,因為無人在場時,無需使用電視螢幕、筆記型電腦、音響系統或空調等裝置。使用雷達感測器後,這些裝置就能感測人員是否在場或是否移動;如果仍然沒有此類脈衝,基於雷達的智慧裝置就可自動切換至睡眠模式,從而節省能源。根據感測器和實施的不同,雷達模組本身的功耗僅為幾毫瓦,最高為0.1W,這遠低於許多電子裝置的通電或標準待機模式的能量需求(3)。

Potential energy savings with radar-powered smart devices

3:基於雷達的智慧裝置有望節省能源。

使用雷達感測器提高能源效率

為了節省能源,必須重新探索裝置隨時可用且常時連網的方法——也包括耗電的待機模式。我們要求裝置僅在需要(也就是使用者在場)時,才處於活動或待機狀態。這就是我們目前在「非智慧」家中所做的事情,進入房間後才開燈,或僅在室內太熱時手動啟動空調。然而,在許多裝置中,使用者仍未使用,甚至禁用諸如超時之類的省電功能。主要是因為那些與先進功能相關的特性通常會導致啟動時間過長,以及缺乏最新資訊,尤其是在麻煩的手動重新啟動之後,因此會明顯影響客戶體驗。

但是,新的智慧方法可以解決許多問題:為何必須打開恆溫器的顯示幕,為何裝置本身必須連接到網際網路才能下載天氣資料?即使監控區域內無人移動,為何家庭安全系統的攝影機仍始終開啟、記錄資料、預處理資料並將其傳輸到雲端?實現更智慧裝置啟動方式的最佳方法是實施動作檢測,透過部署雷達感測器將裝置從深度睡眠模式中喚醒。

例如,可默認關閉智慧恆溫器,而僅啟動雷達檢測模組。只要雷達檢測到房間內的移動,恆溫器就會啟動,從而更新房屋的標準資料和源自網際網路的天氣資料。如果有人進入規定區域,例如1m以內,顯示器會打開。因此,用戶無需觸控螢幕即可將其啟動,然後等待資料更新和結果顯示。這種在場檢測概念可部署至其他各類智慧家庭裝置和電器中。

此外,如果應用空位檢測(vacancy detection)的反向原理,還可提高節能潛力。在這種情況下,如果一段時間內未檢測到房間內有任何移動,則可關閉電視、揚聲器、智慧照明和空調等裝置。這樣可大幅降低功耗。由於空位檢測不是立即啟動裝置,而是一段時間內無人時才針對性地停用,因此感測器模組本身可保持停用狀態,並且每隔幾秒或幾分鐘執行一次檢查。因而,此類感測器模組可為整個系統節省大量能源,而自身消耗卻很低。部署HVAC系統的建築尤其可因此而受益,因為儘管無人在場,但大部份能源都浪費於供暖和製冷。

Infineon’s XENSIV™ 60-GHz radar sensor powers the design of truly smart, energy-saving devices

圖4:英飛凌毫米波雷達感測器支援智慧、節能裝置設計。

更糟糕的是,大多數時候,這些裝置均會頻繁且長時間運行。但是,真正的智慧家庭會在一段時間內無人時停用這些系統。該功能在照明系統中逐漸普及,但在空調和其他裝置(如監視器、廚房電器、電腦、揚聲器和音響系統)中尚未普及。

儘管如此,使用者也可受益於電視等其他應用中的空位檢測。例如,英飛凌BGT60LTR11AIP雷達感測器(4)已用於三星Frame TV 2021(5),在用戶規定的時間內,如果附近無人,則使電視從藝術模式切換至睡眠模式。這樣不僅可節省能源,還能延長顯示器的使用壽命。

Samsung Frame TV 2021 switches from Art Mode to Sleep Mode when no one has been detected for a user-specified time period.

圖5:如果在用戶規定的時間內未檢測到任何人,三星Frame TV 2021將會從藝術模式切換至睡眠模式。

適於智慧家庭的感測選擇

在所有可用動作檢測解決方案中,對於最小幅度或甚至是肉眼看不見的運動,雷達感測器的靈敏度最高。熱釋電紅外線(PIR)感測器的靈敏度無法相提並論。此外,雷達不像PIR感測器那樣依賴體熱,因其採用的是主動感測技術。從而確保檢測到幾乎沒有移動或根本沒有移動的人。然而,最大的優勢之一卻是可以穿透非導電材料進行檢測。雖然紅外線、超音波、攝影機或其他基於影像的感測器不得遮蓋或需要在產品外殼上開孔,但雷達感測器可完全隱藏在裝置內。因此,您不必在產品設計方面做出任何妥協,且可避免額外的製造步驟以及因此而更改外殼的成本。

另一種可能性是基於攝影機的動作檢測,例如用於攝影機、電視、筆記型電腦或其他已配備合適影像感測器的裝置。但是,影像系統的功耗非常高,可能需要良好的光照條件,並且需要影像處理來檢測視訊中的動作,這無疑增加了能量需求。您還可能指責缺乏隱私,因為攝影機系統會侵入私人空間——因此用戶並不完全信任。

消費電子價格下降增加了元件的成本壓力。因此,3D飛間測距(ToF)和攝影機感測器通常因過於昂貴而無法用於在場檢測。而功能強大的PIR解決方案,不僅影響產品外殼設計,還需額外的菲涅耳透鏡(Fresnel lens)、放大器、控制器等,從而增加BOM成本。英飛凌BGT60LTR11AIP雷達感測器所需支援元件最少,尤其是在自主運行中,因此對系統成本的影響最小。雷達感測器體積很小,因此也可整合到小而薄的電子裝置中。

此外,雷達感測器在多塵、多煙或潮濕的環境中也很非常耐用,而某些基於雷射的ToF感測器或其他影像感測器可能難以在這樣的環境中實現檢測。

支援其他智慧功能

使用者通常意識不到,裝置操作不當也會導致不必要的功耗。他們可能在暫時離開時沒有關閉裝置或調整設置,從而在無意中浪費了能源。但是,在雷達感測器的幫助下,此時可自動進行調節,因此,用戶即使什麼都不考慮,也不會浪費能源。

除了作為在場或離開檢測器外,雷達感測器還可為智慧裝置添加其他功能,例如在空調系統中。在這類應用中,雷達感測器與溫度和CO2感測器結合使用時效率最高,因此系統會根據需要啟動——如有人在房間內、CO2濃度過高或溫度超過預定義極限時。其他感測技術通常只提供在場或離開等二進位資訊,而雷達感測器卻可提前檢查房間內人數並相應進行調整,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,例如追蹤聆聽者位置並據此不斷最佳化音量和聲音參數的音響系統。或者可看護兒童的電視,能夠測量觀看者的距離,並在兒童的眼睛距離螢幕太近時發出警告。還可用於老年人或需護理人員所用的裝置中,例如在跌倒時尋求協助的警報系統。因此,雷達感測器不僅可節省能源並改善人們的舒適度,還可在智慧環境中為個人護理和安全做出貢獻,而這一切都輕而易舉。

(參考原文:How Radar Sensors Significantly Improve the Energy Efficiency of the Smart Home,by Bernd Kohler)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年8月號雜誌

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