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?kù)洞龣C(jī)模式，以便隨時(shí)使用，本文敘述如何應(yīng)用雷達(dá)感測(cè)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(huì)提高耗電量，因?yàn)檫@些裝置通常持續(xù)作用或處?kù)洞龣C(jī)模式，以便隨時(shí)使用—即使無(wú)人在場(chǎng)。智慧裝置配備英飛凌 XENSIV 雷達(dá)感測(cè)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(jì)將在未來(lái)幾年大幅增加。目前全球智慧家庭數(shù)量估計(jì)已超過(guò) 2 億戶(hù)，有預(yù)測(cè)指出此數(shù)字將超過(guò) 5 億戶(hù)（圖一）。
| 圖一 : 未來(lái)數(shù)年全球智慧家庭數(shù)量預(yù)計(jì)超過(guò) 5 億。 |
|
唯有配備日益數(shù)位化、功能愈來(lái)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(jià)：雖然先前的趨勢(shì)顯示待機(jī)功耗穩(wěn)定降低，但對(duì)於能源的需求仍在增加。智慧裝置即使在「關(guān)閉」?fàn)顟B(tài)下也需要電力，因?yàn)樗鼈兾ㄓ斜３执龣C(jī)模式，才能對(duì)使用者輸入（例如語(yǔ)音控制）做出即時(shí)反應(yīng)，或提供來(lái)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(méi)人在家時(shí)），裝置完全沒(méi)有必要以待機(jī)模式運(yùn)作，而平白耗費(fèi)電力。
為解決此問(wèn)題並滿(mǎn)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(dá)感測(cè)器，可以應(yīng)用於幾乎所有智慧家庭裝置。雷達(dá)感測(cè)器非常靈敏，可以偵測(cè)是否有人在場(chǎng)，以及裝置是否需要隨時(shí)待命—類(lèi)似於螢?zāi)槐Ｗo(hù)程式，會(huì)在滑鼠或鍵盤(pán)未輸入一段時(shí)間後停用電腦顯示器，若偵測(cè)到新的輸入，則立即重新啟用。憑藉這種可靠的在場(chǎng)偵測(cè)功能，英飛凌的60 GHz雷達(dá)感測(cè)器可為智慧、節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大支援。
使用者在場(chǎng)狀態(tài)觸發(fā)啟用 vs. 持續(xù)啟用或待機(jī)
根據(jù) Statista 2021 年在德國(guó)進(jìn)行的一項(xiàng)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(tái)智慧家庭裝置。在美國(guó)也有相似數(shù)據(jù)（圖二），而在中國(guó)，智慧家庭裝置的使用者比例則高達(dá) 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(fèi)性電子產(chǎn)品、廚房電器和空調(diào)。但這些裝置都會(huì)提高能源需求，進(jìn)而造成負(fù)面影響，特別是在能源成本持續(xù)上漲，而客戶(hù)更偏好節(jié)能、永續(xù)和環(huán)保裝置的時(shí)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(jì)，美國(guó)家庭中智慧裝置的數(shù)量正在快速增加。 |
|
減少能耗的方法之一，是讓恆溫器、智慧揚(yáng)聲器及數(shù)位助理等裝置在無(wú)人時(shí)進(jìn)入「深度休眠模式」，而非一般待機(jī)模式。對(duì)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)弧⒐P電、音響系統(tǒng)和空調(diào)等使用案例中，讓裝置在無(wú)人時(shí)（亦即不需使用時(shí)）進(jìn)入深度休眠模式或暫時(shí)關(guān)閉，則可節(jié)省超過(guò) 100 瓦電量。
這類(lèi)裝置使用雷達(dá)感測(cè)器，將可感知人員的在場(chǎng)或移動(dòng)；如果這類(lèi)脈衝仍未出現(xiàn)，採(cǎi)用雷達(dá)的智慧裝置就可以自動(dòng)切換到休眠模式，並且節(jié)省能源。視感測(cè)器和實(shí)作方式而定，雷達(dá)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(kāi)啟或一般待機(jī)模式的電量需求 （圖三）。
| 圖三 : 配備雷達(dá)感測(cè)器的智慧家庭節(jié)能潛力 |
|
如何使用雷達(dá)感測(cè)器提高能源效率
