Wie Radarsensoren die Energieeffizienz des Smart Homes erheblich verbessern

Die Anzahl der Smart-Home-Anwendungen und vernetzten Geräte wächst, was den Alltag der Nutzer bequemer macht. Dies führt jedoch zu einem hohen Energieverbrauch, da diese Geräte oft dauerhaft aktiv oder im Standby-Modus sind, um jederzeit einsatzbereit zu sein – auch wenn niemand anwesend ist. Durch die Ausstattung von Smart-Geräten mit dem Infineon XENSIV™ 60-GHz-Radarsensor werden sie energieeffizienter und dadurch intelligenter und nachhaltiger.

Intelligente Gebäude und Smart Homes werden immer beliebter, und ihre Anzahl wird in den kommenden Jahren voraussichtlich erheblich ansteigen. Schon heute wird die Anzahl der Smart Homes weltweit auf mehr als 200 Millionen geschätzt, und Prognosen sagen voraus, dass diese Zahl in den nächsten Jahren 500 Millionen übersteigen wird (Abbildung 1).

Ein Haus kann nur durch zunehmend digitalisierte Geräte mit immer raffinierteren Funktionen smart werden. Dies hat jedoch seinen Preis: Der Energiebedarf steigt, obwohl der bisherige Trend zu einem stetig sinkenden Standby-Stromverbrauch führte. Intelligente Geräte benötigen Energie, selbst wenn sie „aus“ sind, da sie sich nur im Standby-Modus sofort auf Benutzereingaben (z. B. über Sprachsteuerung) reagieren können oder die neuesten Informationen aus dem Smart Home oder dem Web bereitstellen. Zudem gibt es viele Gelegenheiten, bei denen es völlig unnötig ist, dass ein Gerät im Standby-Modus läuft und somit Energie verbraucht — vor allem, wenn niemand anwesend ist.

Um dieses Problem zu lösen und den Anforderungen sowohl der Digitalisierung als auch der Energieeffizienz gerecht zu werden, nutzt Infineon seine Halbleiterlösungen. Eine davon ist der XENSIV™ Radarsensor, der auf fast alle Smart-Home-Geräte angewendet werden kann. Radarsensoren sind hochsensibel und können erkennen, ob eine Person anwesend ist und ob das Gerät bereit sein muss — ähnlich wie ein Bildschirmschoner, der den PC-Monitor nach einer bestimmten Zeit ohne Maus- oder Tastatureingaben deaktiviert und ihn reaktiviert, sobald neue Eingaben festgestellt werden. Durch diese zuverlässige Anwesenheits- und Abwesenheitserkennung ermöglicht der 60-GHz-Radarsensor von Infineon das Design wirklich intelligenter, energiesparender Geräte.

Aktivität ausgelöst durch Benutzerpräsenz versus kontinuierliche Aktivität oder Standby

Laut einer von Statista im Jahr 2021 in Deutschland durchgeführten Umfrage mit 3.000 Befragten im Alter von 18 bis 64 Jahren besitzen fast drei Viertel mindestens ein Smart-Home-Gerät. In den USA sind die Zahlen ähnlich (Abbildung 2), während in China der Prozentsatz der Nutzer von Smart-Home-Geräten bei bis zu 90 % liegt. Die Geräte sind so vielfältig wie ihre Anwendungen: Sie umfassen Beleuchtung; Sicherheitsgeräte; Unterhaltungselektronik wie Fernseher, Laptops und Soundbars; Küchengeräte; und Klimaanlagen. Aber all diese Geräte erhöhen die Nachfrage nach Energie, was eine unerwünschte Wirkung ist, insbesondere in Zeiten steigender Energiekosten, wenn Kunden energieeffiziente, nachhaltige und umweltfreundliche Geräte bevorzugen. Darüber hinaus steht die Netz-Infrastruktur unter zunehmendem Druck.

