スマートホームにおけるエネルギー効率を大幅に向上させるレーダーセンサー

スマートホームアプリケーションや接続されたデバイスの数は増加しており、ユーザーの日常生活をより便利にしています。しかし、これらのデバイスは常に使用できるようにするために常時稼働したりスタンバイモードになっていることが多く、その結果、高いエネルギー消費を招いています—誰もいない場合でも。このようなスマートデバイスにInfineon XENSIV™ 60-GHzレーダーセンサーを搭載することで、よりエネルギー効率が高まり、より賢く、そしてより持続可能になります。

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。現在すでに、世界中のスマートホームの数は2億を超えていると推定されており、予測によるとこの数字は今後数年で5億を超えるとされています（図1）。

家がスマートハウスになるためには、よりデジタル化されたデバイスとますます巧妙な機能が必要です。しかし、これは大きな代償を伴います。待機電力消費が次第に減少してきたこれまでのトレンドにもかかわらず、エネルギー需要が増加しています。スマートデバイスは、「オフ」の状態でもエネルギーを必要とします。なぜなら、スタンバイモードでいることが、ユーザー入力（例えば、音声制御）に瞬時に反応したり、スマートホームやウェブからの最新情報を提供したりする唯一の方法だからです。さらに、デバイスがスタンバイモードで動作し、それによりエネルギーを消費することが全く不要な場合も多くあります。主に誰も不在のときです。

この課題を解決し、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、Infineonはその半導体ソリューションを活用しています。その一例がXENSIV™レーダーセンサーであり、これはほぼすべてのスマートホームデバイスに適用可能です。レーダーセンサーは非常に高感度で、人が存在するかどうか、デバイスが準備状態である必要があるかどうかを検知することができます。これは、一定時間マウスやキーボードの入力がない場合にPCモニターを非アクティブにするスクリーンセーバーのように、新しい入力が検知されるとすぐに再アクティブ化する仕組みに似ています。この信頼できる存在検知と不在検知を通じて、Infineonの60GHzレーダーセンサーは、真にスマートでエネルギー節約型のデバイスの設計を促進します。

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待機状態

Statistaが2021年にドイツで18歳から64歳の3,000人を対象に実施した調査によると、ほぼ4分の3の人が少なくとも1つのスマートホームデバイスを所有しています。米国では数値は同様です（図2）。一方、中国ではスマートホームデバイスの利用者の割合が90%にも達しています。これらのデバイスは、その用途の多様性と同様に様々です。照明、セキュリティデバイス、テレビ、ノートパソコン、サウンドバーといったコンシューマエレクトロニクス、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、特にエネルギーコストが上昇している時期には、エネルギーを節約し、持続可能かつ環境に優しいデバイスを顧客が好むため、これは望ましくない影響を及ぼします。さらに、電力網のインフラにもますます負担がかかっています。

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、誰も存在しない場合には「ディープスリープモード」にすることでエネルギー消費を削減する方法があります。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。しかし、誰もいないときにデバイスをディープスリープモードにする、または一時的に電源を切ることで100W以上節約できるケースもあります ― 例えば、テレビ画面、ノートパソコン、サウンドシステム、エアコンなどです。レーダーセンサーを使用することで、これらのデバイスは人の存在や動きを検知できるようになります。これらのインパルスが検出されない場合、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えてエネルギーを節約できます。センサーと実装内容によりますが、レーダーモジュール自体の消費電力は数ミリワットで、最大でも0.1Wです。これは多くの電子デバイスの「オン」モードや標準スタンバイモードのエネルギー需要よりも顕著に低い値です（図3）。

レーダーセンサーを使用してエネルギー効率を向上させる方法

エネルギーを節約するためには、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—これには電力消費の多いスタンバイモードも含まれます—を再構築する必要があります。私たちは、ユーザーが存在する場合、つまり本当に必要な場合にのみアクティブまたはスタンバイ状態となるデバイスを必要としています。これは、今日の「スマートではない」家庭で、部屋に入った際にライトを点けたり、室内が暑くなったときに手動でエアコンを作動させたりすることで行うことです。しかし、多くのデバイスでは、タイムアウトのような省電力機能が実装されていなかったり、ユーザーによって無効化されたりしています。これは多くの場合、その機能が高い機能性と結びついている場合、長い起動時間や、特に不便な手動再作動後には最新情報の欠如を引き起こし、顧客体験を大幅に悪化させ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が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点灯している必要があるのか？なぜデバイス自体が常にインターネットに接続して天気データをダウンロードする必要があるのか？なぜホームセキュリティシステムのカメラは、誰も監視エリアに動きがないのに、常にオンでデータを記録し、前処理を行い、それをクラウドに転送しているのか？デバイスをよりスマートに起動させる最善の方法は、レーダーセンサーを使用したモーション検知を実装して、深いスリープモードからウェイクアップさせることです。

たとえば、スマートサーモスタットはデフォルトでオフの状態に設定され、レーダー検出モジュールだけがアクティブ化されます。部屋内で動きをレーダーが検出すると、サーモスタットがアクティブになり、家の標準データやインターネットからの天気データが更新されます。また、特定のエリア（たとえばデバイスの1メートル以内の範囲）に誰かが入るとディスプレイが点灯し、ユーザーは画面に触れてアクティブ化し、データが更新され結果が表示されるのを待つ必要がなくなります。この存在検知のコンセプトは、他の多くのスマートホームデバイスや家電製品にも展開することができます。

