让智能家居传感器来告诉我们更多

Ocean’s Eleven（《十一罗汉》）和 Mission Impossible（《碟中谍》）等好莱坞动作片中展示了许多巧妙方法，用于检测不怀好意的入侵者。 身手不凡的黑衣袭击者亮相大荧幕，通过智取战胜了压力垫、激光场、热感摄像机以及其他棘手的设备。 现实生活中，在无数的家庭和办公室，通常认为房间角落里“不断眨眼”的无源红外传感器就足以阻止投机取巧的入室窃贼。

屋主和安防公司认为 PIR 是最适合家庭应用的入侵者检测技术：经济、可靠、可调节以去除假警报，PIR 是目前首选的人员检测技术。

一直的最爱

PIR 制造商已改良其传感器，克服了红外传感技术的已知弱点。 传感器依赖目标与背景的温差，并且还需要目标移动才能检测到其存在。 为了将这些影响降到最低，Panasonic MP 系列中的传感器（例如 AMN11112）集成了四个感受器来精确检测幅度很小的运动。 这些感受器对小幅温差也很敏感，即使在环境温度接近人体体温的炎热气候下也可确保准确检测。

Panasonic 还对其感受器进行微型化处理，确保通过配有小透镜的小型装置来实现高灵敏度和准确度。 内置放大器、无源元件、光学滤波器及电磁屏蔽的高度集成（图 1），可简化设计并提升可靠性。 不断的改良确保了 PIR 传感器一直是安防系统设计师的最爱。

图 1： 更高的集成度和灵敏度让 PIR 传感器一直成为设计师的首选。

智能建筑要求更多

虽然智能家居时代已经来临，但人们更期望 PIR 这类传感器不仅可支持入侵者检测，还能通过监控房间使用情况来实现自动化照明、加热和其他服务。 PIR 感应的部分已知特征在此背景下成为弱点。 由于传感器依靠检测所观测的热场景中的变化，目标必须移动才能被检测到。 这在安防系统中是可以接受的，因为可以设想入侵者在进入房间后可能在其中四处移动。 另一方面，屋主及其客人可能在房间内长时间坐着不动，例如在交谈或观看电影。 系统不应错误地确定房间未被占用，并开始关闭照明或加热等服务。

此外，未来的智能家居服务可能依赖收集有关占用者的更详细信息，例如其在房间内的具体位置。 这让系统可以自动优化局部区域（例如办公桌或厨房工作台面）的照明，同时调暗房间其余部分的照明，以达到最佳能效。

鉴于目前老龄化人群晚年试图在自己家中安全独立地生活，更智能的人员感应也有助于提供辅助生活服务。 年轻的亲戚通常无法担任全职看护者，而专业护理又过于昂贵。 自动监控可以检测老年屋主是否需要协助，以便于快速提醒看护者或提供紧急服务。

目前的 PIR 传感器虽经过了充分改良，但仍无法捕捉驱动这类服务所需的大量信息。 现在出现了大量替代感应技术。 例如，基于视频的感应可用于让看护者定期检查老人在家是否安全，或确定房间内人员的具体位置。 出于隐私原因，室内视频监控并非可取的解决方案。 或许可以考虑部分监控，或者在分析后丢弃视频，但屋主通常仍会感觉不舒服。

单芯片雷达解决方案

近年来，基于雷达的感应技术已开始进入消费者相关市场。 其中一个示例是汽车驾驶员辅助系统，例如防撞。 在不要求许可的 24 GHz ISM 频率范围内工作的低功耗雷达发射器，目前在智能家居/智能建筑市场上能够以可接受的价格购买到。 其检测在场状况的原理是监控反射的无线电波，并通过对传输回程计时来测量距离，这一概念大概最早在 ²⁰ 世纪初形成。

Infineon BGT24MTR11 等 24 GHz 雷达收发器 IC 可用于打造适合室内人员检测的低功耗传感器。 雷达技术可实现多种高级功能，例如检测不移动的人员、确定人员的具体位置以及感应任何运动的方向。 作为在家庭环境中使用雷达技术的另一项优势，不需要在发射器和传感器与目标之间存在畅通无阻的视线，因此发射器和传感器可放在不显眼的位置。 这个位置可以是吊顶板材等轻质建筑材料后面，因此允许将传感器置于视线范围外。

BGT24MTR11 在一个器件中集成了检测人员以及运动速度和方向所需的一个传输通道和一个接收通道，只需少数电容器就能构成完整运算电路。 这不仅可以节省电路板空间，还消除了 RF 匹配难题。 如果要求系统感应人员的位置，则需要使用两个接收器。 BGT24MTR12 集成了两个接收通道和一个发射器，最适合此用途。

专为低功耗工作而设计

BGT24MTR11 的最大 RF 输出功率为 15 dBm，可安全地用于 ISM 频带。 在连续模式下且发射功率最高时，IC 总功耗为 528 mW，也可通过应用在两次测量之间关闭芯片电源的工作循环方案来大幅降低。 根据目标慢速移动时检测多普勒频移所需的测量时间，每 0.5 秒仅需启动 IC 10 毫秒就能测得高达 25 km/h 的目标速度，分辨率约为 ±1 km/h。 这对典型室内感应应用来说已经足够了，并可将功耗降低至每个周期仅 12 mW。

图 2 显示了雷达 IC 如何与 Infineon XMC4500 微控制器结合使用，该微控制器可通过 SPI 端口对 BGT24MTR11 寄存器编程、通过其片载 DAC 监控 VCO 频率并控制 VCO 调谐电压，以及控制在两个测量周期之间负责关闭 BGT24MTR11 电源的负载开关。 如框图所示，完成该设计只需要使用少量的关键元件。

图 2： 用于室内人员监控应用的脉冲式多普勒雷达。

结论

随着智能建筑变革步伐的加快，新应用和服务将需要更多描述居家和建筑内所发生活动的详细信息。 要在不损害隐私的情况下捕获这些信息，就需要增强的人员感应技术。 24 GHz ISM 频带的雷达感应技术安全、独立，现在通过利用能显著简化系统设计的最新单芯片收发器，可比以往更轻松地实现。 事实证明，节能技术让设计师能够为室内应用打造平均功率仅 10 mW 的低维护传感器。