想提高智能家居的节电水平？试试毫米波雷达传感器

目前，全球智能家居的数量估计已超过 2 亿，并且预测这一数字将在未来几年内超过 5 亿。

图1：未来全球智能家居数量。

只有通过越来越数字化且功能越来越精巧的设备，才能使房屋变得智能。但是，智能设备即使在“关闭”时也需要能量，因为即便是待机模式，也需要设备对用户输入做出即时反应（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。同时，在很多情况下，人不在场，设备则完全没有必要在待机模式下运行并因此消耗能量——主要是在没有人在场的情况下。

为了解决这个问题并满足数字化和能源效率的要求，英飞凌利用了一些有趣的半导体解决方案，其中之一是 XENSIV 60GHz毫米波雷达传感器，它几乎可以应用于所有智能家居设备。雷达传感器非常敏感，可以检测是否有人在场以及设备是否需要准备就绪——这有点类似于屏幕保护程序，它会在没有鼠标或键盘输入的情况下在一段时间后停用 PC 显示器，并在新输入时立即重新激活。通过这种可靠的存在和不存在检测，英飞凌的 60GHz 雷达传感器可以实现智能设备的真正节能。

存在触发与持续或待机等状态监测

根据 Statista 于 2021 年在德国对 3000 名 18 至 64 岁的受访者进行的调查，几乎四分之三的人至少拥有一台智能家居设备。在美国，数字相似，而在中国，智能家居设备的用户比例高达 90%。这些设备与其应用一样多样化：它们包括照明；安全；消费电子——例如电视、笔记本电脑和音箱；厨房电器以及空调。但所有这些设备都增加了对能源的需求，尤其是在能源成本上升时，客户更考虑节能、可持续和环保的设备。此外，也可以减少电网基础设施的压力。

图 2：据 Statista 称，美国家庭中的智能设备数量正在迅速增长。

与其将恒温器、智能扬声器和数字助理等设备置于正常待机模式，更好的降低能耗的方法是在无人时将它们置于“深度睡眠模式”。对于某些设备，这可以节省几瓦或一小部分。但也有一些特殊应用，甚至可以超过100W，比如电视、笔记本电脑、音响系统和空调。通过使用雷达传感器，此类设备将能够感知人员的存在或移动；如果无人状态，智能设备可以自动切换到睡眠模式。根据传感器和实现的不同，雷达模块本身的功耗仅为几毫瓦，最大功耗为 0.1 W，明显低于许多电子设备“开启”或标准待机模式的能量需求（图 3）。

图 3：雷达供电智能设备的潜在节能效果

如何使用雷达传感器提高能源效率

为了节省能源，设备必须重新发明耗电的待机模式。仅在真正需要时才使设备处于活动或待机状态。这就是我们今天在“非智能”家庭中所做的事情，当我们进入房间时打开灯或仅在室内太热时手动启动空调。尽管如此，在许多设备中，省电功能很多都没有实现或被用户禁用，因为激活唤醒太麻烦或者太漫长了。

但是一种新的智能方法可能是许多问题的答案：利用雷达传感器的运动检测，可以将设备在需要时唤醒且运行，而不是在需要时仍然自动关闭。比如只有有人状态安全系统才会开启，显示器总是在打开中。智能恒温器可以默认关闭，而仅激活雷达检测模块，而一旦雷达检测到房间内的移动，恒温器就会被激活，并更新房屋的数据状态并显示天气数据。这种存在检测的概念可以部署在许多其他智能家居设备中。

此外，还可以应用空位检测的反向原理，这提供了更大的节能潜力。在这种情况下，如果在一段时间内没有检测到房间内有任何移动，则可以关闭电视、扬声器、智能灯和空调等设备。这显着降低了功耗。由于空置检测不是立即激活设备，而是在一段时间内没有人出现时有针对性地停用，因此传感器模块本身可以保持停用状态，并且每隔几秒或几分钟执行一次检查。

