超越單個像素

許多家用電器和設備承諾讓我們的家更安全、更舒適，并節省我們的時間或讓我們的生活更輕松。它們可以自動完成瑣碎的任務，或者通過連接到我們的手機使這些設備的控制觸手可及。此功能由大量數字傳感器實現，從測量空氣溫度、濕度和光照條件的設備到運動檢測器、氣體傳感器等。從此類傳感器提供的信息來看，它們有一個共同點：它們都是逐點的，缺乏空間分辨率。例如，傳統的溫度或光傳感器將僅在房間的安裝點報告溫度或光強度。不知道房間里的人，他們的行為，

相比之下，視覺成像傳感器具有非常精細的空間分辨率。由集成在傳感器中的數百萬個檢測器提供。通過這種方式，它們生成了豐富的非結構化信息，在這些信息上應用視覺圖像分析來獲取結構化信息（例如，不僅僅是“門鈴前有人”，而是有多少人和誰）。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很廣泛。現在，該技術的發展正在將其他多像素傳感器帶入家庭自動化和智能家居領域。熱成像傳感器是主要候選者，具有預防火災危險和指導廚房廚師、在不犧牲隱私的情況下監控人員占用、測量我們的舒適度以及遠程確保嬰兒和老年人的健康等方面的前景。

下面，我們來看幾個具體案例。

您的更安全、更智能的廚房

為什么要在廚房進行熱成像？簡短的回答是為了安全、健康和方便。事實上，根據美國國家消防協會 （NPFA） 的數據，烹飪是家庭火災的主要原因，占此類火災的 49%。并非所有受影響的家庭都有煙霧探測器故障；相反，當檢測到煙霧時，已經為時已晚，無法消除導致火災的條件。熱成像可以在危險條件出現之前很久就識別可能導致火災的高溫，從而為最大限度地減少此類代價高昂和毀滅性的事故提供清晰的途徑。

在廚房中提供熱成像的一種自然方式是將傳感器集成到抽油煙機內以實現灶具監控器。Cooksy-Pro，如圖1所示，是全球首款智能烹飪助手產品。圖中，Cooksy-Pro 是安裝在抽油煙機下方的銅色設備。從那里，熱像儀可以連續“看到”整個爐灶或爐子的溫度分布。

許多烹飪原料對加工溫度很敏感。過熱它們不僅可能會耗盡它們的營養價值，甚至會使它們變成對我們的身體不太友好的化合物。灶臺上方的熱像儀可以連續“讀取”烹飪餐點的溫度并將其顯示給我們，從而幫助我們制作更健康的餐點。

Cooksy Corp. 首席財務官 Steven Cartwright 表示：“這讓我們想到了烹飪助手的概念，每次都能幫助您制作健康美味的飯菜。“從本質上講，Cooksy 使您能夠分享您的烹飪食譜或跟隨他人的食譜。烹飪過程中實時的烹飪時間和溫度的詳細信息。“

Cartwright 解釋說：“Cooksy 將視覺和熱像儀傳感器與復雜的智能和連接性結合在一個易于安裝在爐灶上方的設備中。該設備可以將您的爐灶面實時傳輸到您的手機，讓您“看到”烹飪食材的溫度，并建議您如何以及何時根據這些信息采取行動。”

灶具監視器的好處不僅限于烹飪藝術和營養，還涉及廚房安全領域。例如，監控器可以檢測到無人看管的燃氣灶明火或過熱的灶具、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顯示一壺水的沸騰，帶蓋，由熱成像儀隨時間監測。雖然直接可觀察到的溫度從未接近 100 （212 ），但水的沸點、熱圖像處理和分析的應用可以檢測水何時開始沸騰、何時開始從蓋子下方溢出以及何時燃氣燃燒器已關閉。在智能家居和聯網設備的背景下，識別此類事件不僅可以觸發警報，還可以在必要時調節或停止電力或燃氣供應，以防止事故或火災危險。

