Wie Radarsensoren die Energieeffizienz des Smart Homes erheblich verbessern

Die Anzahl der Smart-Home-Anwendungen und vernetzten Geräte wächst und macht den Alltag für ihre Nutzerinnen und Nutzer immer bequemer. Dies führt jedoch zu einem hohen Energieverbrauch, da diese Geräte oft dauerhaft aktiv oder im Standby-Modus sind, um jederzeit einsatzbereit zu sein – selbst wenn niemand anwesend ist. Durch die Ausstattung von Smart-Geräten mit dem Infineon XENSIV™ 60-GHz-Radarsensor werden sie energieeffizienter und damit intelligenter sowie nachhaltiger.

Intelligente Gebäude und smarte Häuser werden immer beliebter, und ihre Anzahl wird in den kommenden Jahren voraussichtlich erheblich wachsen. Bereits heute wird die Anzahl smarter Haushalte weltweit auf mehr als 200 Millionen geschätzt, und Prognosen sagen voraus, dass diese Zahl in den nächsten Jahren auf über 500 Millionen anwachsen wird (Abbildung 1).

Ein Haus kann nur durch zunehmend digitalisierte Geräte mit immer raffinierteren Funktionen smart werden. Dies hat jedoch einen hohen Preis: Der Energiebedarf wächst, trotz des bisherigen Trends eines stetig sinkenden Standby-Energieverbrauchs. Smarte Geräte benötigen Energie, selbst wenn sie „aus“ sind, da der Standby-Modus die einzige Möglichkeit ist, um sofort auf Benutzereingaben (z. B. über Sprachsteuerung) zu reagieren oder die neuesten Informationen aus dem Smart Home oder dem Internet bereitzustellen. Darüber hinaus gibt es viele Situationen, in denen es völlig unnötig ist, dass ein Gerät im Standby-Modus läuft und somit Energie verbraucht – insbesondere, wenn niemand anwesend ist.

Um dieses Problem zu lösen und sowohl die Anforderungen der Digitalisierung als auch der Energieeffizienz zu erfüllen, nutzt Infineon seine Halbleiterlösungen. Eine davon ist der XENSIV™ Radarsensor, der in nahezu allen Smart-Home-Geräten eingesetzt werden kann. Radarsensoren sind äußerst empfindlich und können erkennen, ob eine Person anwesend ist und ob das Gerät bereit sein muss — ähnlich wie ein Bildschirmschoner, der den PC-Monitor nach einer bestimmten Zeit ohne Maus- oder Tastatureingabe deaktiviert und ihn wieder aktiviert, sobald eine neue Eingabe erkannt wird. Durch diese zuverlässige Anwesenheits- und Abwesenheitserkennung ermöglicht der 60-GHz-Radarsensor von Infineon die Entwicklung wahrhaft smarter, energieeffizienter Geräte.

Aktivität, ausgelöst durch Benutzerpräsenz im Vergleich zu kontinuierlicher Aktivität oder Standby

Laut einer von Statista im Jahr 2021 in Deutschland durchgeführten Umfrage mit 3.000 Befragten im Alter von 18 bis 64 Jahren besitzt fast drei Viertel mindestens ein Smart-Home-Gerät. In den USA sind die Zahlen ähnlich (Abbildung 2), während in China der Anteil der Nutzer von Smart-Home-Geräten mit 90 % noch höher ist. Die Geräte sind ebenso vielfältig wie ihre Anwendungen: Sie umfassen Beleuchtung, Sicherheitsgeräte, Unterhaltungselektronik wie Fernseher, Laptops und Soundbars, Küchen- und Haushaltsgeräte sowie Klimaanlagen. Doch all diese Geräte erhöhen die Nachfrage nach Energie – ein unerwünschter Effekt, insbesondere in Zeiten steigender Energiekosten, in denen Kunden energieeffiziente, nachhaltige und umweltfreundliche Geräte bevorzugen. Darüber hinaus steht die Netz-Infrastruktur unter immer größerer Belastung.