因此，这样的传感器模块可以为整个系统节省大量能源，而自身消耗则更少。

配备 HVAC 系统的建筑物可以从这一原则中受益，因为即使没有人在场，大部分能源也被浪费在供暖和制冷上。1 更糟糕的是，在许多情况下，这些设备会频繁且长时间运行。2 真正的智能应该是一旦该区域空出一段时间，就会停用这些系统。此功能在照明系统中逐渐普及，但在空调和其他设备（如显示器、厨房电器、计算机、扬声器和音响系统）中尚未普及。

用户还可以从其他应用（例如电视）中的空置检测中受益。例如，英飞凌的 BGT60LTR11AIP 雷达传感器已在三星的 Frame TV 2021（图 5）中实现。当在用户指定的时间内没有人在附近时，雷达传感器会将电视切换到睡眠模式。这不仅可以节省能源，还可以延长显示器的使用寿命。

图 4：英飞凌的 XENSIV™ 60-GHz 雷达传感器可实现更好的节能水平

图 5：当在用户指定的时间段内未检测到任何人时，Samsung Frame TV 2021可切换到睡眠模式。

雷达传感器是低功耗智能家居的最佳选择

在所有可用的运动检测解决方案中，雷达传感器即使对于最小的运动也具有最高的灵敏度，其中一些运动甚至是人眼看不见的。 PIR 传感器在灵敏度方面无法与之竞争。此外，雷达不像 PIR 传感器那样依赖人体热量，因为它是一种主动传感技术。这确保了即使人几乎没有移动也能被检测到。

但毫米波雷达的最大的优势之一是可以透过非导电材料进行检测。红外线、超声波、摄像头和其他基于图像的传感器必须在外壳上留有开口，但雷达传感器可以完全隐藏在设备内部。因此，您不必在产品设计中做出任何妥协，并且可以避免额外的制造步骤及相应修改外壳的成本。

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、笔记本电脑和其他已经具有图像传感器的设备。图像系统具有非常高的功耗，此外它们还需要良好的环境光，并且需要图像处理来检测视频中的运动，这进一步增加了功耗。此外，隐私也是一大考虑因素。

此外，消费电子产品价格的下降增加了组件的成本压力。因此，3DToF和相机传感器通常过于昂贵而无法实现存在检测。而成熟 PIR 解决方案，不仅会影响产品外壳的设计，而且还需要额外的透镜、放大器、控制器等，也会增加物料清单成本。相比之下，英飞凌的 BGT60LTR11AIP 雷达传感器只需要最少的支持组件，尤其是在自主运行时，因此对系统成本的影响最小。

由于体积很小，雷达传感器可以轻松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异常可靠，在这些环境中，某些基于激光的 ToF 传感器或其他基于图像的传感器的检测性能可能会大幅下降。

雷达传感器可实现其他智能功能

设备处理不当也会导致不必要的功耗，用户不会意识到这一点，有些用户也不会准确设置低功耗模式。而在雷达传感器的帮助下，自动调节节能水平可以确保设备的低功耗。

除了用作存在检测器外，雷达传感器还可以为智能设备添加其他功能——例如，在空调系统中。在此类应用中，雷达传感器与温湿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、例如，当有人在房间内，二氧化碳水平过高或温度超过预定义时限制。其他传感技术通常只提供存在或不在的信息，而雷达传感器也可以很方便地检查房间内的人数并相应调整水平，甚至可以检查人的位置和距离以控制气流。

还有许多其他可能的用例——例如，跟踪听者位置并相应地不断优化音量和声音参数的音响系统；带儿童看护功能的电视，可测量观看者的距离，并在孩子的眼睛离屏幕太近时发出警告；或用于老年人或需要护理的人的设备，如在跌倒时提供警报系统。因此，雷达传感器可以非常容易地实现能源节约，不仅有助于舒适性，而且有助于在智能环境中的个人福祉和安全。