Cómo los sensores de radar mejoran significativamente la eficiencia energética del hogar inteligente

El número de aplicaciones para hogares inteligentes y dispositivos conectados está creciendo, haciendo la vida cotidiana más conveniente para sus usuarios. Sin embargo, esto resulta en un alto consumo de energía, ya que estos dispositivos a menudo están permanentemente activos o en modo de espera para estar listos para su uso en todo momento, incluso cuando no hay nadie presente. Al equipar los dispositivos inteligentes con el sensor de radar Infineon XENSIV™ de 60 GHz, se vuelven más eficientes energéticamente y, por lo tanto, más inteligentes y sostenibles.

Los edificios inteligentes y los hogares inteligentes están volviéndose cada vez más populares, y se espera que su número crezca significativamente en los próximos años. Ya hoy, se estima que el número de hogares inteligentes en todo el mundo supera los 200 millones, y las previsiones predicen que esta cifra superará los 500 millones en los próximos años (Figura 1).

Una casa puede volverse inteligente solo a través de dispositivos cada vez más digitalizados con funcionalidades cada vez más ingeniosas. Sin embargo, esto tiene un precio elevado: la necesidad de energía está creciendo, a pesar de la tendencia anterior de disminución constante del consumo de energía en modo de espera. Los dispositivos inteligentes requieren energía incluso cuando están "apagados", ya que estar en modo de espera es la única forma en que pueden reaccionar instantáneamente a la entrada del usuario (por ejemplo, a través del control por voz) o proporcionar la información más reciente del hogar inteligente o de la web. Además, hay muchas ocasiones en las que es completamente innecesario que un dispositivo funcione en modo de espera y, por lo tanto, consuma energía, principalmente cuando no hay nadie presente.

Para resolver este problema y cumplir con los requisitos tanto de digitalización como de eficiencia energética, Infineon aprovecha sus soluciones de semiconductores. Una de ellas es el sensor de radar XENSIV™, que puede aplicarse a casi todos los dispositivos de hogar inteligente. Los sensores de radar son altamente sensibles y pueden detectar si una persona está presente y si el dispositivo necesita estar listo, similar a un protector de pantalla que desactiva el monitor de la PC después de un cierto tiempo sin entrada de mouse o teclado y lo reactiva tan pronto como se nota una nueva entrada. Mediante esta detección confiable de presencia y ausencia, el sensor de radar de 60 GHz de Infineon impulsa el diseño de dispositivos verdaderamente inteligentes y que ahorran energía.

Actividad activada por presencia del usuario frente a actividad continua o en espera

Según una encuesta de Statista realizada en Alemania en 2021 con 3,000 encuestados de entre 18 y 64 años, casi tres cuartas partes poseen al menos un dispositivo de hogar inteligente. En EE.UU., las cifras son similares (Figura 2), mientras que en China, el porcentaje de usuarios de dispositivos de hogar inteligente es tan alto como el 90%. Los dispositivos son tan diversos como sus aplicaciones: incluyen iluminación; dispositivos de seguridad; electrónica de consumo como televisores, laptops y barras de sonido; electrodomésticos de cocina; y aires acondicionados. Pero todos estos dispositivos están aumentando la demanda de energía, lo cual es un efecto indeseable, especialmente en tiempos de aumento de costos de energía, cuando los clientes prefieren dispositivos que ahorren energía, sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. Además, la infraestructura de la red está bajo una carga cada vez mayor.

En lugar de poner dispositivos como termostatos, altavoces inteligentes y asistentes digitales en modo de espera normal, una forma de reducir el consumo de energía sería colocarlos en un "modo de sueño profundo" cuando no haya nadie presente. Para algunos dispositivos, esto puede ahorrar unos pocos vatios o una fracción de eso. Pero también hay casos de uso donde se pueden ahorrar más de 100 W si se colocan los dispositivos en un modo de sueño profundo o se apagan temporalmente cuando nadie está presente y por lo tanto no se necesitan — por ejemplo, la pantalla del televisor, el portátil, el sistema de sonido y el aire acondicionado. Utilizando un sensor de radar, dichos dispositivos podrán detectar la presencia o el movimiento de personas; si estos impulsos no están presentes, un dispositivo inteligente basado en radar puede cambiar automáticamente al modo de sueño y ahorrar energía. Dependiendo del sensor y la implementación, el propio módulo de radar tiene un consumo de energía de solo unos pocos milivatios y un consumo máximo de 0.1 W, lo cual es significativamente menor que la demanda energética del modo "encendido" o de espera estándar de muchos dispositivos electrónicos (Figura 3).

