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 diaria 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 ganando cada vez más popularidad, y se espera que su número crezca significativamente en los próximos años. Ya hoy en día, se estima que el número de hogares inteligentes en todo el mundo supera los 200 millones, y las previsiones indican que esta cifra excederá los 500 millones en los próximos años (Figura 1).

Una casa solo puede volverse inteligente mediante dispositivos cada vez más digitalizados con funcionalidades cada vez más ingeniosas. Sin embargo, esto tiene un alto precio: La necesidad de energía está creciendo, a pesar de la tendencia previa de un consumo de energía en modo de espera en constante disminución. Los dispositivos inteligentes requieren energía incluso cuando están "apagados", ya que estar en modo de espera es la única forma de reaccionar instantáneamente a las entradas del usuario (por ejemplo, a través del control por voz) o de 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 del PC después de cierto tiempo sin interacción del ratón o teclado, y lo reactiva tan pronto como se detecta una nueva entrada. A través de esta detección confiable de presencia y ausencia, el sensor de radar de 60 GHz de Infineon impulsa el diseño de dispositivos verdaderamente inteligentes y ahorradores de energía.

Actividad activada por la presencia del usuario versus 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 los 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; productos electrónicos 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 los costos energéticos, cuando los clientes prefieren dispositivos de bajo consumo, sostenibles y ecológicos. Además, la infraestructura de la red eléctrica está bajo una presión creciente.

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 hay nadie presente. Para algunos dispositivos, esto puede ahorrar unos pocos vatios o una fracción de eso. Pero también existen casos en los que se pueden ahorrar más de 100 W si se colocan los dispositivos en un modo de sueño profundo o se apagan temporalmente siempre que no hay nadie presente y, por lo tanto, no son necesarios —por ejemplo, la pantalla del televisor, el portátil, el sistema de sonido y el aire acondicionado. Mediante el uso de un sensor de radar, dichos dispositivos podrán detectar la presencia o el movimiento de personas; si estos impulsos permanecen ausentes, un dispositivo inteligente basado en radar puede cambiar automáticamente al modo de sueño y ahorrar energía. Dependiendo del sensor y la implementación, el módulo de radar en sí tiene un consumo de energía de solo unos pocos miliwatts 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 utilizar 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. Esto es lo que hacemos hoy en nuestros hogares “no inteligentes”, cuando encendemos las luces al entrar en una habitación o activamos manualmente el aire acondicionado solo cuando hace mucho calor adentro. Aun así, en muchos dispositivos, las funciones de ahorro de energía, como el temporizador, ni siquiera están implementadas o son desactivadas por el usuario. Esto a menudo se debe al hecho de que estas funciones, en conexión con alta funcionalidad, pueden generar un tiempo de arranque prolongado y falta de información actualizada, especialmente después de una reactivación manual inconveniente, lo que 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 propio dispositivo siempre tiene que estar conectado a internet para descargar datos meteorológicos? ¿Por qué la cámara del sistema de seguridad del hogar está siempre encendida, grabando datos, procesándolos previamente y transfiriéndolos a la nube, incluso cuando no hay nadie moviéndose en el área que se está monitoreando? La mejor manera de lograr una activación más inteligente de los dispositivos es implementar 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 está activado un módulo de detección por radar. Tan pronto como el radar detecte 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 ingresa a un área definida, como dentro de un radio de 1 metro del dispositivo, para que el usuario no tenga 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 puede implementarse en muchos otros dispositivos y electrodomésticos inteligentes del hogar.

Además, el principio inverso de detección de vacancia también puede aplicarse, lo que ofrece un potencial aún mayor para ahorrar energía. En este caso, dispositivos como televisores, altavoces, lámparas inteligentes y aires acondicionados pueden apagarse si no se detecta movimiento en la habitación durante un cierto período de tiempo. Esto reduce significativamente el consumo de energía. Dado que la detección de vacancia no se trata de la activación inmediata de un dispositivo, sino de la desactivación específica cuando no ha habido nadie presente durante un tiempo, el módulo sensor en sí puede permanecer desactivado y realizar una comprobación 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 se desperdicia mucha energía 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 estado desocupada por un tiempo. Esta función está comenzando a ser habitual en los sistemas de iluminación, pero todavía no en los aires acondicionados y otros dispositivos como monitores, electrodomésticos de cocina, ordenadores, altavoces y sistemas de sonido.

Los usuarios también pueden beneficiarse de la detección de vacantes en otras aplicaciones, como televisores. Por ejemplo, el sensor de radar BGT60LTR11AIP de Infineon (Figura 4) se ha implementado en el Frame TV 2021 de Samsung (Figura 5). El sensor de radar cambia el televisor del Modo Arte al Modo Suspensión cuando no hay nadie cerca durante un tiempo especificado por el usuario. Esto no solo ahorra energía, sino que también prolonga 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 de detección de movimiento disponibles, los sensores de radar tienen la mayor sensibilidad, incluso para los movimientos más pequeños, algunos de los cuales son invisibles al 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, ya que es una tecnología de detección activa. Esto garantiza que una persona sea detectada 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 conductivos. Mientras que los sensores de infrarrojos, ultrasónicos, cámaras 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 del dispositivo. Como resultado, no tienes que hacer ningún compromiso en el diseño del producto y puedes evitar pasos adicionales de fabricación y costos para una carcasa con adaptaciones correspondientes.

Otra posibilidad es la detección de movimiento basada en cámaras, por ejemplo, para cámaras, televisores, laptops y otros dispositivos que ya cuentan con un sensor de imagen adecuado. Los sistemas de imágenes tienen un consumo de energía muy alto, aunque pueden necesitar buenas condiciones de luz ambiental, y es necesario el procesamiento de imágenes para detectar movimiento a partir de un video, lo que además requiere mucha energía. La falta de privacidad también se menciona 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 los precios de la electrónica de consumo está incrementando la presión de costos sobre los componentes. Por lo tanto, los sensores de tiempo de vuelo 3D (ToF) y las cámaras suelen ser demasiado caros para ser implementados en la detección de presencia. Incluso las soluciones PIR potentes, que no solo afectan el diseño de la carcasa del producto, sino que también requieren una lente de Fresnel adicional, amplificador, controlador, etc., aumentan 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 pueden incorporarse 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 podrían estar sujetos a deterioros en su rendimiento de detección.

Funciones inteligentes adicionales habilitadas por sensores de radar

El manejo inadecuado de los dispositivos también conduce 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 no ajustan la configuración cuando van a ausentarse temporalmente. Sin embargo, con la ayuda de sensores de radar, esto puede regularse automáticamente para que los usuarios no tengan que preocuparse por ello, pero tengan la seguridad de que no están desperdiciando energía.

Además de ser utilizados como detectores de presencia o ausencia, los sensores de radar pueden agregar otras funciones a los dispositivos inteligentes, por ejemplo, en sistemas de aire acondicionado. En estas aplicaciones, los sensores de radar son más eficientes cuando se combinan con sensores de temperatura y CO2, de modo que el sistema se activa según sea necesario, por ejemplo, cuando alguien está en la habitación, cuando el nivel de CO2 es demasiado alto o cuando la temperatura excede los límites predefinidos. Mientras que otras tecnologías de detección a menudo solo brindan información binaria, como presencia o ausencia, un sensor de radar también puede verificar la cantidad de personas en la habitación y ajustar el nivel en consecuencia de forma anticipada, 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 de 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 cuidados, como sistemas de alarma que llaman para pedir ayuda 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.