Anstelle von Geräten wie Thermostaten, smarten Lautsprechern und digitalen Assistenten in den normalen Standby-Modus zu versetzen, wäre eine Möglichkeit zur Reduzierung des Energieverbrauchs, sie in einen „Deep-Sleep-Modus“ zu versetzen, wenn niemand anwesend ist. Bei einigen Geräten kann dies ein paar Watt oder einen Bruchteil davon einsparen. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, bei denen Sie mehr als 100 W einsparen können, wenn Sie Geräte in den Deep-Sleep-Modus versetzen oder sie vorübergehend ausschalten, wenn niemand anwesend ist und sie daher nicht benötigt werden — zum Beispiel der Fernsehbildschirm, der Laptop, das Soundsystem und die Klimaanlage. Durch den Einsatz eines Radarsensors können solche Geräte die Anwesenheit oder Bewegung von Personen erkennen; bleiben diese Impulse aus, kann ein radarbasierendes Smart-Gerät automatisch in den Schlafmodus schalten und Energie sparen. Je nach Sensor und Implementierung hat das Radarmodul selbst einen Stromverbrauch von nur wenigen Milliwatt und einen maximalen Stromverbrauch von 0,1 W, was deutlich geringer ist als der Energiebedarf des „Eingeschaltet“- oder des Standard-Standby-Modus vieler elektronischer Geräte (Abbildung 3).

Wie man Radarsensoren zur Steigerung der Energieeffizienz verwendet

Um Energie zu sparen, muss der Ansatz, dass Geräte immer verfügbar und verbunden sein müssen — dies schließt den energieintensiven Standby-Modus ein — neu erfunden werden. Wir benötigen Geräte, die nur aktiv oder im Standby sind, wenn es wirklich notwendig ist — mit anderen Worten, wenn Nutzer anwesend sind. Das ist das, was wir heute in unseren „nicht intelligenten“ Häusern tun, wenn wir das Licht einschalten, sobald wir den Raum betreten, oder die Klimaanlage manuell nur dann aktivieren, wenn es drinnen zu heiß wird. Dennoch sind in vielen Geräten stromsparende Funktionen wie Timeout nicht einmal implementiert oder werden vom Benutzer deaktiviert. Dies liegt oft daran, dass diese Funktionen in Verbindung mit hoher Funktionalität zu langen Startzeiten und mangelnden aktuellen Informationen führen können, insbesondere nach einer umständlichen manuellen Reaktivierung, was das Kundenerlebnis erheblich verschlechtern würde.

Aber ein neuer intelligenter Ansatz könnte die Antwort auf viele Fragen sein: Warum muss das Display eines Thermostats immer eingeschaltet sein, und warum muss das Gerät selbst immer mit dem Internet verbunden sein, um Wetterdaten herunterzuladen? Warum ist die Kamera des Sicherheitssystems für das Zuhause immer aktiv, erfasst Daten, verarbeitet sie vor und überträgt sie in die Cloud, obwohl sich niemand im überwachten Bereich bewegt? Der beste Weg, eine intelligentere Aktivierung von Geräten zu erreichen, besteht darin, eine Bewegungserkennung mit einem Radarsensor zu implementieren, um sie aus ihrem Tiefschlafmodus zu wecken.

Zum Beispiel könnte das intelligente Thermostat standardmäßig ausgeschaltet sein, während nur ein Radardetektionsmodul aktiviert ist. Sobald das Radar eine Bewegung im Raum erkennt, würde das Thermostat aktiviert werden, um die Standarddaten des Hauses und die Wetterdaten aus dem Internet zu aktualisieren. Das Display würde sich einschalten, wenn sich jemand in einem definierten Bereich befindet, beispielsweise in einem Radius von 1 Meter um das Gerät, sodass der Benutzer den Bildschirm nicht berühren muss, um ihn zu aktivieren und dann zu warten, bis die Daten aktualisiert und die Ergebnisse angezeigt werden. Dieses Konzept der Anwesenheitserkennung kann in vielen anderen Smart-Home-Geräten und -Anwendungen eingesetzt werden.

