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。互聯(lián)網(wǎng)的興起所帶動的電子產(chǎn)品和設備的爆發(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)場應用工程師 趙智慧

1   智能家居的三個應用方向

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。筆者認為以下三個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。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該僅被環(huán)保人士們所殫精竭慮地倡導，而應該是全人類共同的關注話題和急需解決的問題。智能家居作為產(chǎn)能的消耗者也有責任為節(jié)能減排分擔一份力量。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，便是它設計的一大功能之一。像新風和空調(diào)系統(tǒng)也會有類似的設計，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。可以看出，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實現(xiàn)，能否在這方面實現(xiàn)技術和功能突破對于智能家居的功能、性能和體驗的提升至關重要，這也是開發(fā)設計時的一大難點。

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，以適應不同環(huán)境下的工作場景。

2）兼容性。應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)中應用的智能系統(tǒng)設備，家居的使用會相對缺少對于設備的定期維護，單個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飛行時間傳感器

傳感器是ams 的重點研發(fā)領域，其產(chǎn)品也應用在眾多智能家居的細分領域內(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。

家中的智能化設備要根據(jù)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時也會產(chǎn)生不同的使用效果。紅外傳感器是相對來說應用比較廣泛的一類，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的應用，它有較高的準確性和較低的造價，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用場景。

當然，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，應用其中技術尤其是傳感器技術也會更加復雜和綜合化，針對不同的個性化場景，通過結合不同的技術和產(chǎn)品，使其互相取長補短，利用全面的技術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）