利用智慧家庭感測器取得更多資訊

在《瞞天過海》和《不可能的任務》等好萊塢動作片中，出現過許多能偵測圖謀不軌入侵者的精密方法。 電影中超敏捷的黑衣特攻隊能輕鬆克服壓力感應墊、雷射偵測場、熱成像攝影機和其他可怕裝置。 在現實世界中，許多住家與辦公室都裝有被動式紅外線感測器，在房間角落閃爍著燈光，而人們也往往認為這足以嚇阻投機的竊賊。

屋主和保全公司將 PIR 視為最適合居家應用的侵入偵測技術，不僅經濟、可靠，並可調整以便過濾假警報。PIR 是現有佔位偵測技術的首選。

長期受到愛用

PIR 製造商已改善感測器，克服了紅外線感測技術已知的缺點。 感測器必須依據目標與背景之間的溫差，並且還需要目標移動，才能偵測出目標的存在。 為了將這些影響降到最低，Panasonic 的 MP 系列感測器，如 AMN11112，就整合了四個接收器，能精準偵測極細微的移動。 接收器對微小溫差非常敏感，即使在環境溫度接近人體體溫的炎熱氣候中也能準確偵測。

Panasonic 也將接收器縮小化，確保裝有小型鏡頭的小型裝置能保有高靈敏度和準確性。 內建放大器、被動元件、濾光器和電磁屏蔽，達到高度整合（圖 1），因此能簡化設計並強化可靠度。 不斷的進化確保 PIR 感測器一直是保全系統設計人員的最愛。

圖 1：基於更高的整合度與靈敏度，因此 PIR 感測器一直是設計人員最理想的選擇。

智慧大樓的要求更高

目前智慧家庭的時代已揭開序幕，但人們希望 PIR 等感測器不只支援入侵者偵測，亦可透過監測房間是否有人，協助達到照明、暖氣與其他服務的自動化控制。 PIR 感測的一些已知特性，在此情況下卻變成缺點。 由於感測器必須在受觀測的熱場景中偵測到變化才會動作，因此目標必須移動，才能被偵測到。 這個特性在保全系統中不成問題，因為入侵者在進到屋內後，理應會在屋內四處移動。 相對的，屋主和客人可能會在房間內靜坐許久，例如可能在聊天或看影片等。 此時，系統就不該誤判房間內沒有人，而開始關閉照明或暖氣等服務。

此外，未來的智慧家庭服務可能必須收集在場者的更多詳細資訊，例如在房間裡的確切位置等。 如此即可讓系統自動達到局部區域的最佳照明（例如書桌或廚房工作區），同時調暗房間其他區域的燈光，以達到最佳節能效果。

目前的老年人口追求在自家獨立安全起居，享受後半輩子，因此更智慧的佔位感測技術亦有助於達到眾多服務，例如輔助式生活。 年輕一輩通常無法擔當全職照護者的工作，而專業看護又非常昂貴。 自動化監督能偵測年長屋主是否需要協助，以便迅速通知照護者或緊急救護單位。

現在的 PIR 感測器雖然已經進化，卻仍無法取得足以促成上述服務所需的詳細資訊。 但目前已經有許多替代感測技術可用。 舉例而言，可使用影像感測讓照護者定期查看長者是否安全在家，或判斷屋內人員的確切位置。 但基於隱私考量，室內影像監視器並不是理想的解決方案。 可以考慮局部監視器或在分析影像後消除影片，但即便如此，屋主通常仍感覺不自在。

單晶片雷達解決方案

近年來，雷達感測技術開始進入消費者相關市場。 防撞系統等汽車駕駛輔助系統就是一個例子。 在無需執照的 24 GHz ISM 頻率範圍內工作的低功率雷達發射器，目前在智慧家庭／智慧大樓市場中已經可用合理的價格取得。 監測反射的無線電波來偵測物體的存在，以及計算傳輸的回程時間來測量距離，這些原理早在 20 世紀初就已經制訂。

可使用 Infineon 的 BGT24MTR11 等 24 GHz 雷達收發器 IC 來打造適合室內人員偵測的低功率感測器。 雷達技術能促成先進功能，例如偵測非移動人員、判斷人員的確切位置，以及感測任何動作的方向。 在居家環境使用雷達技術的進一步優勢在於，發射器、感測器以及目標之間並不需要無阻礙的視線，因此發射器和感測器可放置在不顯眼的位置。 例如可安裝在天花板等輕量建材後方，如此即可將感測器隱藏起來。

BGT24MTR11 在單一元件中整合了一個發射和一個接收通道，以便偵測人員、速度和移動方向，因此僅需少數外部電容就能構成完整的運算電路。 這樣不但能節省電路板空間，也不會有 RF 配對的難題。 若系統必須要感測人員的位置，則需要兩個接收器。 BGT24MTR12 整合了兩個接收通道與一個發射器，非常適合此用途。

專為低功率操作設計

BGT24MTR11 的最大 RF 輸出功率為 15 dBm，能安全的用於 ISM 頻段。 在連續模式下以最大發射功率操作時的總 IC 功耗為 528 mW，若運用工作週期機制在量測之間將晶片的電源供應器關閉，即可大幅降低功耗。 根據目標慢速移動時偵測都卜勒頻移所需的測量時間，每 0.5 秒僅需啟動 IC 10 毫秒，就能用約 ±1 km/h 的解析度測得高達 25 km/h 的目標速度。 這對於一般室內感測應用而言已經足夠，且能將功耗減少至每週期僅 12 mW。

圖 2 顯示雷達 IC 如何搭配 Infineon 的 XMC4500 微控制器使用。該微控制器透過 SPI 連接埠設定 BGT24MTR11 暫存器、透過晶片上 DAC 監測 VCO 頻率並控制 VCO 調諧電壓，並且對負責在測量週期之間關閉 BGT24MTR11 電源的負載開關進行控制。 如圖所示，僅需少許關鍵元件就能完成設計。

圖 2：適用於室內人員監測應用的脈衝模式都卜勒雷達

結論

隨著智慧大樓演進速度加快，新式應用與服務將需要取得更多有關房屋與大樓內部活動的詳細資訊。 若要取得這些資訊又不侵犯隱私，就需要強化的人員感測技術。 在 24 GHz ISM 頻段運作的雷達感測技術既安全且離散，更可透過最新的單晶片收發器大幅簡化系統設計，在此優勢下，能比以往更容易採用。 在節能技術的實際展示下，設計人員能打造室內用的低維護需求感測器，平均僅消耗 10 mW 功率。