家の内部温度に応じて動作を制御するサーモスタットがない状態で、家庭用HVACが常時稼働していると想像してください。無駄で非効率に思えませんか？同様のシナリオは、スマートホームデバイスやアプリケーションでも発生する可能性があります。これらのデバイスを適切に管理する管理者がいなければ、デバイスは常に稼働し、エネルギーとお金を無駄にしてしまう可能性があります。この記事では、新しいInfineon XENSIV™ 60 GHzレーダー センサーについて説明し、これを占有監視に使用することで現代のスマート ホームでの日常生活がどのように効率化されるかを説明します。
スマートホームアプリケーションと接続デバイスの数が増え、ユーザーの日常生活がより便利になっています。しかし、これらのデバイスは、誰もいないときでもいつでも使用できるように、常にアクティブまたはスタンバイ モードになっていることが多いため、結果としてエネルギー消費量が高くなります。スマートデバイスにInfineon XENSIV™ 60GHzレーダーセンサーを搭載することで、エネルギー効率が向上し、よりスマートで持続可能なデバイスになります。
スマートビルディングやスマートホームはますます人気が高まっており、今後数年間でその数は大幅に増加すると予想されています。現在、世界中のスマートホームの数は2億以上と推定されており、今後数年以内にこの数字は5億を超えると予測されています
（図1）。
家がスマートになるには、ますます独創的な機能を備えたデジタル化されたデバイスを導入する必要があります。しかし、これには高い代償が伴います。待機電力消費はこれまで着実に減少してきた傾向にあるにもかかわらず、エネルギーの必要性は増大しています。スマート デバイスは、スタンバイ モードであることが、ユーザー入力 (音声制御など) に瞬時に反応したり、スマート ホームやWebから最新の情報を提供したりするための唯一の方法であるため、「オフ」のときでも電力を必要とします。さらに、デバイスがスタンバイ モードで動作して電力を消費する必要がまったくない場合も多くあります (特に、誰もいないときなど)。
この問題を解決し、デジタル化とエネルギー効率の両方の要件を満たすために、インフィニオンは半導体ソリューションを活用しています。その1つがXENSIV™ レーダー センサーで、ほぼすべてのスマート ホーム デバイスに適用できます。レーダー センサーは非常に感度が高く、人が存在するかどうか、デバイスを準備する必要があるかどうかを検出できます。これは、マウスやキーボードの入力がない状態で一定時間経過するとPCモニターを非アクティブにし、新しい入力が検出されるとすぐに再度アクティブにするスクリーン セーバーに似ています。この信頼性の高い存在と不在の検出により、Infineonの60 GHzレーダー センサーは、真にスマートで省エネなデバイスの設計を強化します。
ユーザーの存在によってトリガーされるアクティビティと継続的なアクティビティまたはスタンバイ
2021年にドイツで18歳から64歳までの3,000人の回答者を対象に実施されたStatistaの調査によると、ほぼ4分の3が少なくとも1つのスマートホームデバイスを所有しています。米国でも同様の数字が出ていますが（図2）、中国ではスマートホーム機器のユーザーの割合が90％にも達しています。デバイスは、その用途と同じくらい多様です。照明、セキュリティ デバイス、テレビ、ラップトップ、サウンドバーなどの家電製品、キッチン家電、エアコンなどが含まれます。しかし、これらすべてのデバイスはエネルギー需要を増加させており、これは、顧客が省エネ、持続可能、環境に優しいデバイスを好むエネルギーコストが上昇している時代には特に望ましくない影響です。さらに、グリッド インフラストラクチャにかかる負担は増大しています。
サーモスタット、スマートスピーカー、デジタルアシスタントなどのデバイスを通常のスタンバイモードにする代わりに、誰もいないときに「ディープスリープモード」にすることが、エネルギー消費を削減する一つの方法です。一部のデバイスでは、これにより数ワットまたはその一部を節約できます。ただし、テレビ画面、ラップトップ、サウンド システム、エアコンなど、デバイスをディープ スリープ モードにしたり、人がいないために必要のないときに一時的に電源をオフにしたりすると、100 W以上を節約できる使用例もあります。レーダーセンサーを使用することで、このようなデバイスは人の存在や動きを感知できるようになります。これらの刺激がない場合、レーダーベースのスマートデバイスは自動的にスリープモードに切り替わり、電力を節約できます。センサーと実装に応じて、レーダー モジュール自体の消費電力はわずか数ミリワット、最大消費電力は0.1 Wであり、これは多くの電子機器の「オン」モードまたは標準スタンバイ モードのエネルギー需要よりも大幅に低くなっています (図3)。
