智能家居的特點(diǎn)及所需傳感器的挑戰

隨著(zhù)人們生活水平的提高，居住環(huán)境在不斷改善，居住面積也在不斷增加?；ヂ?lián)網(wǎng)的興起所帶動(dòng)的電子產(chǎn)品和設備的爆發(fā)式增長(cháng)也令我們的生活更加電子化和智能化，智能家居因此逐漸走進(jìn)了我們的生活。

如今，“智能家居”早已不是一個(gè)新鮮的概念或者炒作的噱頭，而是一個(gè)已經(jīng)高度垂直化、細分化的產(chǎn)業(yè)，它也幾乎滲透到了我們生活中的各個(gè)角落，例如燈光、影音娛樂(lè )、環(huán)境控制等等，市場(chǎng)上各式各樣的智能產(chǎn)品層出不窮，像掃地機器人、智能家電、智能穿戴設備等，它們的出現給我們的生活帶來(lái)了諸多便利。智能家居正逐漸從單一維度的功能滿(mǎn)足向場(chǎng)景化、系統化的多維度智能解決方案發(fā)展。

ams 資深現場(chǎng)應用工程師 趙智慧

1   智能家居的三個(gè)應用方向

智能家居在近些年有著(zhù)快速的發(fā)展，這既得益于科技的進(jìn)步，也離不開(kāi)其本身價(jià)值所填補的需求空檔。筆者認為以下三個(gè)方面的應用方向是智能家居的需求所在，也是發(fā)展的主要方向。

1）功能滿(mǎn)足。正如同鐮刀、斧頭、電鉆、叉車(chē)，它們作為生產(chǎn)工具可以幫助人們提高工作效率，節省工作時(shí)間，智能家居也如同人們生活中一件趁手的工具，幫助我們節省人力物力，并將生活打理的更得當。智能的安防、門(mén)鎖系統免除了我們用鑰匙開(kāi)門(mén)的麻煩和安全隱患，也降低了樓宇、小區安全方面的人力成本；掃地機器人的出現解放了很多人的雙手，讓他們下班回到家中有更多的時(shí)間用于休息和娛樂(lè )；一些傳統的家電，例如洗衣機、冰箱，在加入了“智”的維度后，令操作到反饋這個(gè)閉環(huán)系統更加完善，使用起來(lái)更加方便。所以，但凡是可以切實(shí)滿(mǎn)足我們生活中的使用需求，提升我們生活效率的智能家居產(chǎn)品都會(huì )有著(zhù)寬廣的發(fā)展前景。

2）高效節能。如今，氣候變暖、能源枯竭、環(huán)境污染等問(wèn)題已不應該僅被環(huán)保人士們所殫精竭慮地倡導，而應該是全人類(lèi)共同的關(guān)注話(huà)題和急需解決的問(wèn)題。智能家居作為產(chǎn)能的消耗者也有責任為節能減排分擔一份力量。例如現在用于辦公或者家庭的智能燈光系統，如何通過(guò)傳感系統判斷使用者的狀態(tài)從而減少燈光的用電量，便是它設計的一大功能之一。像新風(fēng)和空調系統也會(huì )有類(lèi)似的設計，從而自行調節壓縮機的功率以減少能耗。

3）智能感知。對于很多消費者而言，智能家居對他們的吸引力也在于它“智”的一面，它不僅僅是一項工具，而成了我們身邊的一位活生生的顧問(wèn)，能夠“思”我們所不想，“體”我們所不察。還拿燈光來(lái)舉例，我們對于光線(xiàn)的強弱雖有感知，但是無(wú)法做到將其具體量化，而燈光系統就可以探測環(huán)境中，室內室外的光強的具體數值，與窗簾系統配合，自動(dòng)調節燈光亮度和窗簾開(kāi)合角度，為我們創(chuàng )造出更加舒適的休息或者閱讀環(huán)境。而對于一些我們難以感知到的環(huán)境中的有害氣體、低頻噪聲、身體健康的狀況等都正在通過(guò)智能家居更加敏感的“神經(jīng)”先于我們發(fā)現問(wèn)題，發(fā)揮他們的“智慧”所長(cháng)。

2   智能家居對傳感器的需求

我們之所以被稱(chēng)為智慧生物是因為我們可以執行：由感官系統感知外界環(huán)境，由大腦進(jìn)行分析和判斷，由身體實(shí)施反應和行為這么一套“感—思—動(dòng)”的流程。

