智能家居的發(fā)展擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)

智能家居的發(fā)展已經(jīng)勢(shì)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(dòng)感知家電自身狀態(tài)、家電服務(wù)狀態(tài)，能夠自動(dòng)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(dòng)做出適當(dāng)響應(yīng)，不需要人為干預(yù)。這種對(duì)周圍環(huán)境的自動(dòng)感知，必然少不了傳感器的參與。近兩年推出的1D飛行時(shí)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(cè)距方案的比較以及應(yīng)用

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

紅外測(cè)距方案的比較

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

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

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

1D直接飛行時(shí)間傳感器工作原理和優(yōu)勢(shì)

以艾邁斯半導(dǎo)體新推出的可以檢測(cè)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(shí)給時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）發(fā)出一個(gè)開始的信號(hào)，光子遇到障礙物會(huì)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(gè)停止的信號(hào)，TDC通過計(jì)算開始和停止信號(hào)之間的時(shí)間，從而知道光子往返的飛行時(shí)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(shí)間測(cè)量。

圖2：距離計(jì)算原理

TMF8801飛行時(shí)間傳感器的優(yōu)勢(shì)

#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(hào)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(jì)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€(gè)回來的反射信號(hào)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(gè)反射信號(hào)。只不過有污跡后，第一個(gè)反射回來的信號(hào)會(huì)很強(qiáng)，相對(duì)比第二個(gè)反射回來被測(cè)物體的信號(hào)峰值較弱，TMF8801內(nèi)置算法測(cè)的是兩次返回的信號(hào)峰值的時(shí)間差，所以污跡不會(huì)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(zhǎng)在940nm，940nm的紅外光在環(huán)境光中的成分較少，干擾相對(duì)會(huì)小些。

#3 近距和遠(yuǎn)距分段測(cè)量

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

#4 自動(dòng)校準(zhǔn)

校準(zhǔn)分為兩種，一種是時(shí)間校準(zhǔn)，TMF8801主要使靠紅外激光打出去和反射回來的時(shí)間來計(jì)算距離，所以對(duì)內(nèi)置時(shí)鐘精度要求很高，為了避免時(shí)鐘偏差，TMF8801會(huì)自動(dòng)以系統(tǒng)時(shí)鐘為標(biāo)定，實(shí)時(shí)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(shí)間傳感器，擴(kuò)大檢測(cè)的角度。

圖5：TMF8801芯片的接收角度和照明角度

1D飛行時(shí)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(gè)新的高度：酷炫的語音交互，手機(jī)與大屏間魔法互動(dòng)，聯(lián)控智能家居，升降攝像頭拍照等，如果搭載1D飛行時(shí)間傳感器可實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用場(chǎng)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(huì)靠近電視。如果電視裝有人體接近的方案，一旦檢測(cè)到人體進(jìn)入一定范圍，就自動(dòng)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(shí)間傳感器可以多角度檢測(cè)不斷靠近的活動(dòng)物體的距離，從而做出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖6：多顆1D飛行時(shí)間傳感器在電視上應(yīng)用效果圖

除了人體接近檢測(cè)外，1D飛行時(shí)間傳感器還可以搭配智能電視的攝像頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦功能。目前主流的相機(jī)對(duì)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(jì)算機(jī)處理，帶動(dòng)電動(dòng)對(duì)焦裝置進(jìn)行對(duì)焦。隨著相機(jī)的像素越來越高，對(duì)焦時(shí)間會(huì)越來越久。另一種是測(cè)距的對(duì)焦方案，使用1D飛行時(shí)間傳感器，可以直接給出對(duì)焦距離，提高了對(duì)焦速度，相對(duì)于其他對(duì)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(chǎng)，而1D飛行時(shí)間測(cè)距傳感器作為傳感器家族的一員，有著更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，可以應(yīng)用于許多日常的家電中，進(jìn)一步升級(jí)智能家居產(chǎn)業(yè)，助力家電的智能化。
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