レーダーセンサーを使用してエネルギー効率を高める方法
エネルギーを節約するには、デバイスが常に利用可能で接続されている必要があるというアプローチ（これには電力を大量に消費するスタンバイ モードも含まれます）を再考する必要があります。本当に必要なとき、つまりユーザーが存在するときのみ、デバイスがアクティブまたはスタンバイ状態になることが必要です。それが、私たちが現在「スマートでない」家庭で行っていることであり、部屋に入るとすぐに照明をつけたり、室内が暑くなりすぎたときだけ手動でエアコンをオンにしたりしている。それでも、多くのデバイスでは、タイムアウトなどの省電力機能が実装されていないか、ユーザーによって無効にされています。これは多くの場合、これらの機能が高機能と関連して、特に面倒な手動再アクティブ化後に起動時間が長くなり、最新情報が不足する可能性があるため、顧客エクスペリエンスが大幅に悪化する可能性があるためです。
しかし、新しいスマートなアプローチは、多くの疑問に対する答えとなるかもしれません。なぜサーモスタットのディスプレイは常にオンにしておく必要があるのか、気象データをダウンロードするにはデバイス自体を常にインターネットに接続する必要があるのか、などです。監視対象エリア内では誰も動いていないのに、ホームセキュリティシステムのカメラが常にオンになっていて、データを記録し、前処理して、クラウドに転送しているのはなぜでしょうか?デバイスをよりスマートに起動する最善の方法は、レーダー センサーによるモーション検出を実装して、デバイスをディープ スリープ モードから起動することです。
たとえば、レーダー検出モジュールのみがアクティブになっている間は、スマート サーモスタットはデフォルトでオフにすることができます。レーダーが室内の動きを検知するとすぐに、サーモスタットが作動し、家の標準データとインターネットからの天気データを更新します。誰かがデバイスの半径1メートル以内などの定義されたエリアに入るとディスプレイがオンになるため、ユーザーは画面をタッチしてディスプレイを起動し、データが更新されて結果が表示されるのを待つ必要がなくなります。この存在検出の概念は、他の多くのスマートホームデバイスや家電製品にも導入できます。
さらに、空室検出の逆原理も適用できるため、エネルギーを節約できる可能性がさらに高まります。この場合、一定時間室内で動きが検出されない場合、テレビ、スピーカー、スマートランプ、エアコンなどのデバイスをオフにすることができます。これにより、電力消費が大幅に削減されます。不在検知はデバイスを即座に起動することではなく、しばらく誰もいないときに対象を絞って非アクティブ化することであるため、センサー モジュール自体は非アクティブのままにして、数秒または数分ごとにチェックを実行するだけで済みます。その結果、このようなセンサー モジュールは、それ自体の消費量は非常に少ないものの、システム全体で膨大な量のエネルギーを節約できます。
HVACシステムを備えた建物では特に、誰もいないのにほとんどのエネルギーが暖房や冷房に浪費されるため、この原理から利益を得ることができます。さらに悪いことに、多くの場合、これらのデバイスは頻繁に、そして長時間稼働します。しかし、本当にスマートな家であれば、そのエリアにしばらく人がいなくなるとすぐに、それらのシステムを無効にするはずです。この機能は照明システムでは徐々に一般的になりつつありますが、エアコンやモニター、キッチン家電、コンピューター、スピーカー、サウンドシステムなどのデバイスではまだ普及していません。
ユーザーは、テレビなどの他のアプリケーションでも空室検出のメリットを享受できます。たとえば、InfineonのBGT60LTR11AIPレーダー センサー (図4) は、SamsungのFrame TV 2021 (図5) に実装されています。レーダー センサーは、ユーザーが指定した時間、近くに誰もいない場合に、テレビをアート モードからスリープ モードに切り替えます。これにより、エネルギーが節約されるだけでなく、ディスプレイの寿命も延びます。
