智能家居的特點及所需傳感器的挑戰(zhàn)

隨著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)的興起所帶動的電子產(chǎn)品和設(shè)備的爆發(fā)式增長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了我們的生活。

如今，“智能家居”早已不是一個新鮮的概念或者炒作的噱頭，而是一個已經(jīng)高度垂直化、細(xì)分化的產(chǎn)業(yè)，它也幾乎滲透到了我們生活中的各個角落，例如燈光、影音娛樂、環(huán)境控制等等，市場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(shè)備等，它們的出現(xiàn)給我們的生活帶來了諸多便利。智能家居正逐漸從單一維度的功能滿足向場景化、系統(tǒng)化的多維度智能解決方案發(fā)展。

ams 資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師 趙智慧

1   智能家居的三個應(yīng)用方向

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

1）功能滿足。正如同鐮刀、斧頭、電鉆、叉車，它們作為生產(chǎn)工具可以幫助人們提高工作效率，節(jié)省工作時間，智能家居也如同人們生活中一件趁手的工具，幫助我們節(jié)省人力物力，并將生活打理的更得當(dāng)。智能的安防、門鎖系統(tǒng)免除了我們用鑰匙開門的麻煩和安全隱患，也降低了樓宇、小區(qū)安全方面的人力成本；掃地機器人的出現(xiàn)解放了很多人的雙手，讓他們下班回到家中有更多的時間用于休息和娛樂；一些傳統(tǒng)的家電，例如洗衣機、冰箱，在加入了“智”的維度后，令操作到反饋這個閉環(huán)系統(tǒng)更加完善，使用起來更加方便。所以，但凡是可以切實滿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)品都會有著寬廣的發(fā)展前景。

2）高效節(jié)能。如今，氣候變暖、能源枯竭、環(huán)境污染等問題已不應(yīng)該僅被環(huán)保人士們所殫精竭慮地倡導(dǎo)，而應(yīng)該是全人類共同的關(guān)注話題和急需解決的問題。智能家居作為產(chǎn)能的消耗者也有責(zé)任為節(jié)能減排分擔(dān)一份力量。例如現(xiàn)在用于辦公或者家庭的智能燈光系統(tǒng)，如何通過傳感系統(tǒng)判斷使用者的狀態(tài)從而減少燈光的用電量，便是它設(shè)計的一大功能之一。像新風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)也會有類似的設(shè)計，從而自行調(diào)節(jié)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，能夠“思”我們所不想，“體”我們所不察。還拿燈光來舉例，我們對于光線的強弱雖有感知，但是無法做到將其具體量化，而燈光系統(tǒng)就可以探測環(huán)境中，室內(nèi)室外的光強的具體數(shù)值，與窗簾系統(tǒng)配合，自動調(diào)節(jié)燈光亮度和窗簾開合角度，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智能家居更加敏感的“神經(jīng)”先于我們發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)揮他們的“智慧”所長。

2   智能家居對傳感器的需求

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

智能家居之所以能稱為“智”，也是因為它具備：由傳感器采集數(shù)據(jù)，由核心芯片進行計算并發(fā)出信號，由執(zhí)行器進行操作，這樣一個相似的工作流程?？梢钥闯?，想要實現(xiàn)“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(yīng)用才能得以延伸。

1）設(shè)備的“感知力”主要由傳感器和傳感芯片來實現(xiàn)，能否在這方面實現(xiàn)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，這也是開發(fā)設(shè)計時的一大難點。

傳感器的精確度。精確度能夠最直觀的體現(xiàn)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(guī)律的作業(yè)場景，居家場景更加個性化、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(yīng)不同環(huán)境下的工作場景。

2）兼容性。應(yīng)用在智能家居中的傳感器種類眾多，例如光、壓力、溫濕度、磁力等，它們所處理的數(shù)據(jù)類型各不相同，并且傳輸?shù)姆绞揭灿兄T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(shù)據(jù)類型進而將更多的設(shè)備融入到智能家居系統(tǒng)中，也是一個開發(fā)的重點難題。

3）不同于商用和工業(yè)中應(yīng)用的智能系統(tǒng)設(shè)備，家居的使用會相對缺少對于設(shè)備的定期維護，單個設(shè)備的維護成本也就相對較高，然而設(shè)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(shè)備的耐用性、可校準(zhǔn)性也提出了高要求。

3   ams的1D飛行時間傳感器

傳感器是ams 的重點研發(fā)領(lǐng)域，其產(chǎn)品也應(yīng)用在眾多智能家居的細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)，例如燈光照明、環(huán)境監(jiān)測、門禁系統(tǒng)、家電、家用機器人等。

家中的智能化設(shè)備要根據(jù)不同的環(huán)境做出響應(yīng)，并且要盡量避免人為干預(yù)，應(yīng)用不同的傳感器種類時也會產(chǎn)生不同的使用效果。紅外傳感器是相對來說應(yīng)用比較廣泛的一類，特點是成本低、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(yīng)用，它有較高的準(zhǔn)確性和較低的造價，但是由于體積偏大，在越來越講究功能和美觀并舉的智能家居市場環(huán)境下，其應(yīng)用空間也受到了限制。而ams 近年來推出的1D 飛行時間(TOF)傳感器則可兼顧眾多優(yōu)點于一身，具有高精度、測量時間短、多物體識別、抗污漬和自動校準(zhǔn)等特點。

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

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

當(dāng)然，正如上述問題所講到的，智能家居正逐漸向系統(tǒng)化的解決方案發(fā)展，應(yīng)用其中技術(shù)尤其是傳感器技術(shù)也會更加復(fù)雜和綜合化，針對不同的個性化場景，通過結(jié)合不同的技術(shù)和產(chǎn)品，使其互相取長補短，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。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界雜》志社2021年2月期）