Comment les capteurs radar améliorent considérablement l'efficacité énergétique de la maison intelligente

Le nombre d'applications pour maisons intelligentes et d'appareils connectés est en augmentation, rendant ainsi la vie quotidienne plus pratique pour leurs utilisateurs. Cependant, cela entraîne une consommation d'énergie élevée, car ces appareils sont souvent en activité permanente ou en mode veille pour être prêts à l'utilisation à tout moment — même lorsqu'il n'y a personne. En équipant les appareils intelligents avec le capteur radar Infineon XENSIV™ 60 GHz, ils deviennent plus économes en énergie et donc plus intelligents et durables.

Les bâtiments intelligents et les maisons intelligentes deviennent de plus en plus populaires, et leur nombre devrait croître de manière significative dans les années à venir. Déjà aujourd'hui, le nombre de maisons intelligentes dans le monde est estimé à plus de 200 millions, et les prévisions prédisent que ce chiffre dépassera 500 millions dans les prochaines années (Figure 1).

Une maison ne peut devenir intelligente qu'avec des appareils de plus en plus numérisés dotés de fonctionnalités de plus en plus ingénieuses. Cependant, cela a un coût élevé : le besoin en énergie augmente, malgré la tendance précédente à la diminution constante de la consommation d'énergie en veille. Les appareils intelligents nécessitent de l'énergie même lorsqu'ils sont « éteints », car le mode veille est le seul moyen pour eux de réagir instantanément aux commandes de l'utilisateur (par exemple, via la commande vocale) ou de fournir les dernières informations de la maison intelligente ou du web. De plus, il y a de nombreuses occasions où il n'est absolument pas nécessaire qu'un appareil fonctionne en mode veille et consomme ainsi de l'énergie, principalement lorsque personne n'est présent.

Pour résoudre ce problème et répondre aux exigences à la fois de la numérisation et de l'efficacité énergétique, Infineon utilise ses solutions à base de semi-conducteurs. L'une d'elles est le capteur radar XENSIV™, qui peut être appliqué à presque tous les appareils de maison intelligente. Les capteurs radar sont très sensibles et peuvent détecter si une personne est présente et si l'appareil doit être prêt — similaire à un économiseur d'écran qui désactive le moniteur du PC après un certain temps sans entrée de souris ou de clavier et le réactive dès qu'une nouvelle entrée est détectée. Grâce à cette détection fiable de présence et d'absence, le capteur radar 60 GHz d'Infineon alimente la conception de dispositifs véritablement intelligents et économes en énergie.

Activité déclenchée par la présence de l'utilisateur versus activité continue ou veille

Selon une enquête de Statista réalisée en Allemagne en 2021 auprès de 3 000 personnes âgées de 18 à 64 ans, près des trois quarts possèdent au moins un appareil domotique. Aux États-Unis, les chiffres sont similaires (Figure 2), tandis qu'en Chine, le pourcentage d'utilisateurs d'appareils domotiques atteint 90%. Les appareils sont aussi divers que leurs applications : ils incluent l'éclairage ; les dispositifs de sécurité ; l'électronique grand public comme les téléviseurs, ordinateurs portables et barres de son ; les appareils de cuisine ; et les climatiseurs. Mais tous ces appareils augmentent la demande en énergie, ce qui est un effet indésirable, surtout en période de hausse des coûts énergétiques, lorsque les clients préfèrent des appareils économes en énergie, durables et écologiques. De plus, l'infrastructure du réseau est soumise à une pression croissante.

Au lieu de mettre des appareils tels que les thermostats, les enceintes intelligentes et les assistants numériques en mode veille normale, une façon de réduire la consommation d'énergie serait de les mettre en « mode veille prolongée » lorsque personne n'est présent. Pour certains appareils, cela peut économiser quelques watts ou une fraction de ceux-ci. Mais il existe aussi des cas d'utilisation où vous pouvez économiser plus de 100 W si vous mettez les appareils en mode veille prolongée ou si vous les éteignez temporairement lorsque personne n'est présent et qu'ils ne sont donc pas nécessaires — par exemple, l'écran de télévision, l'ordinateur portable, le système audio et le climatiseur. En utilisant un capteur radar, de tels appareils pourront détecter la présence ou le mouvement des personnes ; si ces impulsions demeurent absentes, un appareil intelligent basé sur le radar peut automatiquement passer en mode veille et économiser de l'énergie. Selon le capteur et l'implémentation, le module radar lui-même a une consommation d'énergie de seulement quelques milliwatts et une consommation maximale de 0,1 W, ce qui est nettement inférieur à la demande en énergie du mode « allumé » ou du mode veille standard de nombreux appareils électroniques (Figure 3).