レーダーセンサーはスマートホームデバイスに最適なセンサーオプションです
利用可能なすべての動作検出ソリューションの中で、レーダー センサーは、人間の目には見えないほどの小さな動きに対しても最高の感度を備えています。PIRセンサーは感度の点では競合できません。また、レーダーはアクティブセンシング技術であるため、PIRセンサーのように体温に依存しません。これにより、人がほとんど動いていない場合やまったく動いていない場合でも、その人物が検出されるようになります。しかし、おそらく最大の利点の1つは、非導電性材料を介した検出です。赤外線、超音波、カメラ、その他の画像ベースのセンサーは、製品ハウジングを覆ったり開口部を設けたりしてはなりませんが、レーダー センサーはデバイス内に完全に隠すことができます。その結果、製品の設計に妥協する必要がなくなり、対応する適応を備えたハウジングの追加の製造手順とコストを回避できます。
もう1つの可能性は、カメラベースのモーション検出です。たとえば、カメラ、テレビ、ラップトップ、および適切な画像センサーをすでに備えているその他のデバイスなどです。画像システムは、良好な周囲光条件が必要な場合があるにもかかわらず、消費電力が非常に高く、ビデオから動きを検出するための画像処理が必要であり、さらに大量のエネルギーを必要とします。カメラベースのシステムはプライベートな空間を侵害するため、ユーザーはそれを完全に信頼しないため、プライバシーの欠如も懸念事項として挙げられることが多い。
さらに、家電製品の価格下落により、部品に対するコスト圧力が高まっています。そのため、3D飛行時間 (ToF) センサーやカメラ センサーは、存在検出に実装するには高価すぎることがよくあります。強力なPIRソリューションであっても、製品ハウジングの設計に影響するだけでなく、追加のフレネル レンズ、アンプ、コントローラーなどが必要になるため、部品コストが増加します。これに比べて、インフィニオンのBGT60LTR11AIPレーダー センサーは、特に自律動作において最小限のサポート コンポーネントのみを必要とするため、システム コストへの影響は最小限に抑えられます。レーダーセンサーはサイズが非常に小さいため、小型で薄型の電子機器にも組み込むことができます。
さらに、レーダー センサーは、レーザー ベースのToFセンサーやその他の画像ベースのセンサーでは検出性能が低下する可能性がある、ほこりや煙、湿気の多い環境でも堅牢です。
レーダーセンサーによって実現される追加のスマート機能
デバイスの取り扱いが不適切だと、不必要な電力消費にもつながります。ユーザーは必ずしもこれに気づいているわけではありませんが、一時的に離れるときにデバイスの電源をオフにしたり設定を調整したりしなかった場合、意図せずにエネルギーを浪費してしまいます。しかし、レーダーセンサーの助けを借りれば、これを自動的に制御できるため、ユーザーはそれについて考える必要がなく、エネルギーを無駄にしていないという確信を得ることができます。
レーダー センサーは、存在または不在の検出器として使用されるだけでなく、空調システムなどのスマート デバイスに他の機能を追加することもできます。このようなアプリケーションでは、レーダー センサーは温度センサーやCO2センサーと組み合わせると最も効率的であるため、たとえば誰かが室内にいるとき、CO2レベルが高すぎるとき、または温度が事前定義された制限を超えたときなど、必要に応じてシステムが起動されます。他のセンシング技術では、存在の有無などのバイナリ情報のみを提供することが多いのに対し、レーダーセンサーは、室内の人数をチェックして早い段階でレベルを調整したり、人の位置や距離をチェックして気流の方向を制御したりすることもできます。
他にも多くの使用例が考えられます。たとえば、リスナーの位置を追跡し、それに応じて音量とサウンドパラメータを継続的に最適化するサウンドシステム、視聴者の距離を測定し、子供の目が画面に近すぎる場合に警告を発するチャイルドケア機能付きテレビ、転倒時に助けを呼ぶ警報システムなど、高齢者や介護が必要な人向けのデバイスなどです。したがって、レーダー センサーはほとんど労力をかけずにエネルギーを節約し、人々の快適さだけでなく、スマートな環境における個人の幸福と安全にも貢献できます。
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