了解您的传感器：使建筑物更加智能

作者：贸泽电子Mark Patrick

商业建筑需要消耗大量能源以提供其中住户需求的服务。据统计，电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，即使走廊和公共场所没有人在场，这些区域也可能处于长时间照明的明亮状态。办公大楼的供暖、通风和空调（HVAC）系统通常占总能耗的40％左右，为了确保不浪费能源，需要大规模采用智能技术。

在过去的二十年中，严格的政府和行业法规推动了更高的可持续性和能源效率，这些法规要求现有建筑物减少能源消耗，并减少碳排放，同时要求使用可持续材料建造新建筑物，并整合能够有效管理能耗的智能自动化系统。

所有这一切的核心都是为了服务在实际建筑物中的人们，无论他们是将之作为住宅还是工作环境。提供楼宇自动化系统（BAS）可以使居住者感到更加舒适，因此，提高能源效率的关键是建筑物能够根据其中所住人员（或不在场）的需要进行调整和适应的能力。

Memoori进行的研究表明，全球建筑系统的收入正在显著增长，这得益于针对智能建筑的物联网（IoT）技术的发展，这种技术在建筑行业越来越多地被称为建筑物联网（BIoT）。建筑物的能源和控制系统占销售额绝大部分，其次是物理安全/火灾探测（232亿美元）。根据这些数据，Memoori预测，全球BIoT市场将从2017年的仅为348亿美元，增长到2022年的840亿美元（复合年增长率为19.4％）。而ResearchandMarkets则略为保守，预计到2023年将达到近520亿美元。

智慧建筑需要配备“观察”或“感知”人是否在场的技术。除了检测居住者外，跟踪其在建筑物内的位置或移动的能力还可以最大程度地提高各种系统的效率。此外，借助人工智能（AI），建筑物最终可以根据居住人的喜好来调整和准备房间。

但是，我们这里不想离开主题。本文将从节能的角度出发，重点介绍智能建筑如何感知和统计住户。例如，可以使用占用传感器来根据人是否在场自动打开或关闭走廊和房间的照明，这样可以减少照明的电力消耗。作为对环境光传感器的补充，可以根据房间内日光的强度来调节灯的亮度，从而进一步节省能源。

使智能建筑物能够“观察”住户的一种明显方法是使用配备有高分辨率CMOS图像传感器的摄像头。安森美半导体（ON Semiconductor）的Python系列图像传感器能够提供灵活的配置，以及​​高速操作时的精确图像渲染和低读取噪声。它们支持80～815fps的帧率，因此能够捕获快速移动的场景而不会失真。这些4.5～4.8μm像素图像传感器具有VGA至25MP的分辨率，并且针对运动监控、安全和监视等任务对几种产品型号进行了优化。2.3MP Python2000具有一个片上可编程增益放大器和10位模数转换器。它支持流水线式和触发式全局快门读出模式，以减少噪声，并通过使用相关双采样（CDS）技术可提供更大的动态范围。

图1：安森美半导体的Python图像传感器示例。

考虑这些摄像头只能在视线内有效，因此需要在一些特定空间中安装多个摄像头，但却有侵犯隐私的风险。这可以通过使用人脸模糊机器视觉系统来解决，将摄像头安装在墙上仍然会使住户时刻警惕“老大哥”一直在注视着他们。

尽管感知人是否在场就足以控制照明，但是智能建筑还需要能够对特定空间中的人进行计数，以实现按需控制通风等服务。这需要使用基于占用率的检测模型算法，该算法可以在不使用摄像头的情况下估算在场人的数量，连同温度、湿度和CO₂传感器等感测信息，HVAC系统将能够自动提供最佳的环境条件。

其他用于检测在场住户的传感器包括对系统具有较小影响，同时具备高性价比的无源红外（PIR）运动传感器。松下（Panasonic）提供的PIR设备包括宽视野EKMB和EKMC系列，它们具有扁平和矩形两种形态，可以在单轴上进行高达150°的检测。这些传感器可提供1µA、2µA和6µA型号，能够适应多种电池供电应用，它们的重叠检测区域可确定直接接近传感器的运动。

欧姆龙电子（Omron Electronics）的D6T系列是超灵敏的红外热传感器，它充分利用了欧姆龙电子专有的MEMS传感技术。与依靠运动检测的PIR传感器不同，D6T系列通过人体热量感应来判断是否有人在场。当无人在场时，除了可以自动关闭灯或空调外，它们还适用于监测室温并感测发生的过热等异常变化，从而有助于防火。

图2：欧姆龙的D6T红外传感器。

德州仪器（TI）的IWR1642系列包括集成有FMCW雷达技术的复杂单芯片mmWave传感器，它们在76～81GHz频段内运行，具有高达4GHz的连续啁啾声（chirp）。这些传感器采用专有的低功耗45nm RFCMOS工艺制造，非常适合人数统计等楼宇自动化场合中使用。这些传感器集成了一个DSP子系统，具有用于射频信号处理的高性能C674x处理器内核，还集成有一个基于ARM R4F的处理器子系统，主要负责前端配置和控制，并支持校准功能。

除访问控制外，RFID系统也可用于在一定程度上对商业建筑中的人员进行统计。在大多数情况下，这种方法能够确定多租户建筑物内的总人数。然而，要进行细微而准确的统计，只有在单个公司使用的建筑物或设施中（或由单个物业管理部门监督）才可行。

不同类型的占用检测和人员跟踪/计数传感器都具有自己相对的优缺点，这取决于成本因素和建筑物内房间的布局。因此，有必要考虑采用传感器组合或阵列的系统，以提高给定环境中的检测精度。这些传感器本身也需要较少维护，从而有助于降低整体能耗。

德州仪器（TI）的占用检测参考设计采用了IWR6843毫米波传感器，适用于室内和室外人员计数应用，该参考设计采用了MMWAVEICBOOST和IWR6843ISK评估模块以及LAUNCHXL-CC1352R1无线微控制器单元（MCU）LaunchPad。

图3：德州仪器的LAUNCHXL-CC1352R1 LaunchPad开发套件。

Silicon Labs的PIR 占用传感器评估套件是EFM32和EFR32入门套件的附件板，它能够演示采用已连接和未连接MCU而实现的占用感测和环境光感测系统。该评估套件与SLSTK3402A EFM32 PG12入门套件兼容，还可提供PIR运动信号的实时GUI显示，性能汇总和测试方法。

如果传感器能够在不消耗电流的情况下工作，那么它们将可以大幅度提高建筑物的能效水平。Molex的Transcend系列无线占用传感器为自供电方式，从而提供了一种经济高效的方式来控制无人在场房间的能耗。这种传感器从室内照明中收集光伏能量，并使用RF技术与附近的其他Transcend器件进行无线通信。如果采用这些传感器，某个空间在特定时间段内未被占用，则楼宇自动化系统可以重置温度水平，关闭照明等服务。