Cómo usar los sensores de radar para aumentar la eficiencia energética

Para ahorrar energía, el enfoque de que los dispositivos deben estar siempre disponibles y conectados —esto incluye el modo de espera que consume mucha energía— necesita ser reinventado. Requerimos dispositivos que solo estén activos o en modo de espera cuando sea realmente necesario, en otras palabras, cuando los usuarios estén presentes. Eso es lo que hacemos hoy en nuestros hogares "no inteligentes", cuando encendemos las luces al entrar en la habitación o activamos manualmente el aire acondicionado solo cuando hace demasiado calor. Sin embargo, en muchos dispositivos, las funciones de ahorro de energía como el tiempo de espera ni siquiera se implementan o son desactivadas por el usuario. Esto se debe a menudo al hecho de que esas funciones, en conexión con alta funcionalidad, pueden llevar a un largo tiempo de arranque y falta de información actualizada, especialmente después de una reactivación manual inconveniente, lo cual empeoraría significativamente la experiencia del cliente.

Pero un nuevo enfoque inteligente podría ser la respuesta a muchas preguntas: ¿Por qué la pantalla de un termostato siempre tiene que estar encendida, y por qué el dispositivo en sí siempre tiene que estar conectado a internet para descargar datos meteorológicos? ¿Por qué la cámara del sistema de seguridad del hogar siempre está encendida, grabando datos, preprocesándolos y transfiriéndolos a la nube, incluso cuando no hay nadie moviéndose en el área monitoreada? La mejor manera de lograr una forma más inteligente de activar dispositivos es implementar la detección de movimiento habilitada por un sensor de radar para despertarlos de su modo de sueño profundo.

Por ejemplo, el termostato inteligente podría estar apagado por defecto mientras solo un módulo de detección por radar está activado. Tan pronto como el radar detecta movimiento en la habitación, el termostato se activaría para actualizar los datos estándar de la casa y los datos meteorológicos de internet. La pantalla se encendería cuando alguien entra en un área definida, como dentro de un radio de 1 metro del dispositivo, de modo que el usuario no tendría que tocar la pantalla para activarla y luego esperar a que se actualicen los datos y se muestren los resultados. Este concepto de detección de presencia se puede implementar en muchos otros dispositivos y electrodomésticos inteligentes para el hogar.

Además, el principio inverso de detección de vacantes también se puede aplicar, lo que ofrece un potencial aún mayor para ahorrar energía. En este caso, se pueden apagar dispositivos como televisores, altavoces, lámparas inteligentes y aires acondicionados si no se detecta movimiento en la habitación durante un cierto período de tiempo. Esto reduce significativamente el consumo de energía. Debido a que la detección de vacantes no se trata de la activación inmediata de un dispositivo, sino de la desactivación dirigida cuando nadie ha estado presente durante un tiempo, el módulo sensor en sí puede permanecer desactivado y realizar un chequeo solo cada pocos segundos o minutos. Como resultado, dicho módulo sensor puede ahorrar una gran cantidad de energía para todo el sistema mientras consume muy poco por sí mismo.

Los edificios con sistemas HVAC especialmente pueden beneficiarse de este principio, ya que la mayor parte de la energía se desperdicia en calefacción y refrigeración aunque no haya nadie presente. Para empeorar las cosas, en muchos casos, estos dispositivos funcionan con frecuencia y durante largos períodos. Sin embargo, un hogar verdaderamente inteligente desactivaría esos sistemas tan pronto como el área haya sido desocupada por un tiempo. Esta característica está convirtiéndose gradualmente en algo común para los sistemas de iluminación, pero aún no en acondicionadores de aire y otros dispositivos como monitores, electrodomésticos de cocina, computadoras, altavoces y sistemas de sonido.

Los usuarios también pueden beneficiarse de la detección de vacantes en otras aplicaciones, como los televisores. Por ejemplo, el sensor de radar BGT60LTR11AIP de Infineon (Figura 4) se ha implementado en el televisor Frame TV 2021 de Samsung (Figura 5). El sensor de radar cambia el televisor de Modo Arte a Modo de Suspensión cuando no hay nadie cerca durante un tiempo especificado por el usuario. Esto no solo ahorra energía, sino que también extiende la vida útil de la pantalla.