Anstatt Geräte wie Thermostate, Smart Speaker und digitale Assistenten in den normalen Standby-Modus zu versetzen, könnte eine Möglichkeit zur Reduzierung des Energieverbrauchs darin bestehen, sie in einen „Tiefschlafmodus“ zu versetzen, wenn niemand anwesend ist. Für einige Geräte kann dies ein paar Watt oder einen Bruchteil davon einsparen. Aber es gibt auch Anwendungsfälle, bei denen mehr als 100 W eingespart werden können, wenn man Geräte in den Tiefschlafmodus versetzt oder sie vorübergehend ausschaltet, wenn niemand anwesend ist und sie daher nicht benötigt werden — beispielsweise der Fernseher, der Laptop, das Soundsystem und die Klimaanlage. Mithilfe eines Radarsensors können solche Geräte die Anwesenheit oder Bewegung von Personen erkennen; bleiben diese Impulse aus, kann ein radarbasiertes Smart-Gerät automatisch in den Schlafmodus wechseln und Energie sparen. Je nach Sensor und Implementierung hat das Radarmodul selbst lediglich einen Energieverbrauch von wenigen Milliwatt und einen maximalen Energieverbrauch von 0,1 W, was deutlich geringer ist als der Strombedarf des „On“- oder Standard-Standby-Modus vieler elektronischer Geräte (Abbildung 3).

So verwenden Sie Radarsensoren zur Steigerung der Energieeffizienz

Um Energie zu sparen, muss der Ansatz, dass Geräte immer verfügbar und verbunden sein müssen — einschließlich des stromhungrigen Standby-Modus — neu gedacht werden. Wir benötigen Geräte, die nur aktiv oder im Standby sind, wenn es wirklich notwendig ist — mit anderen Worten, wenn Benutzer anwesend sind. Genau das tun wir heute in unseren „nicht-intelligenten“ Häusern, wenn wir das Licht einschalten, sobald wir den Raum betreten, oder die Klimaanlage manuell aktivieren, nur wenn es drinnen zu heiß wird. Dennoch sind bei vielen Geräten energiesparende Funktionen wie der Timeout nicht einmal implementiert oder werden vom Benutzer deaktiviert. Dies liegt oft daran, dass diese Funktionen in Verbindung mit hoher Funktionalität zu langen Bootzeiten und einem Mangel an aktuellen Informationen führen können, insbesondere nach einer umständlichen manuellen Reaktivierung, was somit die Benutzererfahrung erheblich verschlechtern würde.

Aber ein neuer intelligenter Ansatz könnte die Antwort auf viele Fragen sein: Warum muss das Display eines Thermostats immer eingeschaltet sein, und warum muss das Gerät selbst ständig mit dem Internet verbunden sein, um Wetterdaten herunterzuladen? Warum ist die Kamera des Heimsicherheitssystems ständig an, zeichnet Daten auf, verarbeitet sie vor und überträgt sie in die Cloud, obwohl sich niemand in dem überwachten Bereich bewegt? Der beste Weg, eine intelligentere Aktivierung von Geräten zu erreichen, ist die Implementierung einer Bewegungsdetektion mittels eines Radarsensors, um sie aus ihrem Tiefschlafmodus zu wecken.

Zum Beispiel könnte das intelligente Thermostat standardmäßig ausgeschaltet sein, während nur ein Radardetektionsmodul aktiviert ist. Sobald das Radar eine Bewegung im Raum erkennt, würde das Thermostat aktiviert, um die Standarddaten aus dem Haus und die Wetterdaten aus dem Internet zu aktualisieren. Das Display würde sich einschalten, wenn jemand einen definierten Bereich betritt, zum Beispiel einen Bereich mit einem Radius von 1 Meter um das Gerät, sodass der Benutzer den Bildschirm nicht berühren müsste, um ihn zu aktivieren und dann zu warten, bis die Daten aktualisiert und die Ergebnisse angezeigt werden. Dieses Konzept der Präsenzdetektion kann in vielen anderen Smart-Home-Geräten und -Anwendungen eingesetzt werden.