Comment utiliser les capteurs radar pour augmenter l'efficacité énergétique

Pour économiser de l'énergie, l'approche selon laquelle les appareils doivent toujours être disponibles et connectés — cela inclut le mode veille énergivore — doit être réinventée. Nous avons besoin d'appareils qui ne sont actifs ou en veille que lorsque cela est vraiment nécessaire — en d'autres termes, lorsque les utilisateurs sont présents. C'est ce que nous faisons aujourd'hui dans nos maisons « non intelligentes », lorsque nous allumons les lumières en entrant dans la pièce ou que nous activons manuellement le climatiseur uniquement lorsqu'il fait trop chaud à l'intérieur. Pourtant, dans de nombreux appareils, les fonctionnalités d'économie d'énergie comme le délai d'inactivité ne sont même pas mises en œuvre ou sont désactivées par l'utilisateur. Cela est souvent dû au fait que ces fonctionnalités, associées à une grande fonctionnalité, peuvent entraîner un temps de démarrage long et un manque d'informations à jour, surtout après une réactivation manuelle gênante, ce qui dégraderait considérablement l'expérience client.

Mais une nouvelle approche intelligente pourrait être la réponse à de nombreuses questions : pourquoi l'affichage d'un thermostat doit-il toujours être allumé, et pourquoi le dispositif lui-même doit-il toujours être connecté à internet pour télécharger des données météorologiques ? Pourquoi la caméra du système de sécurité domestique est-elle toujours allumée, enregistrant des données, les pré-traitant et les transférant vers le cloud, même si personne ne se déplace dans la zone surveillée ? La meilleure façon de mettre en œuvre une activation plus intelligente des dispositifs est d'intégrer une détection de mouvement activée par un capteur radar pour les réveiller de leur mode de veille profonde.

Par exemple, le thermostat intelligent pourrait être éteint par défaut tandis qu'un module de détection radar est activé. Dès que le radar détecte un mouvement dans la pièce, le thermostat serait activé pour mettre à jour les données standard de la maison et les données météorologiques depuis Internet. L'écran s'allumerait lorsque quelqu'un entre dans une zone définie, par exemple dans un rayon de 1 mètre de l'appareil, de sorte que l'utilisateur n'aurait pas à toucher l'écran pour l'activer puis attendre la mise à jour des données et l'affichage des résultats. Ce concept de détection de présence peut être déployé dans de nombreux autres appareils et dispositifs de maison intelligente.

En outre, le principe inverse de la détection de vacance peut également être appliqué, offrant un potentiel encore plus grand pour économiser l'énergie. Dans ce cas, des appareils tels que les téléviseurs, les haut-parleurs, les lampes intelligentes et les climatiseurs peuvent être éteints si aucun mouvement n'est détecté dans la pièce pendant un certain temps. Cela réduit considérablement la consommation d'énergie. La détection de vacance ne concerne pas l'activation immédiate d'un appareil, mais la désactivation ciblée lorsqu'il n'y a eu personne pendant un moment, le module de capteur lui-même peut donc rester désactivé et effectuer une vérification seulement toutes les quelques secondes ou minutes. En conséquence, un tel module de capteur peut économiser une énorme quantité d'énergie pour tout le système tout en consommant lui-même très peu.

Les bâtiments équipés de systèmes CVC peuvent particulièrement tirer parti de ce principe, car la plupart de l'énergie est gaspillée pour le chauffage et la climatisation même en l'absence de personnes. Pour aggraver les choses, dans beaucoup de cas, ces dispositifs fonctionnent fréquemment et pendant de longues périodes. Une maison véritablement intelligente désactiverait cependant ces systèmes dès que la zone est inoccupée pendant un certain temps. Cette fonctionnalité devient progressivement courante pour les systèmes d'éclairage, mais pas encore pour les climatiseurs et d'autres appareils tels que les moniteurs, les appareils de cuisine, les ordinateurs, les enceintes et les systèmes audio.

Les utilisateurs peuvent également bénéficier de la détection de vacance dans d'autres applications, telles que les téléviseurs. Par exemple, le capteur radar BGT60LTR11AIP d'Infineon (Figure 4) a été implémenté dans le Frame TV 2021 de Samsung (Figure 5). Le capteur radar passe le téléviseur du mode Art au mode Veille lorsqu'aucune présence n'est détectée pendant une durée spécifiée par l'utilisateur. Cela permet non seulement d'économiser de l'énergie, mais aussi de prolonger la durée de vie de l'écran.

