使用 TI 毫米波占位传感器设计高能效的智能空调

2021年12月07日 16:35

与以往相比,发达国家/地区和发展中国家/地区的人们如今更加依赖空调(AC)来获得舒适的生活空间,因此,能源消耗也随之快速增加。

根据国际能源协会的“制冷的未来”报告,空调占当今总能源消耗的10%。预计到2050年,这一使用量将增加两倍,相当于美国、欧盟和日本目前的总发电量。到2050年,全球住宅和商业建筑中空调的数量将从今天的16亿台增加到56亿台。这相当于在接下来的30年中每秒钟即有10台新空调售出。

占位感应在空调中的作用

通过适应室内活动水平并将气流引导到更需要的地方,人体占位感应可以使空调更智能、更节能。图1展示了一些场景,在这些场景中,占位感应(如在场/不在场、活动和人员位置检测)提供反馈,通过调节室温并将气流导向室内居用人员,可有助于节约能源并使环境更加舒适。

1:展示从占位感应获得的反馈如何确定空调使用情况的场景

无源红外传感器和摄像头解决方案是空调占位感应中使用的两种技术。无源红外传感器成本低、功耗低,但在明亮日光下的误检测率较高,对精细运动缺乏敏感性。相比之下,摄像头可提供出色的分辨率,但有可能出现更高的错误检测率,尤其是检测阴影和人像图片。无源红外传感器和摄像头解决方案都是光学传感器,在设计中将需要光学设计,需要额外开孔,将可能影响外观设计。

整个行业采用占位感应来实现节能,同时也致力于通过边缘处理使空调更加智能。除了通过存在检测来控制空调操作以提高用户舒适度之外,还不断致力于采用单一传感技术。未来,空调将集成用于用户安全监测的附加功能,例如跌倒事件检测和生命体征监测,包括心率和呼吸率。

毫米波传感器在占位感应中的优势

TI毫米波(mmWave)传感器提供丰富的数据集,其中包含相关区域中每个对象的精确范围、速度和到达方向信息。通过执行对象检测、分类和跟踪的数字信号处理器(DSP),可以获取人员占位信息,例如人员在场、不在场、人数以及人员相对于空调设备的精确位置。空调设备可以使用这些信息来做出明智的决策;例如,当有人进入房间时,传感器会在开启气流之前在最短预设时间内跟踪此人的在场状态。如果此人留在房间里,空调通过使用跟踪/定位信息将气流向此人引导,以便为其提供舒适感。空调还会根据房间内的人数调整温度,以实现更大的舒适度和更好的节能效果。

除了数据的准确性和精度之外,TI的毫米波传感器在创建高能效的智能空调解决方案时还提供了诸多优势,其中包括:

  • 减少了误检测

  • 可在恶劣环境下正常运行

  • 产品设计美观,外型小巧

  • 使用传感技术而非摄像头,可减少隐私顾虑。在保护隐私的前提下,实现人数统计及目标追踪

实现边缘智能化

TI毫米波60GHz传感器在单个芯片上集成了调频连续波收发器、片上监控和校准机制、Arm® Cortex®-R4F微控制器和C674x DSP。此集成特性可支持在高度集成的传感器上实现智能化,并在器件本身进行实时数据处理。

一个示例应用使用TI的IWR6843 60GHz毫米波单芯片传感器为商业和住宅空调实现占位感应。处理数据的传感器使用Capon波束成形进行人员检测,并且可以智能地对对象进行分类以更大程度地减少错误检测。此示例应用展示了+/-10厘米的人员(包括移动和静止)检测精度,室内检测距离可长达8米。计数密度为每两米3人,人数少于5人时,准确率为100%;房间内最多9人时,准确率为85%。

在不久的将来,空调将成为基于数据的完全独立系统,无需遥控器或通过空调控制单元进行人机交互。空调中的传感技术不断收集数据,以便提供更佳的舒适度。例如,在办公室环境中,传感器可随着时间的推移确定从上午9点到下午5点在办公室的人数最多。基于这些数据,系统将学习在忙碌时段引导更多气流,并在非高峰时段限制或关闭气流,以便减少能源消耗,进而节省企业费用。

住宅和商用空调的需求持续增长,到2050年将增加两倍。使用毫米波技术的占位感应可以将整体空调能耗降低多达35%。展望未来,毫米波技术不仅会继续对HVAC系统的运行方式产生更大的影响,还能够减少环境中的污染物总体排放量。

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