由於智慧家庭應(yīng)用和連線裝置的數(shù)量不斷增加，而智慧裝置通常持續(xù)作用或處於待機模式，以便隨時使用，本文敘述如何應(yīng)用雷達感測器的功能，將其變得更加節(jié)能、智慧和永續(xù)。
智慧家庭應(yīng)用和連線裝置的數(shù)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(xù)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(jié)能、更加智慧、更加永續(xù)。
智慧建築和智慧家庭日漸普及，預(yù)計將在未來幾年大幅增加。目前全球智慧家庭數(shù)量估計已超過 2 億戶，有預(yù)測指出此數(shù)字將超過 5 億戶（圖一）。
| 圖一 : 未來數(shù)年全球智慧家庭數(shù)量預(yù)計超過 5 億。 |
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唯有配備日益數(shù)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(wěn)定降低，但對於能源的需求仍在增加。智慧裝置即使在「關(guān)閉」狀態(tài)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(yīng)，或提供來自智慧家庭或網(wǎng)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(shù)位化和能源效率需求，英飛凌利用了旗下的半導(dǎo)體解決方案。其中之一是 XENSIV雷達感測器，可以應(yīng)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?zāi)槐Ｗo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(jié)能裝置的設(shè)計提供強大支援。
使用者在場狀態(tài)觸發(fā)啟用 vs. 持續(xù)啟用或待機
根據(jù) Statista 2021 年在德國進行的一項調(diào)查，3000名年齡在18歲至64歲之間的受訪者中，近 3/4 的人至少擁有一臺智慧家庭裝置。在美國也有相似數(shù)據(jù)（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(yīng)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(chǎn)品、廚房電器和空調(diào)。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(xù)上漲，而客戶更偏好節(jié)能、永續(xù)和環(huán)保裝置的時代。此外，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施面臨日漸龐大的壓力。
| 圖二 : 根據(jù) Statista 統(tǒng)計，美國家庭中智慧裝置的數(shù)量正在快速增加。 |
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減少能耗的方法之一，是讓恆溫器、智慧揚聲器及數(shù)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(jié)省數(shù)瓦，甚至不到一瓦電量。但在電視螢?zāi)?、筆電、音響系統(tǒng)和空調(diào)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(guān)閉，則可節(jié)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(xiàn)，採用雷達的智慧裝置就可以自動切換到休眠模式，並且節(jié)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(shù)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(jié)能潛力 |
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如何使用雷達感測器提高能源效率
為了節(jié)省能源，必須重新設(shè)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(tài)。這其實是我們現(xiàn)今「非智慧」家庭的常態(tài)，只有在進入房間時開燈，或僅在室內(nèi)太熱時才手動開啟空調(diào)。
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(guān)設(shè)計涉及高階功能，經(jīng)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(wǎng)路才能下載天氣資料？即使監(jiān)控區(qū)域內(nèi)無人出沒，為何家庭安全系統(tǒng)的攝影機還要持續(xù)開啟、記錄資料、預(yù)先處理資料，並將其傳輸?shù)诫?yún)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(yù)設(shè)為關(guān)閉，而僅啟用雷達偵測模組。一旦雷達偵測到室內(nèi)有動靜，就會啟用恆溫器，更新屋中標準資料及網(wǎng)際網(wǎng)路上的天氣資料。若有人進入指定區(qū)域（例如裝置 1 m半徑範圍內(nèi)），顯示器隨即開啟。因此，使用者不再需要觸摸螢?zāi)粏⒂醚b置、等待資料更新，然後才能看到顯示結(jié)果。這種在場狀態(tài)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(yīng)用空位偵測的反向操作原理，甚至能提供更大的節(jié)能潛力。在這種使用案例中，如果房間內(nèi)一段時間未偵測到動靜，就可以關(guān)閉電視、揚聲器、智慧燈和空調(diào)等裝置，進而大幅降低耗電量。
由於空位偵測的設(shè)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(tài)，只需每隔數(shù)秒或數(shù)分鐘執(zhí)行一次檢查。因此，這種感測器模組可以為整個系統(tǒng)節(jié)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(tǒng)的建築物，因為這種設(shè)施即使無人在場，通常也會持續(xù)提供冷暖氣，從而浪費大量電力。更不利的是，這些裝置經(jīng)常處於頻繁和長時間運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。然而真正聰明的智慧家庭功能，會在區(qū)域空置一段時間後立即停用這些系統(tǒng)。這類功能在照明系統(tǒng)中日益常見，但在空調(diào)和顯示器、廚房用具、電腦、揚聲器和音響系統(tǒng)及其他裝置中尚未普及。
使用者亦可受益於其他應(yīng)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(shù)模式切換到休眠模式，不僅可以節(jié)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(jié)能的裝置設(shè)計提供強大支援。 |
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| 圖五 : 在使用者指定時段內(nèi)若未偵測有人在場，Samsung Frame TV 2021 會從藝術(shù)模式切換到休眠模式。 |
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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(shù)，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(yōu)點之一在於透過非導(dǎo)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(chǎn)品外殼上開孔，但雷達感測器可以完全隱藏在裝置內(nèi)部。因此，在產(chǎn)品設(shè)計上無需任何妥協(xié)，可以免去額外製造工序，也不必耗費成本購置規(guī)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(jīng)具有合適影像感測器的裝置。
不過，影像系統(tǒng)耗電量極高，可能需要良好的環(huán)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(tǒng)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(chǎn)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(tài)。即使是功能強大的 PIR 解決方案，不但會影響產(chǎn)品外殼設(shè)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(tǒng)中），因此對系統(tǒng)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(huán)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(huán)境中可能會下降。
雷達感測器實現(xiàn)的附加智慧功能
裝置處理不當(dāng)也會導(dǎo)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(guān)閉裝置或調(diào)整設(shè)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(diào)節(jié)，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(tài)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(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用就是一例。在這類應(yīng)用中，雷達感測器搭配使用溫度及 CO2感測器可實現(xiàn)最佳效率，進而在需要時才啟用系統(tǒng)—例如當(dāng)房間內(nèi)有人、CO2濃度過高或溫度超過預(yù)定義限制等情況。其他感測技術(shù)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(nèi)人數(shù)，及早調(diào)整溫度和風(fēng)量設(shè)定值，甚至確認人員位置和距離，據(jù)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(tǒng)追蹤聽眾位置，並依據(jù)追蹤資料持續(xù)優(yōu)化音量和聲音參數(shù)?；蚴蔷邆鋬和兆o功能的電視，可以測量觀看者距離，在孩子眼睛距離螢?zāi)惶鼤r發(fā)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(tǒng)。由此可見，雷達感測器極具事半功倍的優(yōu)點，不僅節(jié)能省電、增進舒適，還可以確保使用者在智慧環(huán)境中享有福祉和安全。
（本文作者Bernd Kohler為英飛凌產(chǎn)品行銷經(jīng)理）
