Ocean’s Eleven（《十一羅漢》）和 Mission Impossible（《碟中諜》）等好萊塢動(dòng)作片中展示了許多巧妙方法，用于檢測不懷好意的入侵者。 身手不凡的黑衣襲擊者亮相大熒幕，通過智取戰(zhàn)勝了壓力墊、激光場、熱感攝像機(jī)以及其他棘手的設(shè)備。 現(xiàn)實(shí)生活中，在無數(shù)的家庭和辦公室，通常認(rèn)為房間角落里“不斷眨眼”的無源紅外傳感器就足以阻止投機(jī)取巧的入室竊賊。
屋主和安防公司認(rèn)為 PIR 是最適合家庭應(yīng)用的入侵者檢測技術(shù)：經(jīng)濟(jì)、可靠、可調(diào)節(jié)以去除假警報(bào)，PIR 是目前首選的人員檢測技術(shù)。
一直的最愛
PIR 制造商已改良其傳感器，克服了紅外傳感技術(shù)的已知弱點(diǎn)。 傳感器依賴目標(biāo)與背景的溫差，并且還需要目標(biāo)移動(dòng)才能檢測到其存在。 為了將這些影響降到最低，Panasonic MP 系列中的傳感器（例如 AMN11112）集成了四個(gè)感受器來精確檢測幅度很小的運(yùn)動(dòng)。 這些感受器對小幅溫差也很敏感，即使在環(huán)境溫度接近人體體溫的炎熱氣候下也可確保準(zhǔn)確檢測。
Panasonic 還對其感受器進(jìn)行微型化處理，確保通過配有小透鏡的小型裝置來實(shí)現(xiàn)高靈敏度和準(zhǔn)確度。 內(nèi)置放大器、無源元件、光學(xué)濾波器及電磁屏蔽的高度集成（圖 1），可簡化設(shè)計(jì)并提升可靠性。 不斷的改良確保了 PIR 傳感器一直是安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的最愛。
圖 1： 更高的集成度和靈敏度讓 PIR 傳感器一直成為設(shè)計(jì)師的首選。
智能建筑要求更多
雖然智能家居時(shí)代已經(jīng)來臨，但人們更期望 PIR 這類傳感器不僅可支持入侵者檢測，還能通過監(jiān)控房間使用情況來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化照明、加熱和其他服務(wù)。 PIR 感應(yīng)的部分已知特征在此背景下成為弱點(diǎn)。 由于傳感器依靠檢測所觀測的熱場景中的變化，目標(biāo)必須移動(dòng)才能被檢測到。 這在安防系統(tǒng)中是可以接受的，因?yàn)榭梢栽O(shè)想入侵者在進(jìn)入房間后可能在其中四處移動(dòng)。 另一方面，屋主及其客人可能在房間內(nèi)長時(shí)間坐著不動(dòng)，例如在交談或觀看電影。 系統(tǒng)不應(yīng)錯(cuò)誤地確定房間未被占用，并開始關(guān)閉照明或加熱等服務(wù)。
此外，未來的智能家居服務(wù)可能依賴收集有關(guān)占用者的更詳細(xì)信息，例如其在房間內(nèi)的具體位置。 這讓系統(tǒng)可以自動(dòng)優(yōu)化局部區(qū)域（例如辦公桌或廚房工作臺(tái)面）的照明，同時(shí)調(diào)暗房間其余部分的照明，以達(dá)到最佳能效。
鑒于目前老齡化人群晚年試圖在自己家中安全獨(dú)立地生活，更智能的人員感應(yīng)也有助于提供輔助生活服務(wù)。 年輕的親戚通常無法擔(dān)任全職看護(hù)者，而專業(yè)護(hù)理又過于昂貴。 自動(dòng)監(jiān)控可以檢測老年屋主是否需要協(xié)助，以便于快速提醒看護(hù)者或提供緊急服務(wù)。
目前的 PIR 傳感器雖經(jīng)過了充分改良，但仍無法捕捉驅(qū)動(dòng)這類服務(wù)所需的大量信息。 現(xiàn)在出現(xiàn)了大量替代感應(yīng)技術(shù)。 例如，基于視頻的感應(yīng)可用于讓看護(hù)者定期檢查老人在家是否安全，或確定房間內(nèi)人員的具體位置。 出于隱私原因，室內(nèi)視頻監(jiān)控并非可取的解決方案。 或許可以考慮部分監(jiān)控，或者在分析后丟棄視頻，但屋主通常仍會(huì)感覺不舒服。
單芯片雷達(dá)解決方案
