雷达传感器如何显著提升智能家居的能源效率

智能家居应用程序和联网设备的数量正在增加，为用户的日常生活带来了更多便利。然而，这也导致了高能源消耗，因为这些设备通常处于持续运行或待机模式，以随时待命，即使没有人使用。通过为智能设备配备英飞凌 XENSIV™ 60 GHz 雷达传感器，它们变得更加高效，从而更智能、更可持续。

智能建筑和智能家居正变得越来越受欢迎，其数量在未来几年预计将显著增长。据估计，目前全球智能家居的数量已超过2亿套，预测显示这一数字将在未来几年内超过5亿套（图1）。

一栋房子只有通过越来越数字化的设备以及不断增加的巧妙功能才能变得智能化。然而，这付出的代价却很高：对能源的需求在增加，尽管之前待机功耗稳步下降的趋势仍然存在。智能设备即使在“关闭”状态下仍然需要能源，因为待机模式是它们能够即时响应用户输入（例如，通过语音控制）或提供来自智能家居或网络的最新信息的唯一途径。此外，在很多情况下，设备以待机模式运行并消耗能源是完全没有必要的——特别是当没有人在场时。

为了解决这一问题并满足数字化和能源效率的需求，英飞凌利用其半导体解决方案。其中之一是XENSIV™雷达传感器，可应用于几乎所有智能家居设备。雷达传感器高度敏感，可以检测某人是否存在以及设备是否需要处于准备状态——类似于屏幕保护程序，在一段时间内没有鼠标或键盘输入时会关闭PC显示器，并在检测到新的输入时重新激活。通过这种可靠的存在与离开检测，英飞凌的60 GHz雷达传感器促进了真正智能、节能设备的设计。

由用户存在触发的活动与连续活动或待机状态

根据Statista在2021年于德国进行的一项调查，涉及3,000名年龄在18至64岁之间的受访者，几乎四分之三的人至少拥有一台智能家居设备。在美国，这一比例相似（图2），而在中国，智能家居设备用户的比例高达90%。这些设备的种类和用途一样多样化：包括照明设备、安全设备、消费电子产品（如电视、笔记本电脑和回音壁音响）、厨房电器以及空调。然而，所有这些设备都在增加能源需求，这是一个不受欢迎的结果，尤其是在能源成本不断上升的情况下，消费者更倾向于节能、可持续和环保的设备。此外，电网基础设施也承受着日益增加的压力。

与其将恒温器、智能音箱和数字助手等设备置于普通待机模式，减少能源消耗的另一种方法是在人不在场时将这些设备置于“深度睡眠模式”。对于某些设备，这可以节省几瓦或不足几瓦的电量。但在某些情况下，如果设备在无人出现时进入深度睡眠模式或暂时关闭，则可以节省超过100瓦的电量——例如电视屏幕、笔记本电脑、音响系统和空调。通过使用雷达传感器，这些设备能够感知人的存在或动作；如果没有这些动作，基于雷达的智能设备可以自动切换到睡眠模式，从而节省能源。根据传感器和具体的实现方法，雷达模块本身的功耗仅为几毫瓦，最大功耗为0.1瓦，这远低于许多电子设备的“开启”或标准待机模式所需的能源（图3）。

如何使用雷达传感器提高能源效率

为了节约能源，设备必须始终可用且连接——包括耗电的待机模式——这种方法需要被重新定义。我们需要的是只有在真正必要时（换句话说，当用户在场时）才处于活动或待机状态的设备。这与我们在今天的“非智能”家庭中所做的类似，例如进入房间时才开灯，或者只有当室内变得太热时才手动开启空调。然而，许多设备甚至没有实施省电功能（如超时功能），或者用户直接将其禁用。这通常是因为这些功能加上高功能性，可能会导致启动时间过长以及信息延迟，尤其是在用户不方便的手动重新启动后，这会显著降低客户体验。

但是，一种新的智能方法可能是许多问题的答案：为什么恒温器的显示屏必须始终开启？为什么设备本身必须始终连接到互联网以下载天气数据？为什么家庭安防系统的摄像头始终处于开启状态，记录数据、预处理并将其传输到云端，即使在监控区域内没有任何人移动？实现设备更智能激活的最佳方式是通过雷达传感器启用的运动检测来唤醒它们的深度睡眠模式。

例如，智能恒温器可以默认处于关闭状态，同时仅激活雷达检测模块。当雷达检测到房间内有运动时，恒温器将被激活以更新来自房屋的标准数据和来自互联网的天气数据。当有人进入一个定义的区域（例如设备周围1米半径范围内）时，显示屏会自动打开，因此用户无需触摸屏幕来激活它并等待数据更新和结果显示。这种存在检测的概念可以应用于许多其他智能家居设备和电器。