智能家居之所以能稱(chēng)為“智”，也是因為它具備：由傳感器采集數據，由核心芯片進(jìn)行計算并發(fā)出信號，由執行器進(jìn)行操作，這樣一個(gè)相似的工作流程?？梢钥闯?，想要實(shí)現“智”的功能，須有感知的“能”作為前提。有了豐富、精確的感知力，“智”的應用才能得以延伸。

1）設備的“感知力”主要由傳感器和傳感芯片來(lái)實(shí)現，能否在這方面實(shí)現技術(shù)和功能突破對于智能家居的功能、性能和體驗的提升至關(guān)重要，這也是開(kāi)發(fā)設計時(shí)的一大難點(diǎn)。

傳感器的精確度。精確度能夠最直觀(guān)的體現傳感器的性能和使用體驗，相對于工業(yè)生產(chǎn)中的整齊和有規律的作業(yè)場(chǎng)景，居家場(chǎng)景更加個(gè)性化、分散和隨機，所以這對于傳感器的精度提出了較高的要求，以適應不同環(huán)境下的工作場(chǎng)景。

2）兼容性。應用在智能家居中的傳感器種類(lèi)眾多，例如光、壓力、溫濕度、磁力等，它們所處理的數據類(lèi)型各不相同，并且傳輸的方式也有諸如TCP/IP、232 協(xié)議、485 協(xié)議、紅外等不同形式，如何在處理器端兼容這些數據類(lèi)型進(jìn)而將更多的設備融入到智能家居系統中，也是一個(gè)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)難題。

3）不同于商用和工業(yè)中應用的智能系統設備，家居的使用會(huì )相對缺少對于設備的定期維護，單個(gè)設備的維護成本也就相對較高，然而設備的使用頻率和重要性卻不亞于商業(yè)用途。為了降低維護的成本，對于傳感設備的耐用性、可校準性也提出了高要求。

3   ams的1D飛行時(shí)間傳感器

傳感器是ams 的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域，其產(chǎn)品也應用在眾多智能家居的細分領(lǐng)域內，例如燈光照明、環(huán)境監測、門(mén)禁系統、家電、家用機器人等。

家中的智能化設備要根據不同的環(huán)境做出響應，并且要盡量避免人為干預，應用不同的傳感器種類(lèi)時(shí)也會(huì )產(chǎn)生不同的使用效果。紅外傳感器是相對來(lái)說(shuō)應用比較廣泛的一類(lèi)，特點(diǎn)是成本低、能耗小，但是也容易受到環(huán)境中光和溫度的影響，使其在一些條件下靈敏度下降。

三角測距傳感器多用于定位相關(guān)的應用，它有較高的準確性和較低的造價(jià)，但是由于體積偏大，在越來(lái)越講究功能和美觀(guān)并舉的智能家居市場(chǎng)環(huán)境下，其應用空間也受到了限制。而ams 近年來(lái)推出的1D 飛行時(shí)間(TOF)傳感器則可兼顧眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，具有高精度、測量時(shí)間短、多物體識別、抗污漬和自動(dòng)校準等特點(diǎn)。

類(lèi)似于蝙蝠的聲吶系統的測距原理，飛行時(shí)間傳感器在測量時(shí)通過(guò)激光發(fā)射器向障礙物發(fā)射紅外光，根據光的發(fā)射與障礙物反射后返回至傳感器之間的時(shí)間差，便可以在相對運動(dòng)中精確的測量物體與傳感器之間的距離。

1D 飛行時(shí)間傳感器目前已經(jīng)得到了廣泛的應用，尤其是在動(dòng)態(tài)測距，高精度需求的場(chǎng)景中有十分優(yōu)異的表現，例如用于掃地機器人的障礙物識別，樓梯內安防檢測，智能電視的人體靠近檢測，智能燈的靠近點(diǎn)亮，投影儀的人眼保護以及自動(dòng)對焦功能等應用場(chǎng)景。

當然，正如上述問(wèn)題所講到的，智能家居正逐漸向系統化的解決方案發(fā)展，應用其中技術(shù)尤其是傳感器技術(shù)也會(huì )更加復雜和綜合化，針對不同的個(gè)性化場(chǎng)景，通過(guò)結合不同的技術(shù)和產(chǎn)品，使其互相取長(cháng)補短，利用全面的技術(shù)手段覆蓋多樣化的解決方案也是我們行之有效的策略。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界雜》志社2021年2月期）