Los sensores de radar son la opción de detección más adecuada para dispositivos inteligentes del hogar

De todas las soluciones disponibles para la detección de movimiento, los sensores de radar tienen la mayor sensibilidad incluso para los movimientos más pequeños, algunos de los cuales son incluso invisibles para el ojo humano. Los sensores PIR no pueden competir en términos de sensibilidad. Además, el radar no depende del calor corporal como lo hacen los sensores PIR, porque es una tecnología de detección activa. Esto garantiza que se detecte a una persona incluso cuando apenas se mueve o no se mueve en absoluto. Pero, sin duda, una de las mayores ventajas es la detección a través de materiales no conductores. Mientras que los sensores infrarrojos, ultrasónicos, de cámara y otros basados en imágenes no deben estar cubiertos o requieren aberturas en la carcasa del producto, un sensor de radar puede estar completamente oculto dentro de un dispositivo. Como resultado, no tienes que hacer compromisos en el diseño del producto y puedes evitar pasos y costos adicionales de fabricación para una carcasa con adaptaciones correspondientes.

Otra posibilidad es la detección de movimiento basada en cámaras, por ejemplo, en cámaras, televisores, portátiles y otros dispositivos que ya tienen un sensor de imagen adecuado. Los sistemas de imagen tienen un consumo de energía muy alto, aunque pueden necesitar buenas condiciones de luz ambiental, y se requiere procesamiento de imágenes para detectar movimiento desde un video, lo que además requiere mucha energía. La falta de privacidad también se cita a menudo como una preocupación, ya que los sistemas basados en cámaras invaden espacios privados, por lo que los usuarios no confían plenamente en ellos.

Además, la caída de precios de los productos electrónicos de consumo está aumentando la presión sobre los costos de los componentes. Por lo tanto, los sensores 3D de tiempo de vuelo (ToF) y de cámara suelen ser demasiado caros para ser implementados en la detección de presencia. Incluso las potentes soluciones PIR, que no solo afectan el diseño de la carcasa del producto, sino que también requieren una lente de Fresnel adicional, amplificador, controlador, etc., incrementan el costo de la lista de materiales. En comparación, el sensor de radar BGT60LTR11AIP de Infineon requiere solo un mínimo de componentes de soporte, especialmente en operación autónoma, y por lo tanto tiene el menor impacto en los costos del sistema. Debido a su tamaño diminuto, los sensores de radar también se pueden incorporar en dispositivos electrónicos pequeños y delgados.

Además, los sensores de radar son robustos en entornos polvorientos, con humo o húmedos donde algunos sensores ToF basados en láser u otros sensores basados en imágenes pueden experimentar un deterioro en su rendimiento de detección.

Funciones inteligentes adicionales habilitadas por sensores de radar

El manejo incorrecto de los dispositivos también lleva a un consumo de energía innecesario. Los usuarios no siempre son conscientes de esto, pero desperdician energía de manera involuntaria cuando no apagan sus dispositivos o ajustan la configuración cuando van a ausentarse temporalmente. Sin embargo, con la ayuda de sensores de radar, esto se puede regular automáticamente para que los usuarios no tengan que preocuparse por ello y tengan la seguridad de que no están desperdiciando energía.

Además de usarse como detectores de presencia o ausencia, los sensores de radar pueden agregar otras funciones a los dispositivos inteligentes — por ejemplo, en los sistemas de aire acondicionado. En tales aplicaciones, los sensores de radar son más eficientes cuando se combinan con sensores de temperatura y CO2, de modo que el sistema se active según sea necesario — por ejemplo, cuando alguien está en la habitación, cuando el nivel de CO2 es demasiado alto o cuando la temperatura supera los límites predefinidos. Mientras que otras tecnologías de detección a menudo proporcionan sólo información binaria como presencia o ausencia, un sensor de radar también puede verificar el número de personas en la habitación y ajustar el nivel en consecuencia en una etapa temprana, o incluso verificar las posiciones y distancias de las personas para controlar la dirección del flujo de aire.

Hay muchos otros posibles casos de uso — por ejemplo, sistemas de sonido que rastrean la posición del oyente y optimizan continuamente el volumen y los parámetros del sonido en consecuencia; televisores con cuidado infantil, que miden la distancia del espectador y advierten si los ojos del niño están demasiado cerca de la pantalla; o dispositivos para personas mayores o personas que necesitan cuidado, como sistemas de alarma que llaman para pedir asistencia en caso de una caída. Así, con poco esfuerzo, los sensores de radar pueden ahorrar energía y contribuir no solo al confort de las personas, sino también a su bienestar personal y seguridad en un entorno inteligente.