【導(dǎo)讀】商業(yè)建筑需要消耗大量能源以提供其中住戶需求的服務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力至少占建筑物能耗的60％，但并非所有能源都得到了有效利用。例如，即使走廊和公共場(chǎng)所沒(méi)有人在場(chǎng)，這些區(qū)域也可能處于長(zhǎng)時(shí)間照明的明亮狀態(tài)。
商業(yè)建筑需要消耗大量能源以提供其中住戶需求的服務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力至少占建筑物能耗的60％，但并非所有能源都得到了有效利用。例如，即使走廊和公共場(chǎng)所沒(méi)有人在場(chǎng)，這些區(qū)域也可能處于長(zhǎng)時(shí)間照明的明亮狀態(tài)。辦公大樓的供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)通常占總能耗的40％左右，為了確保不浪費(fèi)能源，需要大規(guī)模采用智能技術(shù)。
在過(guò)去的二十年中，嚴(yán)格的政府和行業(yè)法規(guī)推動(dòng)了更高的可持續(xù)性和能源效率，這些法規(guī)要求現(xiàn)有建筑物減少能源消耗，并減少碳排放，同時(shí)要求使用可持續(xù)材料建造新建筑物，并整合能夠有效管理能耗的智能自動(dòng)化系統(tǒng)。
所有這一切的核心都是為了服務(wù)在實(shí)際建筑物中的人們，無(wú)論他們是將之作為住宅還是工作環(huán)境。提供樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）可以使居住者感到更加舒適，因此，提高能源效率的關(guān)鍵是建筑物能夠根據(jù)其中所住人員（或不在場(chǎng)）的需要進(jìn)行調(diào)整和適應(yīng)的能力。
Memoori進(jìn)行的研究表明，全球建筑系統(tǒng)的收入正在顯著增長(zhǎng)，這得益于針對(duì)智能建筑的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)在建筑行業(yè)越來(lái)越多地被稱為建筑物聯(lián)網(wǎng)（BIoT）。建筑物的能源和控制系統(tǒng)占銷售額絕大部分，其次是物理安全/火災(zāi)探測(cè)（232億美元）。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，Memoori預(yù)測(cè)，全球BIoT市場(chǎng)將從2017年的僅為348億美元，增長(zhǎng)到2022年的840億美元（復(fù)合年增長(zhǎng)率為19.4％）。而ResearchandMarkets則略為保守，預(yù)計(jì)到2023年將達(dá)到近520億美元。
能夠感知人員的建筑物
智慧建筑需要配備“觀察”或“感知”人是否在場(chǎng)的技術(shù)。除了檢測(cè)居住者外，跟蹤其在建筑物內(nèi)的位置或移動(dòng)的能力還可以最大程度地提高各種系統(tǒng)的效率。此外，借助人工智能（AI），建筑物最終可以根據(jù)居住人的喜好來(lái)調(diào)整和準(zhǔn)備房間。
但是，我們這里不想離開主題。本文將從節(jié)能的角度出發(fā)，重點(diǎn)介紹智能建筑如何感知和統(tǒng)計(jì)住戶。例如，可以使用占用傳感器來(lái)根據(jù)人是否在場(chǎng)自動(dòng)打開或關(guān)閉走廊和房間的照明，這樣可以減少照明的電力消耗。作為對(duì)環(huán)境光傳感器的補(bǔ)充，可以根據(jù)房間內(nèi)日光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)燈的亮度，從而進(jìn)一步節(jié)省能源。
使智能建筑物能夠“觀察”住戶的一種明顯方法是使用配備有高分辨率CMOS圖像傳感器的攝像頭。安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）的Python系列圖像傳感器能夠提供靈活的配置，以及高速操作時(shí)的精確圖像渲染和低讀取噪聲。它們支持80～815fps的幀率，因此能夠捕獲快速移動(dòng)的場(chǎng)景而不會(huì)失真。這些4.5～4.8μm像素圖像傳感器具有VGA至25MP的分辨率，并且針對(duì)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控、安全和監(jiān)視等任務(wù)對(duì)幾種產(chǎn)品型號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。2.3MP Python2000具有一個(gè)片上可編程增益放大器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它支持流水線式和觸發(fā)式全局快門讀出模式，以減少噪聲，并通過(guò)使用相關(guān)雙采樣（CDS）技術(shù)可提供更大的動(dòng)態(tài)范圍。
圖1：安森美半導(dǎo)體的Python圖像傳感器示例。
考慮這些攝像頭只能在視線內(nèi)有效，因此需要在一些特定空間中安裝多個(gè)攝像頭，但卻有侵犯隱私的風(fēng)險(xiǎn)。這可以通過(guò)使用人臉模糊機(jī)器視覺系統(tǒng)來(lái)解決，將攝像頭安裝在墻上仍然會(huì)使住戶時(shí)刻警惕“老大哥”一直在注視著他們。