為了節(jié)省能源，必須重新設(shè)計(jì)讓裝置保持隨時(shí)可用和連線的方式，其中包括改變耗電的待機(jī)模式。我們要求裝置僅在真正需要時(shí)（亦即使用者在場(chǎng)時(shí)）才處?kù)秵⒂没虼龣C(jī)狀態(tài)。這其實(shí)是我們現(xiàn)今「非智慧」家庭的常態(tài)，只有在進(jìn)入房間時(shí)開(kāi)燈，或僅在室內(nèi)太熱時(shí)才手動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)。
儘管如此，許多裝置甚至沒(méi)有實(shí)作（或是被使用者停用）逾時(shí)偵測(cè)一類(lèi)的省電功能。另一項(xiàng)常見(jiàn)的原因是相關(guān)設(shè)計(jì)涉及高階功能，經(jīng)常會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，且無(wú)法取得最新資訊，尤其在不便的手動(dòng)重啟程序後更是嚴(yán)重，也因此大幅減損客戶(hù)體驗(yàn)。
但有一種智慧方法可以解答下列許多問(wèn)題：恆溫器的顯示器為何必須隨時(shí)開(kāi)啟，裝置本身為何必須隨時(shí)連上網(wǎng)路才能下載天氣資料？即使監(jiān)控區(qū)域內(nèi)無(wú)人出沒(méi)，為何家庭安全系統(tǒng)的攝影機(jī)還要持續(xù)開(kāi)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(shí)作雷達(dá)感測(cè)器支援的運(yùn)動(dòng)偵測(cè)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(dá)偵測(cè)模組。一旦雷達(dá)偵測(cè)到室內(nèi)有動(dòng)靜，就會(huì)啟用恆溫器，更新屋中標(biāo)準(zhǔn)資料及網(wǎng)際網(wǎng)路上的天氣資料。若有人進(jìn)入指定區(qū)域（例如裝置 1 m半徑範(fàn)圍內(nèi)），顯示器隨即開(kāi)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(chǎng)狀態(tài)偵測(cè)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(cè)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(shí)間未偵測(cè)到動(dòng)靜，就可以關(guān)閉電視、揚(yáng)聲器、智慧燈和空調(diào)等裝置，進(jìn)而大幅降低耗電量。
由於空位偵測(cè)的設(shè)計(jì)並非立即啟用裝置，而是無(wú)人在場(chǎng)一段時(shí)間後停用特定裝置，因此感測(cè)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(cè)器模組可以為整個(gè)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?yàn)檫@種設(shè)施即使無(wú)人在場(chǎng)，通常也會(huì)持續(xù)提供冷暖氣，從而浪費(fèi)大量電力。更不利的是，這些裝置經(jīng)常處?kù)额l繁和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。然而真正聰明的智慧家庭功能，會(huì)在區(qū)域空置一段時(shí)間後立即停用這些系統(tǒng)。這類(lèi)功能在照明系統(tǒng)中日益常見(jiàn)，但在空調(diào)和顯示器、廚房用具、電腦、揚(yáng)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(cè)功能。例如，英飛凌的 BGT60LTR11AIP 雷達(dá)感測(cè)器（圖四）已實(shí)作於三星的 Frame TV 2021（圖五），在使用者指定的時(shí)間若無(wú)人在場(chǎng)，該感測(cè)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(zhǎng)顯示器的使用壽命。
| 圖四 : 英飛凌 XENSIV 60 GHz 雷達(dá)感測(cè)器 BGT60LTR11AIP 可為真正智慧、節(jié)能的裝置設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大支援。 |
|
| 圖五 : 在使用者指定時(shí)段內(nèi)若未偵測(cè)有人在場(chǎng)，Samsung Frame TV 2021 會(huì)從藝術(shù)模式切換到休眠模式。 |
|
智慧家庭裝置最合適的感測(cè)功能選項(xiàng)
