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雷达传感器如何显著提高智能家居的能源效率

judy — Fri, 06 May 2022 03:50:09 +0000

本文作者：Bernd Kohler，英飞凌科技股份公司物联网雷达传感器产品经理和营销人员

智能家居应用和连接设备的数量不断增长，用户的日常生活越来越方便。但是，这却导致了高能耗，因为即使无人在场，这些设备通常也处于长期活跃或待机模式，以便随时投入使用。这些设备配备采用英飞凌 XENSIV™ 毫米波雷达传感器的智能设备后，不但可提高能效，而且更加智能，更加可持续。

智能楼宇和智能家居日益受到欢迎，预计其数量将在未来数年内大幅增长：目前，估计全球智能家居数量已超过 2 亿，预计这一数字将在今后几年内突破 5 亿。、

预计未来几年内的全球智能家居数量将超过 5 亿

房屋的智能化离不开越来越数字化的设备，这些设备的巧妙功能前所未有。但是，设备成本亦居高不下：尽管过往的待机功耗呈稳步下降趋势，但对能源的需求却持续增长。智能设备即使处于“关闭”状态也需要能量，因其只能选择待机模式，才可即时响应用户输入（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。此外，很多时候，设备完全不必以待机模式运行并因此消耗能量——主要是无人在场的情形。

为解决这一问题并满足数字化和节能的要求，英飞凌充分利用了自己的半导体解决方案。其中就包括 XENSIV™雷达传感器，几乎可用于所有智能家居设备。雷达传感器的灵敏度非常高，可检测是否有人在场及设备是否需准备就绪——类似于屏幕保护程序，如果一定时间内无鼠标或键盘输入，则停用 PC 显示器，而在检测到新输入时立即重新激活。借助这项可靠的在场和离开检测技术，英飞凌毫米波雷达可为真正智能、节能设备的设计提供支持。

用户在场触发活动与持续活动或待机

2021 年德国的一项Statista调查表明，在 3000 多名年龄为 18 至 64 岁的德国人中，四分之三以上拥有至少一台智能家居设备。在美国，统计数字非常接近。

据 Statista 调查，美国家庭中的智能设备数量正在迅速增长

而在中国，智能家居设备用户的占比高达90%。这些设备与其应用多种多样，包括：照明、安全设备；电视、笔记本电脑和条形音箱等消费电子产品；厨房电器和空调。但是，所有设备都在增加对能源的需求，节能效果非常不好，尤其是在能源成本不断上涨阶段，而客户更喜欢节能、可持续和环保的设备。此外，电网基础设施所面临的压力也越来越大。

无人在场时，降低能耗的一种方法是将恒温器、智能扬声器或数字助手等设备置于“深度睡眠模式”，而不是使其处于正常待机模式。对于某些设备，这样仅可节省几瓦或一小部分能源。但也有一些使用情况，如果将设备置于深度睡眠模式或暂时关闭，则可节省超过 100 瓦，因为无人在场时，无需使用电视屏幕、笔记本电脑、音响系统或空调等设备。使用雷达传感器后，这些设备就能感测人员是否在场或是否移动；如果仍然没有此类脉冲，基于雷达的智能设备就可自动切换至睡眠模式，从而节省能源。根据传感器和实施的不同，雷达模块本身的功耗仅为几 mW，最高为 0.1 W，这远低于许多电子设备的通电或标准待机模式的能量需求。

如何使用雷达传感器来提高能源效率

为节省能源，需重新探寻设备必须始终可用且保持连接的方法——也包括耗电的待机模式。我们要求，仅当用户真正需要时，也就是用户在场时，设备才处于活动或待机状态。这就是我们目前在“非智能”家中所做的事情，进入房间后才开灯，或仅在室内太热时手动启动空调。然而，在许多设备中，用户仍未使用，甚至禁用诸如超时之类的省电功能。主要是因为那些与高级功能相关的特性通常会导致启动时间过长，以及缺乏最新信息，尤其是在麻烦的手动重新激活之后，因此会明显影响客户体验。