Darüber hinaus kann das umgekehrte Prinzip der Leerkrafterkennung ebenfalls angewendet werden, welches ein noch größeres Potenzial zur Energieeinsparung bietet. In diesem Fall können Geräte wie Fernseher, Lautsprecher, smarte Lampen und Klimaanlagen ausgeschaltet werden, wenn für einen bestimmten Zeitraum keine Bewegung im Raum festgestellt wird. Dies reduziert den Stromverbrauch erheblich. Da es bei der Leerkrafterkennung nicht um die unmittelbare Aktivierung eines Geräts geht, sondern um die gezielte Deaktivierung, wenn sich längere Zeit niemand im Raum aufgehalten hat, kann das Sensormodul selbst deaktiviert bleiben und nur alle paar Sekunden oder Minuten eine Überprüfung durchführen. Dadurch kann ein solches Sensormodul eine enorme Menge an Energie für das gesamte System sparen, während es selbst nur sehr wenig verbraucht.

Gebäude mit HVAC-Systemen können besonders von diesem Prinzip profitieren, da der größte Teil der Energie für Heizung und Kühlung verschwendet wird, obwohl niemand anwesend ist. Noch schlimmer wird es, wenn diese Geräte häufig und über lange Zeiträume betrieben werden. Ein wirklich smartes Zuhause würde diese Systeme jedoch deaktivieren, sobald der Bereich eine Weile verlassen wurde. Diese Funktion wird allmählich für Beleuchtungssysteme üblich, jedoch noch nicht für Klimaanlagen und andere Geräte wie Monitore, Küchengeräte, Computer, Lautsprecher und Soundsysteme.

Benutzer können auch in anderen Anwendungen wie Fernsehern von der Anwesenheitserkennung profitieren. Beispielsweise wurde der BGT60LTR11AIP-Radarsensor von Infineon (Abbildung 4) im Samsung Frame TV 2021 (Abbildung 5) implementiert. Der Radarsensor wechselt den Fernseher vom Kunstmodus in den Ruhemodus, wenn sich innerhalb eines vom Benutzer festgelegten Zeitraums niemand in der Nähe befindet. Dies spart nicht nur Energie, sondern verlängert auch die Lebensdauer des Displays.

Radarsensoren sind die geeignetste Sensortechnologie für Smart-Home-Geräte

Von allen verfügbaren Bewegungserkennungslösungen haben Radarsensoren die höchste Empfindlichkeit, selbst für kleinste Bewegungen, von denen einige sogar unsichtbar für das menschliche Auge sind. PIR-Sensoren können in Bezug auf die Empfindlichkeit nicht mithalten. Außerdem ist Radar, da es sich um eine aktive Sensortechnologie handelt, nicht auf Körperwärme angewiesen, wie PIR-Sensoren es sind. Dies stellt sicher, dass eine Person auch dann erkannt wird, wenn sie sich kaum oder gar nicht bewegt. Aber wohl einer der größten Vorteile ist die Erkennung durch nicht leitende Materialien hindurch. Während Infrarot-, Ultraschall-, Kamera- und andere bildbasierte Sensoren nicht abgedeckt werden dürfen oder Öffnungen im Produktgehäuse erfordern, kann ein Radarsensor vollständig in einem Gerät verborgen werden. Dadurch müssen Sie keine Kompromisse beim Design des Produkts eingehen und können zusätzliche Fertigungsschritte und Kosten für ein Gehäuse mit entsprechenden Anpassungen vermeiden.