Darüber hinaus kann das umgekehrte Prinzip der Leerstanderkennung angewendet werden, das ein noch größeres Potenzial zur Energieeinsparung bietet. In diesem Fall können Geräte wie Fernseher, Lautsprecher, intelligente Lampen und Klimaanlagen ausgeschaltet werden, wenn für eine bestimmte Zeit keine Bewegung im Raum festgestellt wird. Dies reduziert den Stromverbrauch erheblich. Bei der Leerstanderkennung geht es nicht um die sofortige Aktivierung eines Geräts, sondern um die gezielte Deaktivierung, wenn sich eine Weile niemand im Raum aufgehalten hat. Das Sensormodul selbst kann daher deaktiviert bleiben und nur alle paar Sekunden oder Minuten eine Überprüfung durchführen. Dadurch kann ein solches Sensormodul eine enorme Menge an Energie für das gesamte System sparen, während es selbst sehr wenig verbraucht.

Gebäude mit HLK-Systemen können besonders von diesem Prinzip profitieren, da die meiste Energie für Heizung und Kühlung verschwendet wird, selbst wenn niemand anwesend ist. Noch schlimmer wird es dadurch, dass diese Geräte häufig und über lange Zeiträume laufen. Ein wirklich intelligentes Zuhause hingegen würde diese Systeme sofort deaktivieren, sobald der Bereich für eine Weile verlassen wurde. Diese Funktion wird allmählich zur Norm für Beleuchtungssysteme, jedoch noch nicht für Klimaanlagen und andere Geräte wie Monitore, Küchengeräte, Computer, Lautsprecher und Soundsysteme.

Benutzer können auch von der Vakanzerkennung in anderen Anwendungen, wie beispielsweise Fernsehern, profitieren. Zum Beispiel wurde der BGT60LTR11AIP-Radarsensor von Infineon (Abbildung 4) im Frame-TV 2021 von Samsung (Abbildung 5) implementiert. Der Radarsensor wechselt den Fernseher von Art Mode zu Sleep Mode, wenn sich für eine vom Benutzer festgelegte Zeit niemand in der Nähe befunden hat. Dies spart nicht nur Energie, sondern verlängert auch die Lebensdauer des Displays.

Radarsensoren sind die geeignetste Erfassungsoption für Smart-Home-Geräte

Von all den verfügbaren Bewegungsdetektionslösungen haben Radarsensoren die höchste Empfindlichkeit, selbst bei kleinsten Bewegungen, von denen einige sogar für das menschliche Auge unsichtbar sind. PIR-Sensoren können in Bezug auf Empfindlichkeit nicht mithalten. Außerdem ist Radar nicht auf Körperwärme angewiesen, wie es PIR-Sensoren sind, da es sich um eine aktive Sensortechnologie handelt. Dies gewährleistet, dass eine Person erkannt wird, selbst wenn sie sich kaum oder gar nicht bewegt. Einer der größten Vorteile ist jedoch die Erkennung durch nicht leitende Materialien. Während infrarot-, ultraschall-, kamera- und andere bildbasierte Sensoren nicht abgedeckt werden dürfen oder Öffnungen im Produktgehäuse erfordern, kann ein Radarsensor vollständig in einem Gerät verborgen installiert werden. Dadurch müssen keine Kompromisse im Produktdesign gemacht werden und es können zusätzliche Fertigungsschritte und Kosten für ein Gehäuse mit entsprechenden Anpassungen vermieden werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die kamerabasierte Bewegungserkennung – zum Beispiel für Kameras, Fernseher, Laptops und andere Geräte, die bereits über einen geeigneten Bildsensor verfügen. Bildsysteme haben einen sehr hohen Energieverbrauch, obwohl sie möglicherweise gute Lichtverhältnisse benötigen, und es besteht die Notwendigkeit der Bildverarbeitung, um Bewegungen aus einem Video zu erkennen, was ebenfalls viel Energie erfordert. Ein häufig angeführtes Problem ist der Mangel an Privatsphäre, da kamerabasierte Systeme intime Bereiche verletzen, wodurch die Benutzer ihnen nicht voll vertrauen.

