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以雷達感測器大幅提高智慧家庭的能源效率
 

【作者: Bernd Kohler】   2024年08月28日 星期三

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由於智慧家庭應用和連線裝置的數量不斷增加,而智慧裝置通常持續作用或處於待機模式,以便隨時使用,本文敘述如何應用雷達感測器的功能,將其變得更加節能、智慧和永續。



智慧家庭應用和連線裝置的數量不斷增加,讓使用者的日常生活變得更加便利。然而,這也會提高耗電量,因為這些裝置通常持續作用或處於待機模式,以便隨時使用—即使無人在場。智慧裝置配備英飛凌 XENSIV 雷達感測器,將變得更加節能、更加智慧、更加永續。


智慧建築和智慧家庭日漸普及,預計將在未來幾年大幅增加。目前全球智慧家庭數量估計已超過 2 億戶,有預測指出此數字將超過 5 億戶(圖一)。



圖一 : 未來數年全球智慧家庭數量預計超過 5 億。
圖一 : 未來數年全球智慧家庭數量預計超過 5 億。

唯有配備日益數位化、功能愈來愈精巧的裝置,住宅才能變得智慧。然而,這需要付出高昂的代價:雖然先前的趨勢顯示待機功耗穩定降低,但對於能源的需求仍在增加。智慧裝置即使在「關閉」狀態下也需要電力,因為它們唯有保持待機模式,才能對使用者輸入(例如語音控制)做出即時反應,或提供來自智慧家庭或網路的最新資訊。此外,在很多情況下(主要是沒人在家時),裝置完全沒有必要以待機模式運作,而平白耗費電力。


為解決此問題並滿足數位化和能源效率需求,英飛凌利用了旗下的半導體解決方案。其中之一是 XENSIV雷達感測器,可以應用於幾乎所有智慧家庭裝置。雷達感測器非常靈敏,可以偵測是否有人在場,以及裝置是否需要隨時待命—類似於螢幕保護程式,會在滑鼠或鍵盤未輸入一段時間後停用電腦顯示器,若偵測到新的輸入,則立即重新啟用。憑藉這種可靠的在場偵測功能,英飛凌的60 GHz雷達感測器可為智慧、節能裝置的設計提供強大支援。


使用者在場狀態觸發啟用 vs. 持續啟用或待機

根據 Statista 2021 年在德國進行的一項調查,3000名年齡在18歲至64歲之間的受訪者中,近 3/4 的人至少擁有一台智慧家庭裝置。在美國也有相似數據(圖二),而在中國,智慧家庭裝置的使用者比例則高達 90%。這些裝置與其應用一樣廣泛多元:包括照明、安全裝置、電視、筆電和條形音箱等消費性電子產品、廚房電器和空調。但這些裝置都會提高能源需求,進而造成負面影響,特別是在能源成本持續上漲,而客戶更偏好節能、永續和環保裝置的時代。此外,電網基礎設施面臨日漸龐大的壓力。



圖二 : 根據 Statista 統計,美國家庭中智慧裝置的數量正在快速增加。
圖二 : 根據 Statista 統計,美國家庭中智慧裝置的數量正在快速增加。

減少能耗的方法之一,是讓恆溫器、智慧揚聲器及數位助理等裝置在無人時進入「深度休眠模式」,而非一般待機模式。對於特定裝置,此功能僅能節省數瓦,甚至不到一瓦電量。但在電視螢幕、筆電、音響系統和空調等使用案例中,讓裝置在無人時(亦即不需使用時)進入深度休眠模式或暫時關閉,則可節省超過 100 瓦電量。


這類裝置使用雷達感測器,將可感知人員的在場或移動;如果這類脈衝仍未出現,採用雷達的智慧裝置就可以自動切換到休眠模式,並且節省能源。視感測器和實作方式而定,雷達模組本身功耗僅在數毫瓦至 0.1 瓦之間,明顯低於許多電子裝置開啟或一般待機模式的電量需求 (圖三)。



圖三 : 配備雷達感測器的智慧家庭節能潛力
圖三 : 配備雷達感測器的智慧家庭節能潛力

如何使用雷達感測器提高能源效率

為了節省能源,必須重新設計讓裝置保持隨時可用和連線的方式,其中包括改變耗電的待機模式。我們要求裝置僅在真正需要時(亦即使用者在場時)才處於啟用或待機狀態。這其實是我們現今「非智慧」家庭的常態,只有在進入房間時開燈,或僅在室內太熱時才手動開啟空調。


儘管如此,許多裝置甚至沒有實作(或是被使用者停用)逾時偵測一類的省電功能。另一項常見的原因是相關設計涉及高階功能,經常會延長啟動時間,且無法取得最新資訊,尤其在不便的手動重啟程序後更是嚴重,也因此大幅減損客戶體驗。


但有一種智慧方法可以解答下列許多問題:恆溫器的顯示器為何必須隨時開啟,裝置本身為何必須隨時連上網路才能下載天氣資料?即使監控區域內無人出沒,為何家庭安全系統的攝影機還要持續開啟、記錄資料、預先處理資料,並將其傳輸到雲端?若要更聰明啟用裝置,最佳方法就是實作雷達感測器支援的運動偵測功能,從深度休眠模式中喚醒裝置。


例如,智慧恆溫器可以預設為關閉,而僅啟用雷達偵測模組。一旦雷達偵測到室內有動靜,就會啟用恆溫器,更新屋中標準資料及網際網路上的天氣資料。若有人進入指定區域(例如裝置 1 m半徑範圍內),顯示器隨即開啟。因此,使用者不再需要觸摸螢幕啟用裝置、等待資料更新,然後才能看到顯示結果。這種在場狀態偵測的概念,可以部署在許多其他智慧家庭裝置和電器中。


