近年來，視覺圖像傳感器在智能機器人和家庭安防系統中的應用已經非常廣泛。同時，更多開創性的技術應用發展也将其他多像素傳感器帶入家庭自動化和智能家居領域。熱成像傳感器就是一個很好的案例，能發揮防止家庭火災隐患、擔任使用者烹調助手、監測照護家中長者和嬰幼童等功能。下面，我們來看幾個具體案例。
01 更安全、更智能的廚房
為什麼要在廚房内采用熱成像技術？簡短的回答是為了保障使用者安全健康和提供友善。事實上，根據美國國家消防協會 (NPFA) 的資料，烹饪是家庭火災的主要起火點，占此類火災事件約 49%。并非所有有火災事故的家庭的煙霧探測器都故障了，相反的，當探測器檢測到煙霧時，早已為時已晚，無法立即消除導緻火災的原因。而熱成像技術可以在危險因素出現之前就提前識别到可能導緻火災的高溫，最大限度地減少此類事故發生。
在廚房中采用熱成像技術的一種方式是将傳感器內建到抽油煙機内以實作“竈具+監控”模式。如圖1所示，Cooksy-Pro是全球首款智能烹饪助手産品。圖中，安裝在抽油煙機下方的銅色裝置就是Cooksy-Pro ，它的熱成像儀可以不間斷的監測整個爐竈或爐子的溫度分布情況。許多烹饪原料對加工溫度很敏感。加熱過度不僅可能會減少食材的營養價值，甚至會使它們轉化為有害的化合物。竈台上方的熱成像儀可以連續“讀取”烹饪餐點的溫度并将其顯示給使用者，進而幫助使用者烹制更健康的餐點。Cooksy Corp. 首席财務官 Steven Cartwright 表示：“這讓我們想到了烹饪助手的概念，每次都能幫助使用者制作健康美味的佳肴。“從本質上講，Cooksy 使使用者能夠分享自己或他人烹饪食譜及烹饪過程中花費的烹饪時間和食物溫度等詳細資訊。Cartwright 解釋：“Cooksy 将視覺和熱像儀傳感器結合在爐竈上方的裝置中。該裝置可以将使用者的竈台情況實時傳輸到使用者手機APP上，讓使用者及時“看到”烹饪食材的溫度，并根據這些資訊采取後續動作。”
圖1:Cooksy-Pro是全球首款智能烹饪助手
竈具監控器的優點不僅限于遠端烹饪功能，還發揮在廚房安全防護領域。例如監控器可以檢測到無人看管的瓦斯竈明火或過熱的竈具、過熱的鍋碗瓢盆（有油或無油）、容器沸騰和溢出以及其他危險情況。圖 2顯示一個正在沸騰的水壺，由熱成像儀随時監測。雖溫度尚未接近100 攝氏度，但水的沸點、熱圖像處理和分析的應用可以檢測壺水何時開始沸騰、何時開始溢出以及何時瓦斯具需要關閉。在全屋智能家居聯網的情況下，識别此類風險事件不僅能觸發家庭警報器，還可以在必要時調節或停止電力或瓦斯供應，以防止事故擴大或發生火災。
圖2:應用熱成像分析技術的竈具（圖：Meridian Innovation）
竈台螢幕并不是廚房中唯一可以找到熱成像傳感器的地方。圖 3顯示了支援熱成像微波爐的早期原型。
圖3: 智能熱成像微波爐（圖: Meridian Innovation）
圖3的智能微波爐內建了熱成像儀技術，該裝置能自動将食物加熱到合适溫度，而不是單純隻是發揮固定功率加熱固定時間。此外，随着 TinyML 嵌入式處理器上AI 功能的應用，智能微波爐可在加熱時識别使用者在微波爐中放入了什麼，進而自動選擇最佳溫度。
02 關心使用者舒适感受的空調