Darüber hinaus erhöhen fallende Preise für Unterhaltungselektronik den Kostendruck auf Komponenten. Daher sind 3D Time-of-Flight (ToF) und Kamerasensoren oft zu teuer, um für die Anwesenheitserkennung implementiert zu werden. Selbst leistungsfähige PIR-Lösungen, die nicht nur das Design des Produktgehäuses beeinflussen, sondern auch eine zusätzliche Fresnel-Linse, Verstärker, Controller usw. erfordern, erhöhen die Materialkosten. Im Vergleich dazu benötigt der BGT60LTR11AIP Radarsensor von Infineon nur ein Minimum an unterstützenden Komponenten, insbesondere im autonomen Betrieb, und hat daher den geringsten Einfluss auf die Systemkosten. Aufgrund ihrer geringen Größe können Radarsensoren zudem in kleine und dünne elektronische Geräte integriert werden.

Darüber hinaus sind Radarsensoren robust in staubigen, rauchigen oder feuchten Umgebungen, in denen einige laserbasierte ToF-Sensoren oder andere bildbasierte Sensoren Leistungseinbußen in ihrer Erkennungsleistung erfahren könnten.

Zusätzliche intelligente Funktionen durch Radarsensoren

Unsachgemäßer Umgang mit Geräten führt auch zu unnötigem Stromverbrauch. Benutzer sind sich dessen nicht immer bewusst, aber sie verschwenden unabsichtlich Energie, wenn sie ihre Geräte nicht ausschalten oder die Einstellungen nicht anpassen, wenn sie vorübergehend abwesend sein werden. Mit Hilfe von Radarsensoren kann dies jedoch automatisch geregelt werden, sodass Benutzer sich keine Gedanken darüber machen müssen und die Gewissheit haben, keine Energie zu verschwenden.

Neben ihrer Verwendung als Präsenz- oder Abwesenheitsdetektor können Radarsensoren auch andere Funktionen zu intelligenten Geräten hinzufügen — zum Beispiel in Klimaanlagen. In solchen Anwendungen sind Radarsensoren am effizientesten, wenn sie mit Temperatur- und CO2-Sensoren kombiniert werden, sodass das System bei Bedarf aktiviert wird — zum Beispiel, wenn sich jemand im Raum befindet, wenn der CO2-Gehalt zu hoch ist oder wenn die Temperatur die festgelegten Grenzwerte überschreitet. Während andere Sensortechnologien oft nur binäre Informationen wie Präsenz oder Abwesenheit liefern, kann ein Radarsensor auch die Anzahl der Personen im Raum überprüfen und das Niveau frühzeitig entsprechend anpassen oder sogar die Positionen und Abstände der Personen überprüfen, um die Richtung des Luftstroms zu steuern.

Es gibt viele andere mögliche Anwendungsfälle — zum Beispiel Audiosysteme, die die Position des Zuhörers verfolgen und kontinuierlich Lautstärke sowie Klangparameter entsprechend optimieren; Fernseher mit Kindersicherung, die den Abstand des Betrachters messen und eine Warnung ausgeben, wenn die Augen des Kindes zu nah am Bildschirm sind; oder Geräte für ältere oder pflegebedürftige Menschen, wie Alarmsysteme, die im Falle eines Sturzes um Hilfe rufen. So können Radarsensoren mit geringem Aufwand Energie sparen und nicht nur zum Komfort der Menschen, sondern auch zu ihrem persönlichen Wohlbefinden und ihrer Sicherheit in einer intelligenten Umgebung beitragen.