近年來，基于雷達(dá)的感應(yīng)技術(shù)已開始進(jìn)入消費(fèi)者相關(guān)市場。 其中一個(gè)示例是汽車駕駛員輔助系統(tǒng)，例如防撞。 在不要求許可的 24 GHz ISM 頻率范圍內(nèi)工作的低功耗雷達(dá)發(fā)射器，目前在智能家居/智能建筑市場上能夠以可接受的價(jià)格購買到。 其檢測在場狀況的原理是監(jiān)控反射的無線電波，并通過對傳輸回程計(jì)時(shí)來測量距離，這一概念大概最早在 20 世紀(jì)初形成。
Infineon BGT24MTR11 等 24 GHz 雷達(dá)收發(fā)器 IC 可用于打造適合室內(nèi)人員檢測的低功耗傳感器。 雷達(dá)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種高級功能，例如檢測不移動(dòng)的人員、確定人員的具體位置以及感應(yīng)任何運(yùn)動(dòng)的方向。 作為在家庭環(huán)境中使用雷達(dá)技術(shù)的另一項(xiàng)優(yōu)勢，不需要在發(fā)射器和傳感器與目標(biāo)之間存在暢通無阻的視線，因此發(fā)射器和傳感器可放在不顯眼的位置。 這個(gè)位置可以是吊頂板材等輕質(zhì)建筑材料后面，因此允許將傳感器置于視線范圍外。
BGT24MTR11 在一個(gè)器件中集成了檢測人員以及運(yùn)動(dòng)速度和方向所需的一個(gè)傳輸通道和一個(gè)接收通道，只需少數(shù)電容器就能構(gòu)成完整運(yùn)算電路。 這不僅可以節(jié)省電路板空間，還消除了 RF 匹配難題。 如果要求系統(tǒng)感應(yīng)人員的位置，則需要使用兩個(gè)接收器。 BGT24MTR12 集成了兩個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)射器，最適合此用途。
專為低功耗工作而設(shè)計(jì)
BGT24MTR11 的最大 RF 輸出功率為 15 dBm，可安全地用于 ISM 頻帶。 在連續(xù)模式下且發(fā)射功率最高時(shí)，IC 總功耗為 528 mW，也可通過應(yīng)用在兩次測量之間關(guān)閉芯片電源的工作循環(huán)方案來大幅降低。 根據(jù)目標(biāo)慢速移動(dòng)時(shí)檢測多普勒頻移所需的測量時(shí)間，每 0.5 秒僅需啟動(dòng) IC 10 毫秒就能測得高達(dá) 25 km/h 的目標(biāo)速度，分辨率約為 ±1 km/h。 這對典型室內(nèi)感應(yīng)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了，并可將功耗降低至每個(gè)周期僅 12 mW。
圖 2 顯示了雷達(dá) IC 如何與 Infineon XMC4500 微控制器結(jié)合使用，該微控制器可通過 SPI 端口對 BGT24MTR11 寄存器編程、通過其片載 DAC 監(jiān)控 VCO 頻率并控制 VCO 調(diào)諧電壓，以及控制在兩個(gè)測量周期之間負(fù)責(zé)關(guān)閉 BGT24MTR11 電源的負(fù)載開關(guān)。 如框圖所示，完成該設(shè)計(jì)只需要使用少量的關(guān)鍵元件。
圖 2： 用于室內(nèi)人員監(jiān)控應(yīng)用的脈沖式多普勒雷達(dá)。
結(jié)論
隨著智能建筑變革步伐的加快，新應(yīng)用和服務(wù)將需要更多描述居家和建筑內(nèi)所發(fā)生活動(dòng)的詳細(xì)信息。 要在不損害隱私的情況下捕獲這些信息，就需要增強(qiáng)的人員感應(yīng)技術(shù)。 24 GHz ISM 頻帶的雷達(dá)感應(yīng)技術(shù)安全、獨(dú)立，現(xiàn)在通過利用能顯著簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最新單芯片收發(fā)器，可比以往更輕松地實(shí)現(xiàn)。 事實(shí)證明，節(jié)能技術(shù)讓設(shè)計(jì)師能夠?yàn)槭覂?nèi)應(yīng)用打造平均功率僅 10 mW 的低維護(hù)傳感器。