但是，新智能方法可以解决许多问题：为何必须打开恒温器的显示屏，为何设备本身必须连接到互联网才能下载天气数据？即使监控区域内无人移动，为何家庭安全系统的摄像头仍始终开启、记录数据、预处理数据并将其传输到云端？实现更智能设备激活方式的最佳方法是实施运动检测，通过部署雷达传感器将设备从深度睡眠模式中唤醒。

例如，可默认关闭智能恒温器，而仅激活雷达检测模块。只要雷达检测到房间内的移动，恒温器就会启动，从而更新房屋的标准数据和源自互联网的天气数据。如果有人进入规定区域，例如 1 m 以内，显示屏会打开。因此，用户无需触摸屏幕即可将其激活，然后等待数据更新和结果显示。这种在场检测概念可部署至其他各类智能家居设备和电器中。

此外，如果应用空位检测的反向原理，还可提高节能潜力。在这种情况下，如果一段时间内未检测到房间内有任何移动，则可关闭电视、扬声器、智能灯和空调等设备，这样可大幅降低功耗。由于空位检测不是立即激活设备，而是一段时间内无人时有针对性地停用，因此传感器模块本身可保持停用状态，并且每隔几秒或几分钟执行一次检查。因而，此类传感器模块可为整个系统节省大量能源，而自身消耗却很低。部署 HVAC 系统的楼宇尤其可因此而受益，因为尽管无人在场，但大部分能源都浪费于供暖和制冷。[1] 更糟糕的是，大多数时候，这些设备均会频繁且长时间运行 [2]。但是，真正的智能家居会在一段时间内无人时停用这些系统。该功能在照明系统中逐渐普及，但在空调和其他设备（如监视器、厨房电器、计算机、扬声器和音响系统）中尚未普及。

尽管如此，用户也可受益于电视等其他应用中的空位检测。例如，英飞凌 BGT60LTR11AIP 雷达传感器已用于三星 Frame TV 2021，在用户规定的时间内，如果附近无人，则使电视从艺术模式切换至睡眠模式。这样不仅可节省能源，还能延长显示器的使用寿命。

左图：英飞凌毫米波雷达传感器 BGT60LTR11AIP 为真正智能、节能设备的设计提供支持
右图：如果在用户规定的时间内未检测到任何人，三星 Frame TV 2021 将从艺术模式切换至睡眠模式

雷达传感器是最合适的智能家居设备感测选择

在所有可用运动检测解决方案中，对于最小幅度的运动，甚至是肉眼看不见的运动，雷达传感器的灵敏度最高。PIR 传感器的灵敏度无法相提并论。此外，雷达不像 PIR 传感器那样依赖体热，因其采用的是主动感测技术。从而确保检测到几乎没有移动或根本没有移动的人。然而，最大的优势之一却是可以穿透非导电材料进行检测。虽然红外、超声波、摄像头或其他基于图像的传感器不得遮盖或需要在产品外壳上开孔，但雷达传感器可完全隐藏在设备内。因此，您不必在产品设计方面做出任何妥协，且可避免额外的制造步骤以及因此而更改外壳的成本。

另一种可能性是基于摄像头的运动检测，例如用于摄像头、电视、笔记本电脑或其他已配备合适图像传感器的设备。但是，图像系统的功耗非常高，可能需要良好的光照条件，并且需要图像处理来检测视频中的运动，这无疑增加了能量需求。您还可能指责缺乏隐私，因为摄像头系统会侵入私人空间——因此用户并不完全信任。

此外，消费电子价格下降增加了组件的成本压力。因此，3D ToF（飞行时间）和摄像头传感器通常因过于昂贵而无法用于在场检测。而功能强大的 PIR 解决方案，不仅影响产品外壳设计，还需额外的菲涅耳透镜、放大器、控制器等，从而增加 BOM（物料清单）成本。英飞凌 BGT60LTR11AIP 雷达传感器所需支持组件最少，尤其是在自主运行中，因此对系统成本的影响最小。雷达传感器体积很小，因此也可集成到小而薄的电子设备中。

雷达传感器支持的其他智能功能

用户通常意识不到，设备操作不当也会导致不必要的功耗。他们可能在暂时离开时没有关闭设备或调整设置，从而在无意中浪费了能源。但是，在雷达传感器的帮助下，此时可自动进行调节，因此，用户即使什么都不考虑，也不会浪费能源。