此外，还可以应用相反的空置检测原理，这在节能方面具有更大的潜力。在这种情况下，如果房间内在一定时间内未检测到任何活动，诸如电视、扬声器、智能灯和空调等设备可以被关闭。这种方式能够显著减少电力消耗。由于空置检测的重点不是设备的即时启动，而是在无人出现一段时间后进行有针对性的关闭，因此传感器模块本身可以保持关闭状态，仅每隔几秒或几分钟进行一次检测。由此，这种传感器模块自身的能耗极低，却能够为整个系统节省大量能源。

带有暖通空调系统的建筑尤其可以从这一原则中受益，因为即使没有人存在，大部分能源依然浪费在供暖和制冷上。更糟糕的是，在许多情况下，这些设备经常运行，并且持续很长一段时间。然而，一个真正智能的家居会在区域空闲一段时间后立即关闭这些系统。这个功能正在逐渐成为照明系统中的常见功能，但在空调和其他设备（如显示器、厨房电器、电脑、扬声器和声音系统）中尚未普及。

用户还可以在其他应用中受益于空置检测，例如电视机。例如，英飞凌的 BGT60LTR11AIP 雷达传感器（图 4）已应用于三星的 Frame TV 2021（图 5）。当长时间没有人在附近时，雷达传感器会将电视从艺术模式切换到睡眠模式。这样不仅节省了能源，还延长了显示屏的使用寿命。

雷达传感器是智能家居设备最适合的感应选项

在所有可用的运动检测解决方案中，雷达传感器即使对于最微小的移动（其中一些甚至人眼不可见）也拥有最高的灵敏度。相比之下，PIR（被动红外）传感器在灵敏度方面无法与之匹敌。此外，雷达作为一种主动感应技术，不像PIR传感器那样依赖于人体热量。这保证了即使人在几乎静止甚至完全不动的情况下也能被检测到。但可以说雷达传感器最大的优势之一是它能够穿透非导电材料进行检测。而红外、超声波、摄像头以及其他基于图像的传感器无法被遮盖，或者需要在产品外壳上开孔，雷达传感器却可以完全隐藏在设备内部。因此，您无需在产品设计上做出任何妥协，还能避免因产品外壳特殊调整而增加的生产步骤和成本。

另一种可能性是基于摄像头的运动检测——例如用于已经配备合适图像传感器的摄像头、电视、笔记本电脑和其他设备。然而，图像系统的功耗非常高，同时可能需要良好的环境光条件，并且需要对视频进行图像处理以检测运动，这进一步消耗大量能源。此外，隐私缺乏保障通常也被列为一个担忧，因为基于摄像头的系统会侵犯私人空间，因此用户并不完全信任它们。

此外，消费者电子产品价格的下降正在增加组件的成本压力。因此，3D飞行时间（ToF）和摄像头传感器往往因成本过高而难以用于存在检测。即使是功能强大的PIR解决方案，不仅会对产品外壳的设计产生影响，还需要额外的菲涅尔透镜、放大器、控制器等，也会增加物料清单成本。相比之下，英飞凌的BGT60LTR11AIP雷达传感器在支持元件方面的需求非常少，特别是在自动运行时，因此对系统成本的影响最小。由于其微小的尺寸，雷达传感器还可以集成到小巧且纤薄的电子设备中。

此外，雷达传感器在多尘、烟雾弥漫或潮湿的环境中具有很强的适应能力，而某些基于激光的ToF传感器或其他基于图像的传感器在这些环境中可能会出现检测性能的下降。

由雷达传感器启用的额外智能功能

设备的使用不当也会导致不必要的电力消耗。用户并不总是意识到这一点，但当他们未能在临时离开时关闭设备或调整设置时，往往会不经意地浪费能源。然而，借助雷达传感器，这一问题可以自动调节，使用户不必操心，同时也能确保自己没有浪费能源。

除可用作存在或不存在的检测器外，雷达传感器还可以为智能设备增加其他功能——例如用于空调系统。在此类应用中，雷达传感器与温度传感器和二氧化碳传感器相结合时效率最高，这样系统可以根据需要启动——例如，当有人在房间内、二氧化碳浓度过高或温度超过预设限制时。尽管其他传感技术通常仅提供如“存在”或“不存在”之类的二进制信息，但雷达传感器还可以检测房间内的人数，并在早期阶段相应调整水平，甚至可以监测人的位置和距离，以控制气流方向。

还有许多其他可能的应用场景——例如，能够跟踪听众位置并不断优化音量和声音参数的音响系统；配备儿童保护功能的电视，可以测量观众与屏幕的距离，并在儿童眼睛过于靠近屏幕时发出警告；或者为老年人或需要护理的人群设计的设备，比如在跌倒时自动呼救的报警系统。因此，雷达传感器可以通过很少的努力节约能源，不仅提升人们的舒适感，还能在智能环境中促进个人的健康和安全。