Come i sensori radar migliorano significativamente l'efficienza energetica della smart home

Il numero di applicazioni per smart-home e dispositivi connessi è in aumento, rendendo la vita quotidiana più comoda per gli utenti. Tuttavia, ciò comporta un elevato consumo energetico, poiché questi dispositivi sono spesso permanentemente attivi o in modalità standby per essere pronti all'uso in qualsiasi momento, anche se non c'è nessuno presente. Dotando i dispositivi smart del sensore radar Infineon XENSIV™ a 60 GHz, essi diventano più efficienti dal punto di vista energetico e quindi più intelligenti e sostenibili.

Gli edifici intelligenti e le case intelligenti stanno diventando sempre più popolari, e si prevede che il loro numero cresca significativamente nei prossimi anni. Già oggi, il numero di case intelligenti in tutto il mondo è stimato in oltre 200 milioni, e le previsioni indicano che questa cifra supererà i 500 milioni nei prossimi anni (Figura 1).

Una casa può diventare intelligente solo attraverso dispositivi sempre più digitalizzati con funzionalità sempre più ingegnose. Tuttavia, questo ha un costo elevato: la necessità di energia sta crescendo, nonostante la precedente tendenza al calo costante del consumo energetico in standby. I dispositivi smart richiedono energia anche quando sono “spenti”, poiché essere in modalità standby è l'unico modo per reagire istantaneamente agli input dell'utente (ad esempio, tramite controllo vocale) o per fornire le informazioni più recenti dalla smart home o dal web. Inoltre, ci sono molte occasioni in cui è completamente inutile che un dispositivo funzioni in modalità standby e consumi quindi energia - principalmente quando nessuno è presente.

Per risolvere questo problema e soddisfare le esigenze sia della digitalizzazione che dell'efficienza energetica, Infineon utilizza le sue soluzioni a semiconduttore. Una di queste è il sensore radar XENSIV™, che può essere applicato a quasi tutti i dispositivi smart-home. I sensori radar sono altamente sensibili e possono rilevare la presenza di una persona e se il dispositivo deve essere attivo — in modo simile a un salvaschermo che disattiva il monitor del PC dopo un certo periodo di inattività del mouse o della tastiera e lo riattiva non appena viene rilevato un nuovo input. Grazie a questa affidabile rilevazione di presenza e assenza, il sensore radar a 60 GHz di Infineon alimenta il design di dispositivi davvero intelligenti e a risparmio energetico.

Attività Scatenata dalla Presenza dell'Utente Versus Attività Continua o Standby

Secondo un sondaggio di Statista condotto in Germania nel 2021 con 3.000 intervistati di età compresa tra i 18 e i 64 anni, quasi tre quarti possiedono almeno un dispositivo smart home. Negli Stati Uniti, i dati sono simili (Figura 2), mentre in Cina la percentuale di utenti di dispositivi smart home raggiunge il 90%. I dispositivi sono tanto diversi quanto le loro applicazioni: includono illuminazione, dispositivi di sicurezza, elettronica di consumo come televisori, laptop e soundbar, elettrodomestici da cucina e condizionatori d’aria. Tuttavia, tutti questi dispositivi stanno aumentando la domanda di energia, un effetto indesiderato, soprattutto in tempi di crescenti costi energetici, quando i clienti preferiscono dispositivi che siano efficienti dal punto di vista energetico, sostenibili ed ecocompatibili. Inoltre, la rete infrastrutturale è sottoposta a crescente pressione.

Invece di mettere dispositivi come i termostati, gli altoparlanti intelligenti e gli assistenti digitali in modalità standby normale, un modo per ridurre il consumo energetico potrebbe essere quello di metterli in una “modalità di riposo profondo” quando nessuno è presente. Per alcuni dispositivi, questo può far risparmiare pochi watt o una frazione di essi. Ma ci sono anche casi d’uso in cui è possibile risparmiare più di 100 W se si mettono i dispositivi in modalità di riposo profondo o li si spegne temporaneamente ogni volta che nessuno è presente e quindi non sono necessari — ad esempio, lo schermo della TV, il laptop, il sistema audio e il condizionatore d’aria. Utilizzando un sensore radar, tali dispositivi saranno in grado di rilevare la presenza o il movimento delle persone; se questi impulsi rimangono assenti, un dispositivo intelligente basato sul radar può passare automaticamente alla modalità di riposo e risparmiare energia. A seconda del sensore e dell’implementazione, il modulo radar stesso ha un consumo di energia di soli pochi milliwatt e un consumo massimo di 0,1 W, che è significativamente inferiore rispetto alla richiesta energetica della modalità “on” o standby standard di molti dispositivi elettronici (Figura 3).

