智能家居的發(fā)展擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用市場

智能家居的發(fā)展已經(jīng)勢不可擋，而智能家電在智能家居中的占比最高。智能家電是將微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動感知家電自身狀態(tài)、家電服務(wù)狀態(tài)，能夠自動控制及接收用戶在住宅內(nèi)或遠(yuǎn)程的控制指令。例如，我們可以通過智能手機(jī)、智能音箱指揮掃地機(jī)器人、電視機(jī)等家電工作。

家電的智能化要根據(jù)周圍環(huán)境自動做出適當(dāng)響應(yīng)，不需要人為干預(yù)。這種對周圍環(huán)境的自動感知，必然少不了傳感器的參與。近兩年推出的1D飛行時間（ToF）傳感器慢慢地得到了各大智能家居廠商的認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。

幾種測距方案的比較以及應(yīng)用

市面上常用的測距方案主要有紅外對管、接近傳感器、1D飛行時間傳感器和三角測距傳感器，其原理以及優(yōu)缺點(diǎn)如下：

紅外測距方案的比較

紅外對管和紅外接近傳感器兩種測距方案比較適用于自動翻蓋和自動掀馬桶圈的衛(wèi)浴、自動水龍頭等智能家居應(yīng)用場景，因?yàn)檫@種場景對精度要求不高；但是高品質(zhì)的衛(wèi)浴和自動水龍頭也在向1D飛行時間傳感器的方案切換。

1D飛行時間傳感器更多應(yīng)用在掃地機(jī)器人的障礙物識別和樓梯檢測，智能電視的人體靠近檢測，智能燈的靠近點(diǎn)亮，投影儀的人眼保護(hù)以及自動對焦功能，3D智能門鎖等應(yīng)用場景。

接下來具體介紹1D直接飛行時間傳感器原理及以智能電視為例的應(yīng)用。

1D直接飛行時間傳感器工作原理和優(yōu)勢

以艾邁斯半導(dǎo)體新推出的可以檢測2cm~2.5m距離的TMF8801為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：

圖1：TMF8801內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

IR激光發(fā)射器（使用的是VCSEL）經(jīng)過光學(xué)部件打出光子，同時給時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）發(fā)出一個開始的信號，光子遇到障礙物會反射回來，被TMF8801的接收端單光子雪崩二極管（SPAD）所接收，并導(dǎo)致SPAD發(fā)生雪崩，從而給TDC一個停止的信號，TDC通過計算開始和停止信號之間的時間，從而知道光子往返的飛行時間，光速已知，即可算出物體距傳感器的距離，是真正的飛行時間測量。

圖2：距離計算原理

TMF8801飛行時間傳感器的優(yōu)勢

#1 直方圖輸出

TMF8801可以直接輸出直方圖數(shù)據(jù)，直方圖是數(shù)據(jù)分布的精確圖形表示，通過連續(xù)采集遇到物體反射回來紅外光的信號進(jìn)行處理，反映TDC數(shù)據(jù)的分布情況，便于距離算法的精確計算。

圖3：玻璃蓋板和物體反射回來的數(shù)據(jù)直方圖

#2 抗油污和環(huán)境光的干擾

TMF8801無需要做污跡校準(zhǔn)，具有抗污跡特性。因?yàn)榈谝粋€回來的反射信號永遠(yuǎn)都是玻璃蓋板的返回值，而污跡和玻璃蓋板成為一整體，作為第一個反射信號。只不過有污跡后，第一個反射回來的信號會很強(qiáng)，相對比第二個反射回來被測物體的信號峰值較弱，TMF8801內(nèi)置算法測的是兩次返回的信號峰值的時間差，所以污跡不會干擾TMF8801工作。

圖4：數(shù)據(jù)輸出演示圖

此外，發(fā)射的紅外光源波長在940nm，940nm的紅外光在環(huán)境光中的成分較少，干擾相對會小些。

#3 近距和遠(yuǎn)距分段測量

TMF8801內(nèi)置有算法可以根據(jù)測量的結(jié)果，可自動切換近距和遠(yuǎn)距離模式，使近距和遠(yuǎn)距的距離計算更加的精確。

#4 自動校準(zhǔn)

校準(zhǔn)分為兩種，一種是時間校準(zhǔn)，TMF8801主要使靠紅外激光打出去和反射回來的時間來計算距離，所以對內(nèi)置時鐘精度要求很高，為了避免時鐘偏差，TMF8801會自動以系統(tǒng)時鐘為標(biāo)定，實(shí)時的校準(zhǔn)。另一種是產(chǎn)線一次性光學(xué)校準(zhǔn)，無需人工參與，只需保證在暗光或是無光環(huán)境下，且40cm內(nèi)無遮擋，即可軟件觸發(fā)校準(zhǔn)。

另外，TMF8801受照明角度的限制，可以放多顆1D飛行時間傳感器，擴(kuò)大檢測的角度。

圖5：TMF8801芯片的接收角度和照明角度

1D飛行時間傳感器在電視機(jī)上的應(yīng)用

2019年8月，華為發(fā)布了榮耀電視“智慧屏”，將智能電視推向了一個新的高度：酷炫的語音交互，手機(jī)與大屏間魔法互動，聯(lián)控智能家居，升降攝像頭拍照等，如果搭載1D飛行時間傳感器可實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用場景。

眾所周知，看電視的距離關(guān)系著眼部健康：離電視越近，眼內(nèi)的直肌收縮力也愈強(qiáng)，也就愈容易造成視疲勞，尤其是小孩子因自控力不足，不自覺就會靠近電視。如果電視裝有人體接近的方案，一旦檢測到人體進(jìn)入一定范圍，就自動調(diào)暗或關(guān)閉顯示器背光并發(fā)出警告，提醒用戶遠(yuǎn)離電視、保護(hù)視力。

在智能電視機(jī)上搭載多顆1D飛行時間傳感器可以多角度檢測不斷靠近的活動物體的距離，從而做出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖6：多顆1D飛行時間傳感器在電視上應(yīng)用效果圖

除了人體接近檢測外，1D飛行時間傳感器還可以搭配智能電視的攝像頭實(shí)現(xiàn)自動對焦功能。目前主流的相機(jī)對焦方案有兩種，一種是基于CCD半導(dǎo)體成像器件的聚焦方案，其利用物體光反射的原理，物體反射回來的光被相機(jī)上的傳感器CCD接收，通過計算機(jī)處理，帶動電動對焦裝置進(jìn)行對焦。隨著相機(jī)的像素越來越高，對焦時間會越來越久。另一種是測距的對焦方案，使用1D飛行時間傳感器，可以直接給出對焦距離，提高了對焦速度，相對于其他對焦方案速度更快，成本更低。

總結(jié)

智能家居的發(fā)展擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用市場，而1D飛行時間測距傳感器作為傳感器家族的一員，有著更廣泛的應(yīng)用場景，可以應(yīng)用于許多日常的家電中，進(jìn)一步升級智能家居產(chǎn)業(yè)，助力家電的智能化。
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