Les capteurs radar sont l'option de détection la plus adaptée pour les appareils domotiques

Parmi toutes les solutions de détection de mouvement disponibles, les capteurs radar ont la sensibilité la plus élevée même pour les plus petits mouvements, dont certains sont même invisibles à l'œil humain. Les capteurs PIR ne peuvent rivaliser en termes de sensibilité. De plus, le radar ne dépend pas de la chaleur corporelle comme le font les capteurs PIR, car c'est une technologie de détection active. Cela garantit qu'une personne est détectée même lorsqu'elle bouge à peine ou ne bouge pas du tout. Mais l'un des plus grands avantages est sans doute la détection à travers des matériaux non conducteurs. Alors que les capteurs infrarouges, ultrasoniques, à caméra et autres basés sur l'image ne doivent pas être couverts ou nécessitent des ouvertures dans le boîtier du produit, un capteur radar peut être complètement caché à l'intérieur d'un appareil. En conséquence, vous n'avez pas à faire de compromis sur le design du produit et pouvez éviter des étapes de fabrication supplémentaires et des coûts pour un boîtier avec des adaptations correspondantes.

Une autre possibilité est la détection de mouvement basée sur une caméra — par exemple, pour les caméras, téléviseurs, ordinateurs portables et autres appareils qui disposent déjà d'un capteur d'image adéquat. Les systèmes d'imagerie ont une consommation d'énergie très élevée, bien qu'ils puissent nécessiter de bonnes conditions de lumière ambiante, et il est nécessaire de traiter les images pour détecter le mouvement à partir d'une vidéo, ce qui nécessite également beaucoup d'énergie. Le manque de confidentialité est souvent également cité comme une préoccupation, car les systèmes basés sur des caméras envahissent les espaces privés, les utilisateurs ne leur font donc pas entièrement confiance.

De plus, la baisse des prix de l'électronique grand public augmente la pression sur les coûts des composants. Ainsi, les capteurs de temps de vol (ToF) 3D et les capteurs de caméra sont souvent trop chers pour être utilisés pour la détection de présence. Même les solutions PIR puissantes, qui affectent non seulement la conception du boîtier du produit mais nécessitent également une lentille de Fresnel supplémentaire, un amplificateur, un contrôleur, etc., augmentent le coût de la nomenclature. Le capteur radar BGT60LTR11AIP d’Infineon, en comparaison, ne nécessite qu'un minimum de composants de support, surtout en mode autonome, et a donc le plus petit impact sur les coûts du système. En raison de leur petite taille, les capteurs radar peuvent également être intégrés dans des appareils électroniques petits et fins.

De plus, les capteurs radar sont robustes dans des environnements poussiéreux, enfumés ou humides où certains capteurs ToF basés sur un laser ou d'autres capteurs basés sur l'image pourraient voir leurs performances de détection se détériorer.

Fonctionnalités intelligentes supplémentaires activées par les capteurs radar

Une mauvaise gestion des appareils entraîne également une consommation d'énergie inutile. Les utilisateurs ne sont pas toujours conscients de cela, mais ils gaspillent de l'énergie sans le vouloir lorsqu'ils oublient d'éteindre leurs appareils ou d'ajuster les réglages lorsqu'ils vont être temporairement absents. Cependant, avec l'aide de capteurs radar, cela peut être régulé automatiquement afin que les utilisateurs n'aient pas à y penser, tout en ayant l'assurance de ne pas gaspiller d'énergie.

Outre leur utilisation comme détecteurs de présence ou d'absence, les capteurs radar peuvent ajouter d'autres fonctions aux appareils intelligents — par exemple, dans les systèmes de climatisation. Dans de telles applications, les capteurs radar sont les plus efficaces lorsqu'ils sont combinés avec des capteurs de température et de CO2, de sorte que le système s'active selon les besoins — par exemple, lorsque quelqu'un est dans la pièce, lorsque le niveau de CO2 est trop élevé, ou lorsque la température dépasse les limites prédéfinies. Alors que d'autres technologies de détection fournissent souvent uniquement des informations binaires telles que la présence ou l'absence, un capteur radar peut également vérifier le nombre de personnes dans la pièce et ajuster le niveau en conséquence à un stade précoce, ou même vérifier les positions et les distances des personnes pour contrôler la direction du flux d'air.

Il existe de nombreux autres cas d'utilisation possibles — par exemple, des systèmes audio qui suivent la position de l'auditeur et optimisent continuellement le volume et les paramètres sonores en conséquence ; des télévisions avec prise en charge des enfants, qui mesurent la distance du téléspectateur et émettent un avertissement si les yeux de l'enfant sont trop près de l'écran ; ou des dispositifs pour les personnes âgées ou en besoin de soins, tels que des systèmes d'alarme qui appellent à l'aide en cas de chute. Ainsi, avec peu d'efforts, les capteurs radar peuvent économiser de l'énergie et contribuer non seulement au confort des personnes, mais aussi à leur bien-être personnel et à leur sécurité dans un environnement intelligent.