灶具應用的熱成像分析（來源：Meridian Innovation）

灶臺監視器并不是廚房中唯一可以找到熱成像傳感器的地方。圖 3顯示了支持熱成像的微波爐的早期原型——最初由 Meridian Innovation 在 CES 2020 上展示——如圖 3所示（可在facebook.com/watch/？v=685705472262649上查看其操作視頻）。

該裝置能夠將食物加熱到所需溫度，而不是以固定功率加熱固定時間。它基于一個現成的微波爐，該微波爐經過修改以集成熱成像儀和替代控制。這使我們不必經常在選擇重新加熱食物的功率和時間時進行猜測。最后，我們可以通過選擇所需的食物溫度直接傳達我們的意圖，并將技術細節留給機器。這種意圖可以通過無線連接的移動設備或通過集成在改進后的微波爐中的觸摸屏來傳達。自然地，人們可以設置所需的食物溫度，并在食物被加熱時對其進行監控。

此外，隨著 TinyML 的進步和其他在嵌入式處理器上啟用 AI 功能的舉措，這種設置可能允許設備在加熱時猜測我們在微波爐中放入了什么，從而自動選擇最佳溫度為我們。

及時交付用于檢測高溫的熱像儀的必要性以及構建良好解決方案的復雜性導致許多合作伙伴努力為 OEM 和 ODM 提供大量參考設計。歐洲商業雜志https://europeanbusinessmagazine.com/media-outreach/arrow-electronics-launches-ai-發表的文章“Arrow Electronics 推出由 STMicroelectronics 的 X-CUBE AI 提供支持的 AI 熱傳感解決方案”描述了一個很好的例子stmicroelectronics-x-cube-ai/ 供電的熱傳感解決方案。與我們的合作伙伴 Generalplus Technology 合作實現的另一個新解決方案將在下面標題為“當熱成像遇到 AI 芯片組時”的部分中進行描述。

關心您的舒適的空調

HVAC 系統是集成熱成像可以產生積極影響的另一個例子。當今常用的大多數空調都在盒子中嵌入了一個簡單的溫度傳感器來控制室溫；該傳感器提供來自環境的唯一反饋。這樣的系統可以被視為第一代。相比之下，集成了熱成像儀的第二代系統可以知道房間內是否有居住者，以及這些居住者可能位于房間的什么位置。這能夠更有效地利用空調單元。對于小型公寓房間或酒店房間，幾百到一千像素的熱像儀可能就足夠了，而對于更大的居住空間，則需要幾千像素的傳感器，再加上一個視場為90°以上的視角。

請注意，熱圖像的內容不僅可以洞察車廂的占用情況，還可以了解整體分布情況整個房間的溫度。基于這些更詳細的信息，機組可以自動調節氣流的溫度、方向和速度，以節省能源并提高舒適度。

至于舒適度，有各種數學模型在人的平均皮膚溫度和人的感知舒適度之間建立直接關系。我們應該記住，空調和暖通空調系統的目的是確保居住者一定程度的舒適和幸福，而不是僅僅將房間的空氣冷卻或加熱到預設溫度。這將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，并估計他們的水平舒適。這些信息可以實現以真正的熱舒適度而不是溫度為目標的環境控制，

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。我們預計，熱成像技術的快速發展將在五年內將第 3 代功能帶入高端機型。

嬰兒和老人的健康 監測 帶視頻流的嬰兒監視器已經上市有一段時間了，它是與親友分享孩子快樂時刻以及讓看護人照看嬰兒的好方法遠程。然而，嵌入式視覺相機無法直接洞察嬰兒的生理狀態。熱成像傳感器可以。

