传感器网络 节能 TI毫米波占用传感器让空调更智能更节能

TI毫米波占用传感器让空调更智能更节能

与以往相比，发达国家和发展中国家的人们对空调（AC）的依赖度日益增加，这使得能源消耗迅速增加。

根据国际能源署（Internationa Energy Association）发布的报告“制冷的未来”，空调占当今交流电总能耗的10%。预计到2050年，空调能耗将增加两倍，相当于美国、欧盟和日本目前的总电量。到2050年，全球住宅和商业楼宇中的空调数量将从现在的16亿台增长到56亿台。这相当于未来30年中，每秒将售出10台新空调。

人体占用传感通过适应室内活动水平并将气流引导到最需要的地方，可使空调更智能、更高效节能。图1展示了一些场景，在这些场景中，来自占用传感的反馈，如存在/不存在、活动和人的位置检测，助于节约能源，并通过调节室内温度和将气流导向房间内的人，使居住环境更加舒适。

图1：描述从占用传感中获得的反馈如何确定空调使用量的情景

被动红外传感器和摄像机方案是交流占位传感中使用的两种技术。被动红外传感器成本低、功耗低，但在明亮日光条件下存在较高的错误检测问题，且对精细运动缺乏敏感性。相比之下，摄像机可提供最高的分辨率，但其可能出现较高的错误检测率，尤其存在阴影和人体照片方面。

在采用驻留传感实现节能的同时，行业正在朝着通过边缘处理使空调变得更加智能化的方向发展。除了通过存在检测来控制空调运行以提高用户舒适度外，还在向单一传感技术发展。未来，空调将集成更多用户安全监控功能，例如跌倒事件检测和生命体征监测，包括心率和呼吸频率。

德州仪器毫米波（mmWave）传感器可为相关区域中的每个物体提供丰富的数据集，并提供精确的范围、速度和到达方向信息。通过数字信号处理器(DSP)执行物体检测、分类和跟踪，可得出人员占用信息，例如人员的存在、不存在、计数和相对于空调设备的精确位置。空调装置可利用此信息做出明智决策；例如，当人员进入房间时，传感器会在开启前以最小的预设持续时间跟踪该人员是否在场。如果人员留在房内，则使用跟踪/定位信息，空调可将气流引向该人员，让其感到舒适。根据房内人数，空调温度将做出相应调整，以最大程度地提高舒适度并节约能源。

除数据的准确性和精确性，德州仪器的毫米波传感器在创建智能、高效节能的空调解决方案时还具有诸多优势，包括：

减少错误检测。

在恶劣环境下运行的能力。

美观的产品设计和较小的传感器尺寸。

由于使用传感技术而不是使用摄像机，因此减少了隐私问题。

实现边缘智能

德州仪器毫米波60 GHz传感器在单芯片上集成了调频连续波收发器、片上监测和校准机构、Arm®Cortex®-R4F微控制器和C674x DSP。这种集成实现了在高度集成的传感器上实现智能，并在器件本身进行实时数据处理。

一个示例应用程序 使用德州仪器的IWR6843 60 GHz 毫米波单芯片传感器来实现商用和住宅用空调的占用传感。处理数据的传感器使用Capon波束成形技术进行人员检测，并足够智能地对物体进行分类，以最大程度地减少错误检测。这个示例应用程序演示了在室内长达八米的范围内，移动和静止人员的+/- 10cm检测精度。在室内每两米3人的计数密度下，少于5人的人员计数准确度为100%，最多9人的计数准确度为85%。

在不远的未来，空调将成为完全成为自给自足、基于数据的系统，无需通过遥控器，也不需要通过空调控制单元与人互动。空调中的传感技术将不断收集数据以优化舒适度。例如，在办公室环境中，随着时间推移，传感器将确定从上午9点到下午5点办公室人数达到峰值的时候。基于这些数据，系统将学习在高峰时段引导更多气流，而在非高峰时段限制或关闭气流，从而减少能耗，节省企业支出。

随着住宅和商用空调的需求持续增长（到2050年增长三倍），使用毫米波技术的占用传感可将空调总能耗降低多达35%。未来，毫米波技术将不仅对暖通空调系统的运行方式继续产生更大影响，而且还将减少对环境的总体排放。

专为物联网而生！这款能自行“唤醒”的新型传感器节能又长寿

为了能够及时捕捉到周围环境中有意义的信号，如特定的震动、声音或光谱等，绝大多数的传感器必须时刻处于工作状态。可想而知，这种工作特性会极大地限制了单个传感器的寿命，也为整个系统带来了更高的维护成本。

美国东北大学的研究人员发明了一种基于等离子体的红外传感器 ，它能够在需要执行感应任务时自动运转，然后在不需要工作时自动关闭 （利于节能并延长寿命）。该项研究发表在《自然纳米技术》期刊上。

图丨基于等离子体的红外传感器（来源：美国东北大学/《自然纳米技术》Nature Nanotechnology）

该装置属于事件驱动型传感器 。一般它是休眠的，但总是处于警惕状态，只有在监测到特定信号（感兴趣信号）时才会启动。而且只有启动时，它才会耗能。

美国东北大学的助理教授Matteo Rinaldi解释，当红外光照射到该装置时，就会被集成型超薄等离子体红外光吸收器吸收，并转化成热量。这样就会提高敏感元件的温度，导致其由于热膨胀而弯曲并接触到一起，进而实现探测功能。

超薄等离子体红外光吸收器是由 3 种材料的堆积结构形成：上层是金纳米片（50 nm），中间是介质层（100 nm），下层是铂纳米片（100 nm）。该纳米结构吸收特定波长的电磁波后，高度局域的间隙等离子体被激发。这些局域等离子体可以有效地把光限制在较窄的介质间隙（中间的介质层与上下金属层之间的间隙），进而导致吸收器又高又快的温度增长。

上述金纳米片被作为微型的机械转换开关，从监测信号中获取能量（即对特定波长红外光的吸收）。等离子体在机械转换开关的光吸收过程中起着关键作用 。等离子体是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电波。正是由于这种特性，在微型结构中才能实现强烈且有选择性的光吸收。

Rinaldi表示，“也正是由于这种特殊的选择性吸收，我们的装置才能被预设定的较窄波长范围内的光触发。此外，基于可设定的光吸收特性，同一个芯片上的多个开关可以被不同波长的光触发，进而探测并识别不同的光谱信号。”

由于可以探测出具有特定强度和波长的红外辐射，Rinaldi团队将其研发的传感器称作“红外数字化传感器 ”。它在探测并辨别红外辐射后，将其转变成启动信号，而且在待机时不消耗任何能量。

这款传感器可以用于探测侵入的红外源，比如人体、燃料动力汽车等。它还可以用于检测热源（比如火焰、爆炸等）， 进而触发警报。如果与激光光源结合起来，该技术还可用于远程控制和通信。在所有这些应用场合中，该传感器都可用作零动力触发器去启动下一阶段的电子设备（比如无线通讯模组或者更复杂的传感和信号处理系统）。

要想实现商业化，传感器的真空包装是非常关键的 。因为它们需要真空的操作条件，实现高度热绝缘，从而更好地发挥其性能。

虽然还存在一些问题，但他们已经研制了一款完全靠电池供电的手掌大小的无线红外传感器节点，在待机时几乎不耗电（仅需2.6 nW）。Rinaldi表示，“目前，我们的装置在很多应用中已经足够灵敏（探测极限是500 nW）。不过，如果能够实现更低的探测极限，就可以进一步拓展其应用。”

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