除用作在场或离开检测器外，雷达传感器还可为智能设备添加其他功能，例如在空调系统中。在这类应用中，雷达传感器与温度和二氧化碳传感器结合使用时效率最高，因此系统会根据需要启动——比如有人在房间内、二氧化碳浓度过高或温度超过预定义极限时。其他传感技术通常只提供在场或离开等二进制信息，而雷达传感器却可提前检查房间内人数并相应进行调整，甚至可检查人员位置和距离，从而控制气流方向。

还有许多其他可能用例，例如跟踪聆听者位置并据此不断优化音量和声音参数的音响系统。或者可看护儿童的电视，能够测量观看者的距离，并在儿童的眼睛距离屏幕太近时发出警告。还可用于老年人或需护理人员所用的设备中，例如在跌倒时寻求帮助的警报系统。因此，雷达传感器不仅可节省能源并改善人们的舒适度，还可在智能环境中为个人护理和安全做出贡献，而这一切都轻而易举。

此外，雷达传感器在多尘、多烟或潮湿的环境中也很非常耐用，而某些基于激光的 ToF 传感器或其他图像传感器可能难以在这样的环境中实现检测。

参考文献

[1] Martani、Claudio 等人：ENERNET：建筑使用率与能源消耗之间的动态关系研究。能源与建筑，2011，http://senseable.mit.edu/papers/pdf/20120401_Martani_etal_EnernetStudyin...

[2] Norford、L.K 等人：“低能耗”办公楼的测量性能与预测性能之间的二比一差异：基于 DOE-2 模型的调节见解。能源与建筑，1994，https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0378778894900051?v...

Bernd Kohler

拥有物理学 (M.Sc.) 背景，并在 2020 年加入英飞凌雷达团队之前完成了 MBA 学业。作为产品营销人员和经理，他负责各系列英飞凌 24 和毫米波雷达传感器。其中，Bernd 主要推动所有工业、消费和物联网相关的雷达应用，包括智能家居和智能楼宇系统。

简化下一代物联网应用的雷达开发

judy — Mon, 14 Mar 2022 07:32:34 +0000

传感技术让许多公司有了提升现有产品功能的机会。例如，在物联网领域，Omdia预测，在2020年到2024年期间传感器出货量将增加近200亿个，其中雷达传感器的年复合增长率大概会达到30%。

鉴于TI毫米波雷达拥有诸多优势，包括能够在恶劣的条件下运行、保护隐私并提供高分辨率的距离、速度和角度信息，其关注度和使用率日渐增长。

在本文中，我们将提供一些毫米波雷达传感解决方案优化成本的见解，分享新产品创意的真实案例，并探索实际的电路板设计以加快开发速度。

对于已经采用毫米波雷达的系统，所节省的成本可以用来提供颇具竞争力的全新价格，借此弥补产品系列的空缺或为客户提供新的切入点。低成本解决方案还可以帮助印证添加传感功能以提供新功能、便利性及市场吸引力的合理性。楼宇自动化领域便很好地印证了这些可能性。

降低毫米波雷达成本

零售商店自动门供应商可以推出价格更实惠的自动门来形成低成本切入点，这样可以吸引新客户，并留存老客户。成本较低的毫米波解决方案可以通过感知人的存在和方位来确定自动门是否应该打开或关闭，这有助于进行自动门功能扩展。此附加功能可以降低楼宇供热和降温成本并减少自动门的整体机械磨损。

说到降低成本，决策通常都非常容易。然而，与许多决策一样，在满足整体产品要求和降低相关成本之间需要权衡取舍。

典型影响毫米波雷达电路板成本的三个主要方面是：

· 印刷电路板(PCB)设计

· PCB基板材料和制造成本

· 电子物料清单(eBOM)