正在進行大量研究和開發，以創建集成視覺和熱像儀并使用豐富的 AI 計算引擎支持相機的嬰兒監視器。圖 5顯示了即將推出的新產品的示例。該領域提供了許多可能性。

例如，由于體溫升高是疾病的常見癥狀，因此每個父母都希望盡早發現這種癥狀，即使是在半夜。為了解決這一應用，人們可以在嬰兒健康和快樂時準確跟蹤嬰兒的正常溫度模式，然后自動檢測異常溫度模式的發生，并在出現癥狀的早期提醒孩子的照顧者。應該記住，嬰兒核心體溫的健康模式表現出顯著的晝夜變化，其最低點和最高點之間可能接近 2°。這種模式似乎對每個孩子都是獨一無二的，并且隨著孩子生理機能的發展而緩慢演變，因此捕捉這種模式需要不斷觀察。所以，

除了健康狀況之外，熱和視覺光流模式還可以通過智能嬰兒手機在反饋回路中進一步利用，讓發育中的大腦參與互動游戲。可以同時分析行為模式和相應的溫度標記。這些技術可以幫助護理人員培育出安全、聰明和健康的嬰兒。

通過熱成像進行的健康監測也可以擴展到老年人。鑒于兩個重要的全球趨勢，這一點至關重要：預期壽命延長和人口老齡化，以及獨居老人的數量增加。熱成像可以在許多方面提供幫助，從簡單的溫度和運動生命體征監測到復雜的行為分析。老年人護理中一個常見且重要的主題是發現甚至預防跌倒。雖然這可以通過在客廳安裝視覺攝像頭來實現，但不會將攝像頭放在浴室里——但浴室的風險最高。

考慮到這一點，LSCM Hong Kong 的一個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。該分辨率足夠高，可以進行姿態估計，但也足夠小，可以以適度的計算能力進行連續、實時的熱圖像處理——最重要的是，可以保護隱私。該單元在本地運行一種復雜的算法，能夠檢測事故或跌倒的發生，并向負責的護士或家庭成員發出警報。該產品于2019年在日內瓦第47屆國際發明展上獲得金獎。

其他公司正在開發相機解決方案，幫助護理機構預防常見事故。當居民起床時，這些單位可以檢測到該人是醒著的，并立即提醒看護人參加。

當熱成像遇上AI 芯片組

為了將集成參考設計帶給 OEM 和 ODM，Meridian Innovation 與總部位于臺灣的全球集成電路供應商 Generalplus Technology 合作，該供應商以其消費產品和家用電器解決方案而聞名，該供應商用于數百萬行業名牌產品。“我們很高興與 Meridian Innovation 合作。他們的熱成像模塊和Generalplus的AI芯片是智能家居的完美解決方案

當 Meridian 的工程師將其熱成像模塊安裝在我們的 AI SoC 平臺上 ［圖 6］時，它就是制作中的杰作。一種經濟高效的獨立解決方案應運而生，通過卷積神經網絡 （CNN） 功能將溫度集成到音頻、視頻和圖形中，用于智能和 AI 應用。在展示這樣的解決方案時，我們看到客戶對這項尖端技術產生了極大的興趣，以創造一種創新產品，創造更美好的明天，”Generalplus 銷售經理 Jacky Chen 說。

SmartForm 套件（來源：Generalplus 提供）

結論

熱成像傳感器有望增強我們家中許多產品的功能和價值，使我們能夠解決長期存在的挑戰，例如健康監測、跌倒和防火，同時提高生活空間的能源效率和舒適度，以及甚至幫助我們做出更好的飯菜。這些進步得益于新一代具有成本效益的熱像儀的批量可用性，分辨率高達數千甚至數萬像素。

與此同時，我們看到大量可訪問的參考硬件設計和軟件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產品的開發周期。的確，這很關鍵。一直走在這場革命前沿的公司 Meridian Innovation 的聯合創始人是這樣表達的：“熱成像傳感器就像人的眼睛；他們需要［他們］背后的復雜情報，以便理解所有通過的熱數據。”

作者 ：聯合創始人兼首席運營官 Hasan Gadjali 和 Meridian Innovation LimitedLtd 的科學家 Markov Stanislav Nikolaev 博士。