雷达传感器如何显著提升智能家居的能源效率

智能家居应用和连接设备的数量正在增长，使用户的日常生活变得更加方便。然而，这也导致了高能源消耗，因为这些设备通常为了随时准备使用而始终处于激活或待机模式——即使无人使用。通过为智能设备配备英飞凌 XENSIV™ 60 GHz 雷达传感器，这些设备变得更加节能，因此更加智能和可持续。

智能建筑和智能家居正变得越来越受欢迎，其数量预计在未来几年内会显著增长。目前，全球智能家居的数量估计已超过2亿，并且预测在未来几年内这一数字将超过5亿（图1）。

只有通过越来越多数字化的设备以及越来越智能的功能，一所住宅才能变得智能化。然而，这需要付出高昂的代价：能源需求正在增长，尽管之前的趋势是待机功耗不断下降。智能设备即使在“关闭”状态下也需要耗能，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方式。此外，在许多情况下，设备处于待机模式并消耗能源是完全没有必要的——主要是在没有人存在时。

为了解决此问题并满足数字化和能源效率的需求，Infineon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。雷达传感器高度灵敏，可以检测到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，在没有鼠标或键盘输入一段时间后关闭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和缺席检测，Infineon的60 GHz雷达传感器支持真正智能且节能设备的设计。

由用户存在触发的活动与连续活动或待机

根据Statista于2021年在德国进行的一项调查，在年龄范围为18至64岁的3000名受访者中，几乎四分之三的人至少拥有一台智能家居设备。在美国，数据相似（图2），而在中国，智能家居设备用户的比例高达90%。这些设备的种类和应用一样多样化：包括照明、安全设备、电视、笔记本电脑和音响条等消费电子产品、厨房电器和空调等。但所有这些设备都在增加能源需求，这是一种不受欢迎的影响，尤其是在能源成本不断上升的时期，客户更倾向于节能、可持续和环保的设备。此外，电网基础设施也面临着日益增长的压力。

与将恒温器、智能音箱和数字助手等设备置于普通待机模式相比，一种减少能源消耗的方法是在无人时将其置于“深度睡眠模式”。对于某些设备，这可以节省几瓦或更少的能量。但在某些情况下，如果在无人且不需要使用时将设备置于深度睡眠模式或暂时关闭，则可以节省超过100瓦的能耗——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，这类设备能够检测人员的存在或移动；如果这些信号持续缺失，基于雷达的智能设备可以自动切换至睡眠模式，从而节省能源。根据传感器和具体实现的不同，雷达模块本身的功耗仅为几毫瓦，最大功耗为0.1瓦，这显著低于许多电子设备“打开”或标准待机模式下的能耗（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——这一方法需要重新定义。我们需要的设备仅在确实必要时才处于活动状态或待机状态，换句话说，当用户在场时才激活。这与我们目前在“非智能”家居中的做法类似，例如在走进房间时打开灯，或者只有在室内过热时才手动开启空调。然而，许多设备中并未实现省电功能（例如超时设置），或者用户将其禁用。这通常是因为这些功能与高功能性结合时可能会导致较长的启动时间以及信息更新的延迟，特别是在不便的手动重新激活之后，这会显著降低客户体验。

但一种全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保持开启状态？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、进行预处理并将其传输到云端，即使在被监控区域内没有人移动？实现一种更智能的设备激活方式的最佳方法是通过雷达传感器实现的运动检测，从而唤醒它们的深度睡眠模式。

例如，智能恒温器可以默认关闭，仅激活雷达检测模块。当雷达检测到房间内有移动时，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。当有人进入指定区域，例如设备1米半径范围内时，显示屏将会点亮，这样用户无需触摸屏幕激活设备后再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庭设备和电器。

此外，还可以应用空置检测的逆向原理，这提供了更大的节能潜力。在这种情况下，如果在房间内一段时间未检测到活动，电视、扬声器、智能灯具和空调等设备可以被关闭。这显著减少了功耗。因为空置检测的重点并不是设备的即时开启，而是有针对性的关闭，当一段时间没人出现时，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查。因此，这样的传感器模块可以为整个系统节省大量能量，同时自身的能耗也非常低。