让我们了解一下这些方面，以及在开发基于TI IWR6843ABGABL传感器的毫米波雷达电路板时要考虑的“节省”背后的一些概念。

简化PCB设计

从PCB设计的角度来看，目标是避免高密度互连设计并降低复杂性，从而降低电路板制造成本。这可以通过在焊板上用过孔代替微孔以及避免过孔来实现。根据电路板的整体设计，您可能会节约一笔可观的成本，但是您必须在这些成本节约与可能的整体尺寸增加之间进行权衡。例如，我们在这方面的研究表明大概可以节省40%的成本，而电路板面积增加可忽略不计。

PCB材料选择

许多产品经理和工程团队都希望在雷达电路板上使用专业的Rogers层压板，起码确保在天线层使用。根据TI实验，我们的经验数据表明，在天线层使用成本较低的Isola FR408HR层压板，实际探测距离还是可以接受的。您必须兼顾整体性能和系统要求，这个探测距离对于典型毫米波系统来说还是比较合理的。如图1所示，采用FR4电路板对最大往返增益会有所影响。

图1：FR4和Rogers电路板比较

点击此处，详细了解天线辐射图及材料。

如图2所示，这一增益差异会导致探测距离略有缩短，但可以说仍在典型毫米波系统的合理性能预期范围内。

例如，如图2所示，最左侧图像表示使用Rogers电路板可以检测到20m远的目标。在线性调频脉冲配置相同的情况下，使用FR4电路板时，由于存在~8dB的增益损耗，探测距离大约会缩短至Rogers电路板的~60%。

在相同条件下，我们可以通过增加线性调频脉冲的数量和相干信噪比来增加探测距离。这个方法对于Rogers和FR4都适用。然而，仍然需要进行权衡，例如，如图2的中间及最右侧图像所示，增加线性调频脉冲数量后，功耗也会随之升高。我们不能通过无限增加线性调频脉冲数量来提升信噪比，因为除了功率之外还需要权衡其他事项，例如硬件支持的有限的片上存储器、有效的处理能力和刷新率。

图2：Rogers与FR4探测距离

与Rogers RO4835层压板相比，Isola FR408HR可大幅降低成本（大概 30%）。除此之外，PCB制造公司更熟悉FR4，这些材料更容易获得。当使用声誉卓越且经验丰富的合作伙伴和供应商时，这份熟悉度和FR408HR各自会进一步帮助降低制造成本。

缩减eBOM

雷达电路板最后考虑节约成本的地方是BOM。由于降低成本是主要目标，因此开发人员应该以此为重点来完成分析。在TI，我们发现使用分立式直流/直流转换器是一种更具成本效益的方式，尤其是对于非安全应用中采用IWR6843AQGABL雷达传感器电路板的电源子系统。在IWR6843LEVM设计中，我们使用了以下直流/直流器件：TPS628502HQDRLRQ1、TPS6285020MQDRLRQ1、TPS6285018AQDRLRQ1 和 TPS628503QDRLRQ1。这些都是固定输出电压器件，成本非常低。也可以考虑将与 TPS628501、TPS628502和TPS628503同一系列的可调电压型号用于电源管理，从而提供设计灵活性并提供更多库存管理选项。当用于非汽车类应用时，该选择较电源管理集成电路(PMIC)替代解决方案可以节省大概10%的总成本。以降低成本为主要目标，在选择直流/直流解决方案时还应考虑对电压监控和功能安全的要求。

总体而言，基于IWR6843AQGABL，我们实现了节约大概10%的成本和电路板面积。

结语

从电路板PCB设计、PCB材料和eBOM中节省的成本可以在扩展当前产品系列的同时开辟新的产品机会。适用的市场包括楼宇自动化、工厂自动化和机器人；与这些市场相关的产品包括割草机、低成本壁挂式空调装置和低成本自动照明系统等。用户可以通过全新的IWR6843LEVM评估模块来评估这些节约点。

现有毫米波SDK可支持IWR6843LEVM。

其他资源：

· 查看工业毫米波雷达传感器

· 要获取演示、实验、应用和源代码，请查看工业毫米波传感器工具箱

关于德州仪器(TI)

德州仪器（TI）（纳斯达克股票代码：TXN）是一家全球性的半导体公司，致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，创造一个更美好的世界。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础之上，使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用，这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。欲了解更多信息，请访问公司网站www.ti.com.cn。