さらに、空室検知の逆原理を適用することで、さらに大きなエネルギー節約の可能性が得られます。この場合、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は、一定時間部屋内で動きが検知されない場合に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。空室検知はデバイスの即時的な起動ではなく、しばらくの間誰もいない場合にターゲットを絞ってデバイスをオフにすることが目的であるため、センサーモジュール自体も常時作動する必要がなく、数秒または数分に一度だけチェックを行うことになります。その結果、このようなセンサーモジュールはシステム全体で膨大なエネルギーを節約すると同時に、自らの消費エネルギーを非常に低く抑えることができます。

HVACシステムを備えた建物は特に、この原理の恩恵を受けることができます。多くのエネルギーが、人が不在であるにもかかわらず、暖房や冷房のために無駄に消費されているためです。さらに悪いことに、こうしたデバイスは多くの場合、頻繁かつ長時間稼働しています。しかし、真にスマートな家庭であれば、そのエリアがしばらく空になった瞬間にこれらのシステムを停止します。この機能は徐々に照明システムでは一般化しつつありますが、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、音響システムなどのデバイスではまだ一般的ではありません。

ユーザーは、テレビなど他のアプリケーションにおける空き検出の利点も享受可能です。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。このレーダーセンサーは、指定された時間内に近くに誰もいない場合、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、エネルギーを節約できるだけでなく、ディスプレイの寿命も延ばすことができます。

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

利用可能なモーション検出ソリューションの中で、レーダーセンサーは、最小の動きでさえも検出できる最高の感度を持っています。その中には人間の目に見えない動きも含まれます。PIRセンサーは感度という点では競争できません。また、レーダーはPIRセンサーのように体温に依存しません。なぜなら、レーダーはアクティブセンシング技術だからです。これにより、人がほとんど動いていない、または全く動いていない場合でも検出が保証されます。しかし、おそらく最大の利点の1つは、非導電性材料を通じた検出が可能であることです。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の筐体で覆われていてはならないか、筐体に開口部を必要とするのに対し、レーダーセンサーはデバイスの中に完全に隠されていても機能します。その結果、製品のデザインを妥協する必要がなく、対応する適応を含む筐体の製造工程やコストを追加することを避けることができます。

もう一つの可能性は、カメラベースの動作検出です。例えば、すでに適切なイメージセンサーを備えたカメラ、テレビ、ラップトップ、その他のデバイスに利用されます。ただし、イメージシステムは非常に高い電力消費がありますし、適切な環境光条件が必要になる場合があります。また、動画から動きを検出するための画像処理が必要であり、これにはさらに多くのエネルギーを要します。さらに、プライバシーの欠如も懸念としてよく挙げられます。カメラベースのシステムはプライベートスペースに侵入するため、ユーザーが完全には信頼していないことが多いです。

さらに、民生用電子機器の価格低下は、コンポーネントへのコスト圧力を高めています。そのため、3D ToF (Time-of-Flight) やカメラセンサーは、存在検知に導入するにはコストが高すぎることがよくあります。製品筐体の設計に影響を与えるだけでなく、追加のフレネルレンズ、アンプ、コントローラーなどを必要とする高性能PIRソリューションでさえ、材料費を増加させます。それに比べて、InfineonのBGT60LTR11AIPレーダーセンサーは、特に自律動作において必要な支持部品が最小限で済むため、システムコストへの影響が最小限です。また、その小さなサイズのおかげで、レーダーセンサーは小型かつ薄型の電子機器にも組み込むことが可能です。

さらに、レーダーセンサーは、レーザーベースのToFセンサーや他の画像ベースのセンサーが検出性能の低下を引き起こす可能性のある、埃っぽい、煙い、または湿気の多い環境でも頑丈です。

レーダーセンサーによって可能になる追加のスマート機能

デバイスの不適切な取り扱いは、不必要な電力消費にもつながります。ユーザーは常にこれを認識しているわけではありませんが、一時的に不在になる際にデバイスの電源を切らなかったり、設定を調整しなかったりすることで無意識にエネルギーを浪費してしまいます。しかし、レーダーセンサーを利用することで、これを自動的に調整することが可能になり、ユーザーはこ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安心感を得られます。

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、例えば空調システムのような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ことで最も効率的に機能し、必要に応じてシステムが作動します。例えば、部屋に人がいる場合、CO2レベルが高すぎる場合、または温度が事前に設定された限度を超えた場合です。他のセンシング技術がしばしば存在または不在といった二進的な情報だけを提供するのに対し、レーダーセンサーは部屋にいる人の人数をチェックして早い段階で適切に調整を行ったり、人々の位置や距離を確認して気流の方向を制御したりすることもできます。

他にも多くの活用例があります。例えば、リスナーの位置を追跡し、それに応じて音量や音声パラメータを継続的に最適化する音響システムや、視聴者との距離を測定し、子供が画面に近すぎる場合に警告を出す育児機能付きのテレビ。または、転倒時に助けを呼ぶアラームシステムなど、高齢者や介護が必要な人々向けのデバイスが含まれます。このように、わずかな労力でレーダーセンサーはエネルギーを節約し、人々の快適さだけでなく、スマート環境における個人の健康や安全にも貢献することができます。