Come Utilizzare i Sensori Radar per Aumentare l'Efficienza Energetica

Per risparmiare energia, è necessario reinventare l'approccio secondo cui i dispositivi devono essere sempre disponibili e connessi — questo include la modalità standby che consuma molta energia. Abbiamo bisogno di dispositivi che siano attivi o in standby solo quando è realmente necessario — in altre parole, quando gli utenti sono presenti. Questo è ciò che facciamo oggi nelle nostre case “non smart”, quando accendiamo le luci entrando in una stanza o attiviamo manualmente il condizionatore solo quando dentro fa troppo caldo. Tuttavia, in molti dispositivi, le funzionalità di risparmio energetico come il timeout non sono nemmeno implementate o vengono disattivate dall'utente. Spesso ciò è dovuto al fatto che queste funzionalità, in combinazione con un'elevata funzionalità, possono portare a lunghi tempi di avvio e a una mancanza di informazioni aggiornate, specialmente dopo una scomoda riattivazione manuale, peggiorando significativamente l'esperienza del cliente.

Ma un nuovo approccio intelligente potrebbe essere la risposta a molte domande: Perché il display di un termostato deve essere sempre acceso e perché il dispositivo stesso deve essere sempre connesso a Internet per scaricare i dati meteorologici? Perché la telecamera del sistema di sicurezza domestico è sempre attiva, registrando dati, pre-processandoli e trasferendoli al cloud, anche se nessuno si muove nell’area monitorata? Il modo migliore per ottenere un’attivazione più intelligente dei dispositivi è implementare il rilevamento del movimento abilitato da un sensore radar per risvegliarli dalla modalità di deep-sleep.

Ad esempio, il termostato intelligente potrebbe essere spento di default mentre solo un modulo di rilevamento radar è attivato. Non appena il radar rileva movimento nella stanza, il termostato verrebbe attivato per aggiornare i dati standard della casa e i dati meteorologici provenienti da internet. Il display si accenderebbe quando qualcuno entra in un'area definita, come un raggio di 1 metro dal dispositivo, così l'utente non avrebbe bisogno di toccare lo schermo per attivarlo e poi aspettare che i dati vengano aggiornati e i risultati visualizzati. Questo concetto di rilevamento della presenza può essere applicato a molti altri dispositivi e apparecchi intelligenti per la casa.

Inoltre, si può applicare anche il principio inverso del rilevamento di assenza, che offre un potenziale ancora maggiore per il risparmio energetico. In questo caso, dispositivi come televisori, altoparlanti, lampade smart e condizionatori d’aria possono essere spenti se non viene rilevato movimento nella stanza per un certo periodo di tempo. Questo riduce significativamente il consumo di energia. Poiché il rilevamento di assenza non riguarda l’attivazione immediata di un dispositivo, ma la disattivazione mirata quando nessuno è stato presente per un po’ di tempo, il modulo del sensore stesso può rimanere disattivato ed effettuare un controllo solo ogni pochi secondi o minuti. Di conseguenza, un modulo sensore di questo tipo può risparmiare una grande quantità di energia per l’intero sistema consumando pochissima energia di per sé.

Gli edifici dotati di sistemi HVAC possono trarre particolare beneficio da questo principio, poiché gran parte dell'energia viene sprecata per riscaldamento e raffreddamento, anche quando non c'è nessuno presente. A peggiorare la situazione, in molti casi, questi dispositivi funzionano frequentemente e per lunghi periodi di tempo. Una casa davvero intelligente, tuttavia, disattiverebbe tali sistemi non appena l'area risulta vacante da un po' di tempo. Questa funzionalità sta gradualmente diventando comune per i sistemi di illuminazione, ma non ancora per i condizionatori d'aria e altri dispositivi come monitor, elettrodomestici da cucina, computer, altoparlanti e sistemi audio.

Gli utenti possono anche beneficiare della rilevazione di assenza in altre applicazioni, come i televisori. Ad esempio, il sensore radar BGT60LTR11AIP di Infineon (Figura 4) è stato implementato nel Frame TV 2021 di Samsung (Figura 5). Il sensore radar passa la TV dalla modalità Arte alla modalità Riposo quando nessuno si trova nelle vicinanze per un periodo di tempo specificato dall'utente. Questo non solo consente di risparmiare energia, ma anche di prolungare la durata del display.