HVAC 系統是內建熱成像技術積極影響産品設計的另一個例子。當今常用的大多數空調都嵌入了一個簡單的溫度傳感器來控制室溫，提供來自環境的唯一回報，這樣的系統可以被視為第一代的空調傳感系統。相比之下，內建了熱成像技術的第二代空調傳感系統能夠感覺房間内是否有人，以及這些人可能位于房間的什麼位置，更有效的掌握空間單元的情況。對于小型較高價的電梯大廈房間或酒店房間，幾百到一千像素的熱像儀可能就足夠覆寫，而對于更大的空間，則需要幾千像素的傳感器，再加上90°以上的廣角鏡頭才夠用。圖 4展示了市面上應用智能熱成像空調概念的一款産品。請注意，熱圖像技術不僅可以洞察空間利用情況，還可以了解整個空間的溫度分布情況。基于這些資訊，空調機組就能自動調節氣流的溫度、方向和速度，以節省能源并提高使用者的舒适度。
圖4: 智能熱像儀空調 (圖: Meridian Innovation)
空調和暖通空調系統的使用目的是提高使用者的舒适感，而不是僅僅将房間的溫度降低或提升到預設溫度。這将我們引向了我們所說的第 3 代 HVAC 系統的概念。在該層，加熱或冷卻單元使用更高分辨率的熱成像 - 大約 5,000 到 20,000 像素 - 并且可以獲得更詳細的熱圖像，直接測量居住者的平均皮膚溫度，并估計他們的水準舒适。這些資訊可以實作以真正的熱舒适度而不是溫度為目标的環境控制。第 2 代空調機組已經在市場上銷售，這得益于最近批量供應具有成本效益的 1,000 至 5,000 像素的熱像儀。根據預測，熱成像技術的快速發展将在五年内将第 3 代功能帶入高端空調機型。
03 更智能的家庭照護
帶攝像頭的嬰兒監護儀已經存在市面上一段時間，它是使用者與親朋好友分享寶貝記錄以及遠端照護家中嬰兒的良好裝置選擇。然而，傳統攝像頭無法洞察嬰兒的生理狀态，但熱成像技術可以做到這一點。圖 5是一款內建視覺和熱像儀并使用豐富的 AI 計算引擎支援相機的嬰兒監護儀。由于發燒是嬰幼童常見疾病症狀，每個父母都希望能盡早發現，即使是在半夜時分。為了解決這個需求，使用者可以在嬰幼兒體征健康時就開始使用嬰兒監護儀跟蹤嬰兒的正常體溫情況，随後監護儀就能根據資料情況，在嬰幼童出現體溫異常症狀時就及早提醒父母或看護人員。
圖 5：智能嬰兒監護器（圖：Courtesy of 5GenCare）
通過熱成像技術進行的健康監測也可以擴充應用到老人照護上。基于目前兩個重要的全球人類發展趨勢：預期壽命延長和人口老齡化，老人監護技術發展也顯出其重要性，而熱成像可以在多方面發揮作用，從簡單的體溫和動态生命體征監測到複雜的行為分析等。老人照護中一個重點需求是預防老人跌倒。雖然可以通過在客廳安裝攝像頭來部分實作這個需求，但高風險的浴室裡卻無法安裝攝像頭。考慮到這一點，LSCM Hong Kong 的一個研發團隊率先推出了熱像儀解決方案，該解決方案建立在一個分辨率相對較低的 LWIR 傳感器上，像素不到 5,000 像素。該攝像頭分辨率足夠進行姿态估計，以進行連續、實時的熱圖像處理——但最重要的是，它能保護老人的隐私。這款能夠檢測事故或跌倒的發生，并向老人的看護或家人發出警報的産品于2019年在日内瓦第47屆國際發明展上獲得金獎。
熱成像傳感技術有望增強許多智能家居裝置的功能和價值，例如智能健康監測、家庭看護和火災預防等，同時也提供人們日常生活空間的能源效率和舒适程度，甚至提升人類烹調水準！這些進步得益于新一代熱像儀的批量生産，其分辨率高達數千甚至數萬像素。與此同時，大量硬體設計和軟體解決方案極大地促進了該技術的采用，并加快了包含熱像儀的創新産品的開發周期。
内容及圖檔來源：EETIMES、儀商網、Meridian Innovation Limited