より多くの情報を提供するスマートホームセンサの作成

オーシャンズ11やミッション：インポッシブルなどのハリウッドのアクション映画は、よからぬことをたくらんでいる侵入者を検出する多くの精巧な手段を実証してきました。 極めて機敏で黒服の侵入者は素晴らしい映画を作り上げ、圧力マット、レーザー場、サーマルカメラや他の巧妙なデバイスを出し抜きます。 実際の世界では、多くの住宅やオフィスで、部屋の隅にある受動赤外線センサは、多くの場合、機に乗じる侵入者を思いとどまらせるのに十分であるとみなされています。

PIRは、住宅所有者やセキュリティ企業によって、家庭内アプリケーションに最適な侵入者検出技術としてみなされています。経済的で信頼でき、誤ったアラートを無視するように調整できるPIRは、現在選択される存在検出技術です。

永続的なお気に入り

PIRメーカーは、赤外線センシング技術の既知の弱点を克服するためにセンサを進化させてきました。 これらのセンサは、ターゲットとバックグラウンド間の温度差に依存し、また、存在を検出するためにターゲットが動いていることを必要とします。 これらの影響を最小化するために、AMN11112などのPanasonic MPシリーズのセンサは、小さな動きでも正確に検出するために4つのレセプタを統合しています。 これらのレセプタは、小さな温度差に敏感であり、これは、周囲温度が人間の体温に近くなる可能性がある暑い気候でも正確な検出を確保します。

また、Panasonicは、小さなレンズを装着した小型ユニットから高感度と高精度を確保するために、レセプタを小型化しました。 組み込みアンプ、受動部品、光学フィルタや電磁シールドとの高レベルの統合（図1）は、設計を簡素化し信頼性を強化します。 持続する進化により、PIRセンサは、セキュリティシステム設計者のお気に入りであり続けることを確保しています。

図1：優れた統合と感度により、PIRセンサは、設計者が最も希望するデバイスであり続けています。

より多くの要件を持つスマートビルディング

スマートホームの時代が始まった今、PIRなどのセンサが侵入者検出をサポートするだけでなく、部屋の占有をモニタすることで照明、暖房や他のサービスの制御を自動化する支援を行うことも人々は期待しています。 PIRセンシングの既知の特性のいくつかは、この文脈において弱点となります。 センサは、観察されるサーマルシーンの変化検出に依存するため、ターゲットは、検出されるために動く必要があります。 これは、侵入者がアクセスを得て家の中を動き回ることが考えられるため、セキュリティシステムにおいて受け入れられます。 一方で、住宅所有者や来訪者は、たとえば話をしたり映画を観たりなどして、部屋の中で長時間にわたってじっとしている可能性があります。 このシステムは、部屋が占有されていないと誤って判断し、ライトまたは暖房などのサービスをオフにし始めるべきではありません。

加えて、将来のスマートホームサービスは、部屋の中での正確な場所などの占有者に関するより詳細な情報の収集に依存する可能性があります。 これにより、システムは、たとえばデスクまたは台所の調理台などの局所的領域での照明を自動的に最適化できるとともに、最適なエネルギー効率のために残りの部屋照明を調光することが可能です。

また、よりスマートな占有センシングは、今日の高齢化人口が後年に自身の住宅で独立して安全に生活することを求める中で、支援型生活などのサービスに役立つことができます。 若い親戚は多くの場合、フルタイム介護者の役割を果たすことができず、プロフェッショナルの介護は多額の出費を伴います。 自動化された管理は、高齢の住宅所有者に支援が必要かどうかを検出する手段を提供することができるため、介護者または緊急サービスを素早くアラートすることが可能です。