配备HVAC系统的建筑物尤其能从这一原则中获益，因为即使没有人存在，大部分能源仍浪费在供暖和制冷上。更糟糕的是，在许多情况下，这些设备经常运行且持续时间较长。然而，一个真正的智能家居会在区域空置一段时间后立即关闭这些系统。这一功能逐渐在照明系统中变得普遍，但在空调及显示器、厨房电器、电脑、音箱和音响系统等其他设备中尚未实现。

用户还可以在其他应用中受益于空位检测，例如电视。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）。当在用户指定的时间内无人接近时，雷达传感器将电视从艺术模式切换到睡眠模式。这不仅节省了能源，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合适的感应选项

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动作也具有最高的灵敏度，其中一些动作甚至是人眼不可见的。PIR 传感器在灵敏度方面无法与之相比。而且，由于雷达是一种主动感知技术，它不像 PIR 传感器那样依赖于体温。这确保了即使人在几乎不动或完全不动的情况下也能够被检测到。但可以说，最大的优势之一是它可以穿透非导电材料进行检测。红外、超声波、摄像头及其它基于图像的传感器不能被遮挡，或需要在产品外壳上留出开口，而雷达传感器可以完全隐藏在设备内部。因此，您无需在产品设计上进行任何妥协，也可以避免为适应外壳做出的额外制造步骤和成本。

另一种可能性是基于摄像头的运动检测，例如适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。图像系统的功耗非常高，同时可能需要良好的环境光条件，并且需要进行图像处理以从视频中检测运动，这进一步需要大量能量。此外，隐私缺乏通常也被认为是一个问题，因为基于摄像头的系统会侵犯私人空间，因此用户对其并不完全信任。

此外，消费电子产品价格下降使组件的成本压力增加。因此，3D 飞行时间（ToF）和摄像头传感器通常因价格昂贵而难以用于存在检测功能。即使是性能强大的 PIR 解决方案，不仅会对产品外壳设计产生影响，还需额外增加菲涅耳透镜、放大器、控制器等，从而提高物料成本。相比之下，Infineon 的 BGT60LTR11AIP 雷达传感器所需的辅助组件非常少，尤其是在独立运行时，因此对系统成本的影响最小。由于其体积小巧，雷达传感器还可以集成到小型和超薄的电子设备中。

此外，雷达传感器在尘土飞扬、烟雾弥漫或潮湿的环境中表现非常出色，而某些基于激光的ToF传感器或其他基于图像的传感器可能会因检测性能下降而受到影响。

雷达传感器启用的额外智能功能

设备的不当操作也会导致不必要的能耗。用户并不总是意识到这一点，但当他们未能在将暂时离开时关闭设备或调整设置时，会无意中浪费能源。然而，通过雷达传感器的帮助，这可以实现自动调节，使用户无需考虑此问题，同时确信自己没有浪费能源。

除了用作存在或缺失检测器之外，雷达传感器还可以为智能设备添加其他功能——例如在空调系统中。在这种应用中，雷达传感器与温度和二氧化碳传感器结合使用效率最高，因此系统可以根据需要激活——例如，当有人在房间里时，当二氧化碳水平过高时，或者当温度超过预设限值时。而其他传感技术通常只能提供二元信息，例如存在或缺失，雷达传感器还可以检查房间中的人数，并在早期阶段调整相应水平，甚至可以检查人们的位置和距离来控制气流的方向。

还有许多其他可能的应用场景——例如，声学系统可以跟踪听者的位置，并根据需要持续优化音量和声音参数；具有儿童保护功能的电视机，可以检测观众与屏幕的距离，并在孩子眼睛离屏幕过近时发出警告；或者为老人或需要护理的人设计的设备，比如在发生跌倒时呼叫援助的报警系统。因此，雷达传感器只需较少的努力，就可以节约能源，不仅为人们提供舒适，还能在智能环境中提升个人的健康和安全。