在所有可用的運(yùn)動(dòng)偵測(cè)解決方案中，雷達(dá)感測(cè)器即使對(duì)最細(xì)微的運(yùn)動(dòng)也具有最高靈敏度，甚至超過(guò)人眼所能觀測(cè)的範(fàn)圍。被動(dòng)式紅外線（PIR）感測(cè)器的靈敏度無(wú)法望其項(xiàng)背。此外，雷達(dá)是一種主動(dòng)感測(cè)技術(shù)，不像PIR感測(cè)器那樣依賴(lài)體溫，即使在極少或沒(méi)有移動(dòng)的情況下，也能偵測(cè)到在場(chǎng)的人員。
然而毫無(wú)疑問(wèn)的是，最大的優(yōu)點(diǎn)之一在於透過(guò)非導(dǎo)電材料進(jìn)行偵測(cè)。紅外線、超音波、攝影機(jī)及其他影像式感測(cè)器不得被遮蔽，或是必須在產(chǎn)品外殼上開(kāi)孔，但雷達(dá)感測(cè)器可以完全隱藏在裝置內(nèi)部。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上無(wú)需任何妥協(xié)，可以免去額外製造工序，也不必耗費(fèi)成本購(gòu)置規(guī)格相符的外殼。另一種可能性是攝影機(jī)運(yùn)動(dòng)偵測(cè)功能，例如用於攝影機(jī)、電視、筆電及其他已經(jīng)具有合適影像感測(cè)器的裝置。
不過(guò)，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(guò)影像處理功能來(lái)偵測(cè)影片中的運(yùn)動(dòng)，而這又進(jìn)一步需要大量的電力。加上缺乏隱私也是一項(xiàng)常見(jiàn)的顧慮，由於攝影機(jī)系統(tǒng)侵入私人空間，因此無(wú)法完全獲得使用者的信任。
此外，消費(fèi)性電子產(chǎn)品價(jià)格的下降，也增加了元件的成本壓力。因此，3D 飛時(shí)測(cè)距（ToF） 和攝影機(jī)感測(cè)器通常過(guò)於昂貴，不適合用來(lái)偵測(cè)在場(chǎng)狀態(tài)。即使是功能強(qiáng)大的 PIR 解決方案，不但會(huì)影響產(chǎn)品外殼設(shè)計(jì)，還需要額外的菲涅爾透鏡、放大器、控制器等，進(jìn)而增加物料清單（BOM）成本。
相較之下，英飛凌的 BGT60LTR11AIP 雷達(dá)感測(cè)器僅需最少的支援元件 （尤其在自主運(yùn)作的系統(tǒng)中），因此對(duì)系統(tǒng)成本的影響最低。雷達(dá)感測(cè)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(dá)感測(cè)器也能耐受多塵、煙霧或潮濕的環(huán)境，而某些雷射 ToF 感測(cè)器或其他影像感測(cè)器的偵測(cè)效能，在這類(lèi)環(huán)境中可能會(huì)下降。
雷達(dá)感測(cè)器實(shí)現(xiàn)的附加智慧功能
裝置處理不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致不必要的耗電，然而使用者通常對(duì)此渾然不覺(jué)。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(wú)意間浪費(fèi)了能源。然而，在雷達(dá)感測(cè)器的輔助下，裝置可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)需使用者費(fèi)心，也可確保不會(huì)浪費(fèi)能源。
除了用作在場(chǎng)狀態(tài)探測(cè)器之外，雷達(dá)感測(cè)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(lèi)應(yīng)用中，雷達(dá)感測(cè)器搭配使用溫度及 CO2感測(cè)器可實(shí)現(xiàn)最佳效率，進(jìn)而在需要時(shí)才啟用系統(tǒng)—例如當(dāng)房間內(nèi)有人、CO2濃度過(guò)高或溫度超過(guò)預(yù)定義限制等情況。其他感測(cè)技術(shù)通常只提供「在場(chǎng)」或「不在場(chǎng)」的二分法資訊，而雷達(dá)感測(cè)器還可計(jì)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(rèn)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(tīng)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)。或是具備兒童照護(hù)功能的電視，可以測(cè)量觀看者距離，在孩子眼睛距離螢?zāi)惶鼤r(shí)發(fā)出警告。並且也適用於年長(zhǎng)者或照護(hù)對(duì)象的輔助裝置，例如可在跌倒時(shí)請(qǐng)求援助的警報(bào)系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，雷達(dá)感測(cè)器極具事半功倍的優(yōu)點(diǎn)，不僅節(jié)能省電、增進(jìn)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(xiāo)經(jīng)理）
