作者：貿澤電子Mark Patrick

商業建筑需要消耗大量能源以提供其中住戶需求的服務。據統計，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，即使走廊和公共場所沒有人在場，這些區域也可能處于長時間照明的明亮狀態。辦公大樓的供暖、通風和空調（HVAC）系統通常占總能耗的40％左右，為了確保不浪費能源，需要大規模采用智能技術。

在過去的二十年中，嚴格的政府和行業法規推動了更高的可持續性和能源效率，這些法規要求現有建筑物減少能源消耗，并減少碳排放，同時要求使用可持續材料建造新建筑物，并整合能夠有效管理能耗的智能自動化系統。

所有這一切的核心都是為了服務在實際建筑物中的人們，無論他們是將之作為住宅還是工作環境。提供樓宇自動化系統（BAS）可以使居住者感到更加舒適，因此，提高能源效率的關鍵是建筑物能夠根據其中所住人員（或不在場）的需要進行調整和適應的能力。

Memoori進行的研究表明，全球建筑系統的收入正在顯著增長，這得益于針對智能建筑的物聯網（IoT）技術的發展，這種技術在建筑行業越來越多地被稱為建筑物聯網（BIoT）。建筑物的能源和控制系統占銷售額絕大部分，其次是物理安全/火災探測（232億美元）。根據這些數據，Memoori預測，全球BIoT市場將從2017年的僅為348億美元，增長到2022年的840億美元（復合年增長率為19.4％）。而ResearchandMarkets則略為保守，預計到2023年將達到近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”人是否在場的技術。除了檢測居住者外，跟蹤其在建筑物內的位置或移動的能力還可以最大程度地提高各種系統的效率。此外，借助人工智能（AI），建筑物最終可以根據居住人的喜好來調整和準備房間。

但是，我們這里不想離開主題。本文將從節能的角度出發，重點介紹智能建筑如何感知和統計住戶。例如，可以使用占用傳感器來根據人是否在場自動打開或關閉走廊和房間的照明，這樣可以減少照明的電力消耗。作為對環境光傳感器的補充，可以根據房間內日光的強度來調節燈的亮度，從而進一步節省能源。

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。安森美半導體（ON Semiconductor）的Python系列圖像傳感器能夠提供靈活的配置，以及？6？7？6？7高速操作時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的場景而不會失真。這些4.5～4.8μm像素圖像傳感器具有VGA至25MP的分辨率，并且針對運動監控、安全和監視等任務對幾種產品型號進行了優化。2.3MP Python2000具有一個片上可編程增益放大器和10位模數轉換器。它支持流水線式和觸發式全局快門讀出模式，以減少噪聲，并通過使用相關雙采樣（CDS）技術可提供更大的動態范圍。

圖1：安森美半導體的Python圖像傳感器示例。

考慮這些攝像頭只能在視線內有效，因此需要在一些特定空間中安裝多個攝像頭，但卻有侵犯隱私的風險。這可以通過使用人臉模糊機器視覺系統來解決，將攝像頭安裝在墻上仍然會使住戶時刻警惕“老大哥”一直在注視著他們。

盡管感知人是否在場就足以控制照明，但是智能建筑還需要能夠對特定空間中的人進行計數，以實現按需控制通風等服務。這需要使用基于占用率的檢測模型算法，該算法可以在不使用攝像頭的情況下估算在場人的數量，連同溫度、濕度和CO2傳感器等感測信息，HVAC系統將能夠自動提供最佳的環境條件。

其他用于檢測在場住戶的傳感器包括對系統具有較小影響，同時具備高性價比的無源紅外（PIR）運動傳感器。松下（Panasonic）提供的PIR設備包括寬視野EKMB和EKMC系列，它們具有扁平和矩形兩種形態，可以在單軸上進行高達150°的檢測。這些傳感器可提供1μA、2μA和6μA型號，能夠適應多種電池供電應用，它們的重疊檢測區域可確定直接接近傳感器的運動。

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。與依靠運動檢測的PIR傳感器不同，D6T系列通過人體熱量感應來判斷是否有人在場。當無人在場時，除了可以自動關閉燈或空調外，它們還適用于監測室溫并感測發生的過熱等異常變化，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雷達技術的復雜單芯片mmWave傳感器，它們在76～81GHz頻段內運行，具有高達4GHz的連續啁啾聲（chirp）。這些傳感器采用專有的低功耗45nm RFCMOS工藝制造，非常適合人數統計等樓宇自動化場合中使用。這些傳感器集成了一個DSP子系統，具有用于射頻信號處理的高性能C674x處理器內核，還集成有一個基于ARM R4F的處理器子系統，主要負責前端配置和控制，并支持校準功能。

除訪問控制外，RFID系統也可用于在一定程度上對商業建筑中的人員進行統計。在大多數情況下，這種方法能夠確定多租戶建筑物內的總人數。然而，要進行細微而準確的統計，只有在單個公司使用的建筑物或設施中（或由單個物業管理部門監督）才可行。

傳感器陣列或系統

不同類型的占用檢測和人員跟蹤/計數傳感器都具有自己相對的優缺點，這取決于成本因素和建筑物內房間的布局。因此，有必要考慮采用傳感器組合或陣列的系統，以提高給定環境中的檢測精度。這些傳感器本身也需要較少維護，從而有助于降低整體能耗。

德州儀器（TI）的占用檢測參考設計采用了IWR6843毫米波傳感器，適用于室內和室外人員計數應用，該參考設計采用了MMWAVEICBOOST和IWR6843ISK評估模塊以及LAUNCHXL-CC1352R1無線微控制器單元（MCU）LaunchPad。

圖3：德州儀器的LAUNCHXL-CC1352R1 LaunchPad開發套件。

Silicon Labs的PIR 占用傳感器評估套件是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而實現的占用感測和環境光感測系統。該評估套件與SLSTK3402A EFM32 PG12入門套件兼容，還可提供PIR運動信號的實時GUI顯示，性能匯總和測試方法。

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系列無線占用傳感器為自供電方式，從而提供了一種經濟高效的方式來控制無人在場房間的能耗。這種傳感器從室內照明中收集光伏能量，并使用RF技術與附近的其他Transcend器件進行無線通信。如果采用這些傳感器，某個空間在特定時間段內未被占用，則樓宇自動化系統可以重置溫度水平，關閉照明等服務。