I sensori radar sono l'opzione di rilevamento più adatta per i dispositivi smart-home

Tra tutte le soluzioni di rilevamento del movimento disponibili, i sensori radar offrono la massima sensibilità anche per i movimenti più piccoli, alcuni dei quali sono persino invisibili all'occhio umano. I sensori PIR non possono competere in termini di sensibilità. Inoltre, il radar non si basa sul calore corporeo come fanno i sensori PIR, poiché si tratta di una tecnologia di rilevamento attiva. Questo garantisce che una persona venga rilevata anche quando si muove appena o non si muove affatto. Ma forse uno dei maggiori vantaggi è la capacità di rilevamento attraverso materiali non conduttivi. Mentre i sensori a infrarossi, ultrasonici, con fotocamera e altri basati su immagini non devono essere coperti o richiedono aperture nella struttura del prodotto, un sensore radar può essere completamente nascosto all'interno di un dispositivo. Di conseguenza, non è necessario fare compromessi nel design del prodotto e si possono evitare passaggi di produzione aggiuntivi e costi per una struttura con adattamenti corrispondenti.

Un'altra possibilità è la rilevazione del movimento basata su telecamera — ad esempio, per telecamere, TV, laptop e altri dispositivi che dispongono già di un sensore d'immagine appropriato. I sistemi basati su immagini hanno un consumo energetico molto elevato, sebbene possano richiedere condizioni di luce ambientale ottimali, e necessitano di elaborazione delle immagini per rilevare il movimento da un video, il che richiede ulteriore energia. La mancanza di privacy è spesso citata come una preoccupazione, poiché i sistemi basati su telecamera invadono spazi privati, motivo per cui gli utenti non si fidano completamente di questi sistemi.

Inoltre, la diminuzione dei prezzi dell'elettronica di consumo sta aumentando la pressione sui costi dei componenti. Di conseguenza, i sensori 3D time-of-flight (ToF) e i sensori per fotocamere risultano spesso troppo costosi per essere implementati nella rilevazione di presenza. Anche le soluzioni PIR potenti, che non solo influenzano il design dell'alloggiamento del prodotto ma richiedono anche una lente di Fresnel aggiuntiva, un amplificatore, un controller, ecc., aumentano i costi della distinta base. Il sensore radar BGT60LTR11AIP di Infineon, invece, richiede solo un numero minimo di componenti di supporto, specialmente in modalità autonoma, e quindi ha un impatto minimo sui costi del sistema. Grazie alle loro dimensioni ridotte, i sensori radar possono essere integrati anche in dispositivi elettronici piccoli e sottili.

Inoltre, i sensori radar sono robusti in ambienti polverosi, fumosi o umidi, dove alcuni sensori ToF basati su laser o altri sensori basati su immagini potrebbero subire deterioramenti nelle loro prestazioni di rilevamento.

Ulteriori funzionalità intelligenti abilitate dai sensori radar

Un uso improprio dei dispositivi porta anche a un consumo inutile di energia. Gli utenti non sempre ne sono consapevoli, ma sprecano energia involontariamente quando dimenticano di spegnere i propri dispositivi o di regolare le impostazioni in caso di assenza temporanea. Tuttavia, con l'ausilio di sensori radar, questo può essere regolato automaticamente, così che gli utenti non debbano preoccuparsene e abbiano la certezza di non sprecare energia.

Oltre a essere utilizzati come rilevatori di presenza o assenza, i sensori radar possono aggiungere altre funzioni ai dispositivi smart — ad esempio, nei sistemi di climatizzazione. In tali applicazioni, i sensori radar sono più efficienti quando combinati con sensori di temperatura e CO2, consentendo al sistema di attivarsi secondo necessità — ad esempio, quando qualcuno si trova nella stanza, quando il livello di CO2 è troppo alto o quando la temperatura supera i limiti predefiniti. Mentre altre tecnologie di rilevamento spesso forniscono solo informazioni binarie come presenza o assenza, un sensore radar può anche verificare il numero di persone nella stanza e regolare il livello di conseguenza in una fase iniziale, oppure persino controllare le posizioni e le distanze delle persone per gestire la direzione del flusso d’aria.

Ci sono molti altri possibili casi d'uso — ad esempio, sistemi audio che tracciano la posizione dell'ascoltatore e ottimizzano continuamente il volume e i parametri del suono di conseguenza; TV con funzione di assistenza ai bambini, che misurano la distanza dello spettatore e danno un avviso se gli occhi del bambino sono troppo vicini allo schermo; oppure dispositivi per anziani o persone bisognose di assistenza, come sistemi di allarme che chiamano aiuto in caso di caduta. Pertanto, con poco sforzo, i sensori radar possono risparmiare energia e contribuire non solo al comfort delle persone, ma anche al loro benessere personale e alla sicurezza in un ambiente intelligente.