着実な進化を遂げてきた今日のPIRセンサは、こうしたサービスの駆動に必要な詳細をキャプチャすることができません。 多くの代替のセンシング技法が利用可能です。 たとえば、高齢者が安全に在宅していることを介護者が定期的に確認できるか、または部屋の中の占有者の正確な場所を介護者が判断できるために、ビデオベースのセンシングを使用することができます。 しかしながら、プライバシーの理由から、屋内のビデオ監視は望ましいソリューションではありません。 部分的監視は考慮され、ビデオは分析の後に破棄されるかもしれませんが、それでも住宅所有者は一般的に快く思わないかもしれません。

シングルチップレーダソリューション

近年、レーダベースのセンシング技術は、消費者関連の市場に参入し始めました。 1例として、衝突防止などの車載用ドライバ支援システムがあります。 ライセンスを受けていない24GHz ISM周波数範囲で動作する低電力レーダトランスミッタは現在、スマートホーム/スマートビルディング市場で受け入れられると考えられるコストで利用可能です。 反射する無線波をモニタすることで存在を検出し、伝送の復路の時間を測定することで距離を測定する原理は最初、20 世紀の始め頃に開発されました。

Infineonが提供するBGT24MTR11などの24GHzレーダトランシーバICは、屋内占有検出に適した低電力センサを構築するのに使用できます。 レーダ技術により、動いていない占有者の検出、占有者の正確な場所の判断、すべてのモーション方向のセンシングなどの高度な機能が実現します。 家庭内環境でのレーダ技術の使用に関するさらなる利点として、トランスミッタおよびセンサは、ターゲットに対する妨げられない見通し線を必要としないため、目立たない場所に配置できることがあります。 これは、天井のタイルなどの軽量の建物材料の後ろにあることが可能なため、見えない所にセンサを配置することができます。

BGT24MTR11は、完全な動作回路を完了するのに少数の外部コンデンサのみを必要とする単一のデバイスで、占有、およびモーションの速度や方向の検出に必要とされているように、1つの送信および1つの受信チャンネルを統合します。 これは基板スペースを節約するだけでなく、RFマッチングの課題も排除します。 システムで占有者の場所のセンスが必要な場合は、2つのレシーバが必要です。 2つの受信チャンネルと1つのトランスミッタを統合するBGT24MTR12は、この目的に最適です。

低電力動作向けの設計

15dBmの最大RF出力電力を備えたBGT24MTR11は、ISM帯域で安全に使用できます。 最大送信電力で連続モードでの528mWの総IC消費電力は、測定と測定の間で電源をターンオフするデューティサイクル方式をチップに適用することで、大幅に低減できます。 低ターゲット速度でドップラーシフトを検出するのに必要とされる測定時間に基づき、0.5秒ごとに10ms間だけICをアクティブ化することで、最大約25km/hのターゲット速度を約±1km/hの分解能で測定できます。 これは、一般的な屋内センシングアプリケーションに適しており、1サイクルあたりわずか12mWに消費電力を低減します。

図2は、InfineonのXMC4500マイクロコントローラとともにレーダICがいかに使用されるかを示しています。このマイクロコントローラは、SPIポートを通してBGT24MTR11レジスタをプログラムし、オンチップDACを介してVCO調整電圧を制御して、測定と測定の間でBGT24MTR11への電力をターンオフすることを担う負荷スイッチを制御します。 この図が示すように、設計を完了するのに少数の主要なコンポーネントのみが必要です。

図2：屋内占有モニタリングアプリケーション向けのパルスモードドップラーレーダ。

結論

スマートビルディングの変革が加速する中で、新しいアプリケーションやサービスは、住宅や建物内でのアクティビティを説明するより多くの詳細な情報を必要とします。 プライバシーに妥協せずにこの情報をキャプチャするのに、占有センシングの強化された技術が必要です。 24GHz ISM周波数帯域でのレーダベースのセンシングは安全、ディスクリートで、システム設計を大幅に簡素化する最新のシングルチップトランシーバを活用することで、現在は今までよりも簡単に達成できます。 平均消費電力がわずか10mWの、屋内使用向けの低メンテナンスセンサを設計者が作成できる、省電力の技法が実証されてきました。