此外,也可以應用空位偵測的反向操作原理,甚至能提供更大的節能潛力。在這種使用案例中,如果房間內一段時間未偵測到動靜,就可以關閉電視、揚聲器、智慧燈和空調等裝置,進而大幅降低耗電量。


由於空位偵測的設計並非立即啟用裝置,而是無人在場一段時間後停用特定裝置,因此感測器模組本身可以保持停用狀態,只需每隔數秒或數分鐘執行一次檢查。因此,這種感測器模組可以為整個系統節省大量能源,而且本身耗電量極低。


此原理也特別有益於配備 HVAC 系統的建築物,因為這種設施即使無人在場,通常也會持續提供冷暖氣,從而浪費大量電力。更不利的是,這些裝置經常處於頻繁和長時間運轉的狀態。然而真正聰明的智慧家庭功能,會在區域空置一段時間後立即停用這些系統。這類功能在照明系統中日益常見,但在空調和顯示器、廚房用具、電腦、揚聲器和音響系統及其他裝置中尚未普及。


使用者亦可受益於其他應用(例如電視)的空位偵測功能。例如,英飛凌的 BGT60LTR11AIP 雷達感測器(圖四)已實作於三星的 Frame TV 2021(圖五),在使用者指定的時間若無人在場,該感測器可將電視從藝術模式切換到休眠模式,不僅可以節省能源,還可以延長顯示器的使用壽命。



圖四 : 英飛凌 XENSIV 60 GHz 雷達感測器 BGT60LTR11AIP 可為真正智慧、節能的裝置設計提供強大支援。
圖四 : 英飛凌 XENSIV 60 GHz 雷達感測器 BGT60LTR11AIP 可為真正智慧、節能的裝置設計提供強大支援。

圖五 : 在使用者指定時段內若未偵測有人在場,Samsung Frame TV 2021 會從藝術模式切換到休眠模式。
圖五 : 在使用者指定時段內若未偵測有人在場,Samsung Frame TV 2021 會從藝術模式切換到休眠模式。

智慧家庭裝置最合適的感測功能選項

在所有可用的運動偵測解決方案中,雷達感測器即使對最細微的運動也具有最高靈敏度,甚至超過人眼所能觀測的範圍。被動式紅外線(PIR)感測器的靈敏度無法望其項背。此外,雷達是一種主動感測技術,不像PIR感測器那樣依賴體溫,即使在極少或沒有移動的情況下,也能偵測到在場的人員。


然而毫無疑問的是,最大的優點之一在於透過非導電材料進行偵測。紅外線、超音波、攝影機及其他影像式感測器不得被遮蔽,或是必須在產品外殼上開孔,但雷達感測器可以完全隱藏在裝置內部。因此,在產品設計上無需任何妥協,可以免去額外製造工序,也不必耗費成本購置規格相符的外殼。另一種可能性是攝影機運動偵測功能,例如用於攝影機、電視、筆電及其他已經具有合適影像感測器的裝置。


不過,影像系統耗電量極高,可能需要良好的環境光源,而且必須透過影像處理功能來偵測影片中的運動,而這又進一步需要大量的電力。加上缺乏隱私也是一項常見的顧慮,由於攝影機系統侵入私人空間,因此無法完全獲得使用者的信任。


此外,消費性電子產品價格的下降,也增加了元件的成本壓力。因此,3D 飛時測距(ToF) 和攝影機感測器通常過於昂貴,不適合用來偵測在場狀態。即使是功能強大的 PIR 解決方案,不但會影響產品外殼設計,還需要額外的菲涅爾透鏡、放大器、控制器等,進而增加物料清單(BOM)成本。


相較之下,英飛凌的 BGT60LTR11AIP 雷達感測器僅需最少的支援元件 (尤其在自主運作的系統中),因此對系統成本的影響最低。雷達感測器具有微型尺寸,因此也可以整合至小巧輕薄的電子裝置中。此外,雷達感測器也能耐受多塵、煙霧或潮濕的環境,而某些雷射 ToF 感測器或其他影像感測器的偵測效能,在這類環境中可能會下降。


雷達感測器實現的附加智慧功能

裝置處理不當也會導致不必要的耗電,然而使用者通常對此渾然不覺。因此,他們可能懶得在暫離期間關閉裝置或調整設定,而無意間浪費了能源。然而,在雷達感測器的輔助下,裝置可以自動調節,無需使用者費心,也可確保不會浪費能源。


除了用作在場狀態探測器之外,雷達感測器也可以為智慧裝置添加其他功能,在空調系統中的應用就是一例。在這類應用中,雷達感測器搭配使用溫度及 CO2感測器可實現最佳效率,進而在需要時才啟用系統—例如當房間內有人、CO2濃度過高或溫度超過預定義限制等情況。其他感測技術通常只提供「在場」或「不在場」的二分法資訊,而雷達感測器還可計算室內人數,及早調整溫度和風量設定值,甚至確認人員位置和距離,據以控制氣流的方向。


此外,還有許多其他可能的使用案例,例如支援音響系統追蹤聽眾位置,並依據追蹤資料持續優化音量和聲音參數。或是具備兒童照護功能的電視,可以測量觀看者距離,在孩子眼睛距離螢幕太近時發出警告。並且也適用於年長者或照護對象的輔助裝置,例如可在跌倒時請求援助的警報系統。由此可見,雷達感測器極具事半功倍的優點,不僅節能省電、增進舒適,還可以確保使用者在智慧環境中享有福祉和安全。


(本文作者Bernd Kohler為英飛凌產品行銷經理)


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