盡管感知人是否在場(chǎng)就足以控制照明，但是智能建筑還需要能夠?qū)μ囟臻g中的人進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)按需控制通風(fēng)等服務(wù)。這需要使用基于占用率的檢測(cè)模型算法，該算法可以在不使用攝像頭的情況下估算在場(chǎng)人的數(shù)量，連同溫度、濕度和CO2傳感器等感測(cè)信息，HVAC系統(tǒng)將能夠自動(dòng)提供最佳的環(huán)境條件。
其他用于檢測(cè)在場(chǎng)住戶的傳感器包括對(duì)系統(tǒng)具有較小影響，同時(shí)具備高性價(jià)比的無(wú)源紅外（PIR）運(yùn)動(dòng)傳感器。松下（Panasonic）提供的PIR設(shè)備包括寬視野EKMB和EKMC系列，它們具有扁平和矩形兩種形態(tài)，可以在單軸上進(jìn)行高達(dá)150°的檢測(cè)。這些傳感器可提供1µA、2µA和6µA型號(hào)，能夠適應(yīng)多種電池供電應(yīng)用，它們的重疊檢測(cè)區(qū)域可確定直接接近傳感器的運(yùn)動(dòng)。
歐姆龍電子（Omron Electronics）的D6T系列是超靈敏的紅外熱傳感器，它充分利用了歐姆龍電子專有的MEMS傳感技術(shù)。與依靠運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的PIR傳感器不同，D6T系列通過(guò)人體熱量感應(yīng)來(lái)判斷是否有人在場(chǎng)。當(dāng)無(wú)人在場(chǎng)時(shí)，除了可以自動(dòng)關(guān)閉燈或空調(diào)外，它們還適用于監(jiān)測(cè)室溫并感測(cè)發(fā)生的過(guò)熱等異常變化，從而有助于防火。
圖2：歐姆龍的D6T紅外傳感器。
德州儀器（TI）的IWR1642系列包括集成有FMCW雷達(dá)技術(shù)的復(fù)雜單芯片mmWave傳感器，它們?cè)?6～81GHz頻段內(nèi)運(yùn)行，具有高達(dá)4GHz的連續(xù)啁啾聲（chirp）。這些傳感器采用專有的低功耗45nm RFCMOS工藝制造，非常適合人數(shù)統(tǒng)計(jì)等樓宇自動(dòng)化場(chǎng)合中使用。這些傳感器集成了一個(gè)DSP子系統(tǒng)，具有用于射頻信號(hào)處理的高性能C674x處理器內(nèi)核，還集成有一個(gè)基于ARM R4F的處理器子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)前端配置和控制，并支持校準(zhǔn)功能。
除訪問(wèn)控制外，RFID系統(tǒng)也可用于在一定程度上對(duì)商業(yè)建筑中的人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在大多數(shù)情況下，這種方法能夠確定多租戶建筑物內(nèi)的總?cè)藬?shù)。然而，要進(jìn)行細(xì)微而準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，只有在單個(gè)公司使用的建筑物或設(shè)施中（或由單個(gè)物業(yè)管理部門監(jiān)督）才可行。
傳感器陣列或系統(tǒng)
不同類型的占用檢測(cè)和人員跟蹤/計(jì)數(shù)傳感器都具有自己相對(duì)的優(yōu)缺點(diǎn)，這取決于成本因素和建筑物內(nèi)房間的布局。因此，有必要考慮采用傳感器組合或陣列的系統(tǒng)，以提高給定環(huán)境中的檢測(cè)精度。這些傳感器本身也需要較少維護(hù)，從而有助于降低整體能耗。
德州儀器（TI）的占用檢測(cè)參考設(shè)計(jì)采用了IWR6843毫米波傳感器，適用于室內(nèi)和室外人員計(jì)數(shù)應(yīng)用，該參考設(shè)計(jì)采用了MMWAVEICBOOST和IWR6843ISK評(píng)估模塊以及LAUNCHXL-CC1352R1無(wú)線微控制器單元（MCU）LaunchPad。
圖3：德州儀器的LAUNCHXL-CC1352R1 LaunchPad開發(fā)套件。
Silicon Labs的PIR 占用傳感器評(píng)估套件是EFM32和EFR32入門套件的附件板，它能夠演示采用已連接和未連接MCU而實(shí)現(xiàn)的占用感測(cè)和環(huán)境光感測(cè)系統(tǒng)。該評(píng)估套件與SLSTK3402A EFM32 PG12入門套件兼容，還可提供PIR運(yùn)動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)GUI顯示，性能匯總和測(cè)試方法。
如果傳感器能夠在不消耗電流的情況下工作，那么它們將可以大幅度提高建筑物的能效水平。Molex的Transcend系列無(wú)線占用傳感器為自供電方式，從而提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)控制無(wú)人在場(chǎng)房間的能耗。這種傳感器從室內(nèi)照明中收集光伏能量，并使用RF技術(shù)與附近的其他Transcend器件進(jìn)行無(wú)線通信。如果采用這些傳感器，某個(gè)空間在特定時(shí)間段內(nèi)未被占用，則樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)可以重置溫度水平，關(guān)閉照明等服務(wù)。
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