Eine weitere Möglichkeit ist die kamerabasierte Bewegungserkennung – beispielsweise für Kameras, Fernseher, Laptops und andere Geräte, die bereits über einen geeigneten Bildsensor verfügen. Bildsysteme haben jedoch einen sehr hohen Energieverbrauch, möglicherweise benötigen sie gute Lichtverhältnisse und es ist eine Bildverarbeitung erforderlich, um Bewegungen aus einem Video zu erkennen, was zusätzlich viel Energie erfordert. Oft wird auch der Mangel an Privatsphäre als Besorgnis angeführt, da kamerabasierte Systeme in private Bereiche eindringen, weshalb die Nutzer ihnen nicht voll vertrauen.

Darüber hinaus erhöhen fallende Preise für Unterhaltungselektronik den Kostendruck auf Komponenten. Daher sind 3D Time-of-Flight (ToF) und Kamerasensoren oft zu teuer, um für die Anwesenheitserkennung implementiert zu werden. Selbst leistungsstarke PIR-Lösungen, die nicht nur das Design des Produktgehäuses beeinflussen, sondern auch eine zusätzliche Fresnel-Linse, einen Verstärker, einen Controller usw. erfordern, erhöhen die Kosten der Stückliste. Im Vergleich dazu benötigt der BGT60LTR11AIP-Radarsensor von Infineon nur ein Minimum an unterstützenden Komponenten, insbesondere im autonomen Betrieb, und hat daher den geringsten Einfluss auf die Systemkosten. Aufgrund ihrer geringen Größe können Radarsensoren zudem in kleine und dünne elektronische Geräte integriert werden.

Darüber hinaus sind Radarsensoren robust in staubigen, rauchigen oder feuchten Umgebungen, in denen einige laserbasierte ToF-Sensoren oder andere bildbasierte Sensoren eine Verschlechterung ihrer Erkennungsleistung erfahren könnten.

Zusätzliche intelligente Funktionen ermöglicht durch Radarsensoren

Der unsachgemäße Umgang mit Geräten führt ebenfalls zu unnötigem Energieverbrauch. Nutzern ist dies nicht immer bewusst, aber sie verschwenden unabsichtlich Energie, wenn sie ihre Geräte nicht ausschalten oder die Einstellungen nicht anpassen, wenn sie vorübergehend abwesend sind. Mit Hilfe von Radarsensoren kann dies jedoch automatisch geregelt werden, sodass Nutzer nicht daran denken müssen und die Gewissheit haben, keine Energie zu verschwenden.

Neben der Verwendung als Präsenz- oder Abwesenheitsdetektor können Radarsensoren auch andere Funktionen zu Smart-Geräten hinzufügen – zum Beispiel in Klimaanlagen. In solchen Anwendungen sind Radarsensoren am effizientesten, wenn sie mit Temperatur- und CO2-Sensoren kombiniert werden, sodass das System nach Bedarf aktiviert wird – beispielsweise, wenn sich jemand im Raum befindet, der CO2-Wert zu hoch ist oder die Temperatur die vordefinierten Grenzwerte überschreitet. Während andere Sensortechnologien oft nur binäre Informationen wie An- oder Abwesenheit liefern, kann ein Radarsensor auch die Anzahl der Personen im Raum überprüfen und das Niveau entsprechend frühzeitig anpassen oder sogar die Positionen und Entfernungen der Personen erkennen, um die Richtung des Luftstroms zu steuern.

Es gibt viele weitere mögliche Anwendungsfälle – zum Beispiel Soundsysteme, die die Position des Zuhörers verfolgen und kontinuierlich Lautstärke und Klangparameter entsprechend optimieren; Fernseher mit Kinderschutz, die den Abstand des Zuschauers messen und eine Warnung ausgeben, wenn die Augen des Kindes zu nah am Bildschirm sind; oder Geräte für ältere Menschen oder Pflegebedürftige, wie Alarmsysteme, die im Falle eines Sturzes Hilfe herbeirufen. So können Radarsensoren mit wenig Aufwand Energie sparen und nicht nur zum Komfort der Menschen, sondern auch zu ihrem persönlichen Wohlbefinden und ihrer Sicherheit in einer intelligenten Umgebung beitragen.