基于數(shù)字溫度傳感器的健康建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

居有定所，是人類文明發(fā)展的一個重要標志。從那之后，建筑也就伴隨著人類進步的腳步不斷更上層樓。人們對于建筑的要求，在“遮風避雨、安全防護”等基本功能之外，也在不斷擴展。公元前一世紀古羅馬建筑師維特魯威提出的“實用、堅固、美觀”建筑三要素，曾經(jīng)被奉為圭臬，而時至今日，“健康建筑”的概念正在蔚然成風，未來的建筑正在被賦予新的內(nèi)涵和外延。

何為健康建筑?

對于“健康建筑”(也被稱為“建筑可持續(xù)性”)的概念，一個被普遍引用的定義，來自2000年健康建筑國際年會。其將健康建筑定義為“一種體現(xiàn)在住宅室內(nèi)住宅區(qū)的居住環(huán)境的方式，不僅包括物理測量值，如溫度、通風換氣效率、噪音、照度、空氣品質(zhì)等，還需包括主觀性心理因素，如平面和空間布局、環(huán)境色調(diào)、私密保護、視野景觀、材料選擇等，另外加上工作滿意度、人際關系等”。在此之后，健康建筑的理念逐漸被廣泛地認可和接受。

為了評估一個建筑是否“健康”，人們也制訂出了相應的標準。比如美國的WELL建筑標準，就通過空氣、水、營養(yǎng)、光、健身、舒適、精神等七大類別，共計105個細項對于健康建筑進行評估分級。中國也在2017年推出了《健康建筑評價標準》，從生理、心理、社會三個方面對健康建筑的要素進行了明確的規(guī)定。如果我們仔細審視上述這些圍繞健康建筑的定義，就會發(fā)現(xiàn)，實際上無論這些定義如何變化，其核心要義就是要通過科技的手段，處理好建筑、環(huán)境和人之間的關系，使得三者之間形成良性的互動，微觀上確保人在建筑中身心健康地工作和生活，宏觀上使得建筑之于社會環(huán)境和自然環(huán)境不會產(chǎn)生沖突和矛盾，進而能夠形成一個可持續(xù)的發(fā)展模式。

健康建筑的技術(shù)基石

有了這樣的認知，下一步大家需要考慮的，就是如何讓建筑“健康”起來。實際上，目前人們圍繞健康建筑的種種努力，從技術(shù)的角度去分析，很多都可歸屬在樓宇自動化或者智能建筑的范疇。兩者的努力方向其實是一致的，而不同之處主要在于：健康建筑更多地是描畫了一個愿景目標，強調(diào)的是最終努力所要達成的結(jié)果;而樓宇自動化或者智能建筑，更多是聚焦在這個過程中的技術(shù)路徑和實現(xiàn)方案。

目前在健康建筑的實現(xiàn)過程中，大家的著力點主要圍繞著以下三個方面：

環(huán)境

對于建筑物中環(huán)境的測量，是實現(xiàn)建筑智能化和自動化的基礎。對于空氣、溫濕度、通風換氣效率、噪音、照度、空氣品質(zhì)等環(huán)境因素中物理量的測量結(jié)果，最終都會沉淀為有價值的數(shù)據(jù)，使得建筑可以建立基于大數(shù)據(jù)的準確洞察，最終形成科學的決策和精準的“行動”，確保建筑中“人”的生理和心理健康，以及建筑的高效、可持續(xù)運轉(zhuǎn)。

能源

有數(shù)據(jù)顯示，全球與能源相關的CO2排放中，約有28%來自樓宇供電，由此不難理解能效管理對于建筑可持續(xù)性的重要性。這不僅意味著要在新的建筑中采用新的能源技術(shù)和方案，也需要考慮對已有“老”建筑的能源基礎設施進行升級改造。這就要求相關的技術(shù)和方案不僅要在性能、可靠性等基本面上經(jīng)得住考驗，而且還要有足夠的彈性和可擴展性。

人

對于人(也就是建筑最終用戶)的關注，可以說是健康建筑概念中最核心的部分。這既是所有舉措的出發(fā)點，也是其最終的落腳點。這使得對于建筑中人的行為，人與建筑之間、人與人之間關聯(lián)性的監(jiān)測和分析，成了健康建筑構(gòu)建中不可或缺的一環(huán)。人的活動和狀態(tài)，是其中的關鍵數(shù)據(jù)——比如根據(jù)人數(shù)多寡調(diào)節(jié)燈光、空調(diào)等智能設備——這很容易理解;與此同時，在COVID-19疫情期間，這些數(shù)據(jù)也有助于建筑中的人員保持安全的社交距離，具有特殊的意義。

圍繞著以上三個方面的需求，我們不難發(fā)現(xiàn)構(gòu)筑健康建筑所需的幾塊關鍵的“技術(shù)基石”，那就是：環(huán)境監(jiān)測、能效技術(shù)和人員統(tǒng)計。隨著健康建筑理念的興起和廣泛滲透，相關領域的技術(shù)賽道也已經(jīng)熱鬧起來。

一直以來，關注建筑可持續(xù)性的技術(shù)廠商，如Analog Devices(ADI)，都在圍繞著這些關鍵領域提供與時俱進的產(chǎn)品和解決方案，也逐漸形成了豐富的“開發(fā)工具箱”。今天，我們就從ADI的健康建筑“開發(fā)工具箱”中選取幾件開發(fā)利器，推薦給大家。從中，我們也可以窺見當今健康建筑領域的技術(shù)熱點、挑戰(zhàn)和對策。

環(huán)境監(jiān)測

上文提到，環(huán)境監(jiān)測是健康建筑重要的技術(shù)基石之一。想要實現(xiàn)這一目標，就需要使用大量的傳感器采集環(huán)境中的模擬信號并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。而在實際的應用中，這類環(huán)境小信號的傳感解決方案(如溫濕度、電化學傳感等)會面臨著許多挑戰(zhàn)。例如：如何實現(xiàn)復雜信號鏈設計以實現(xiàn)精確可靠的檢測，如何應對傳感器隨時間漂移造成的可靠性挑戰(zhàn)，以及如何高效地滿足運維使用中的校準要求等等。

ADI充分利用自己在信號鏈領域的技術(shù)優(yōu)勢，為健康建筑環(huán)境監(jiān)測提供了一系列傳感解決方案。比如ADI的ADT7320數(shù)字溫度傳感器，它是一款精度為±0.25°C的SPI數(shù)字溫度傳感器，不需要用戶校正或校準，易于長期使用。

圖2：ADT7320數(shù)字溫度傳感器

(圖源：ADI)

該產(chǎn)品內(nèi)置一個帶隙基準電壓源、一個溫度傳感器和一個16位ADC，能夠以0.0078°C的分辨率對溫度進行監(jiān)控和數(shù)字化管理，而且在-40°C至+150°C很寬的溫度范圍內(nèi)都具有出色性能。

ADT7320的工作電壓范圍為2.7V至5.5V，工作電壓為3.3V時，平均供電電流的典型值為210μA。在關斷模式下，典型關斷電流僅為2μA，具有不俗的低功耗特性。

借助SPI串行接口，設計人員可以對該數(shù)字溫度傳感器的分辨率等特性進行設置，以滿足不同應用的要求。同時，ADT7320還支持可編程的過熱/過冷中斷，為設計帶來更大的靈活性和可靠性。

總之，ADT7320這款數(shù)字溫度傳感器精度高、易于使用、功耗低、具有極佳的長期穩(wěn)定性和可靠性，可以說是健康建筑環(huán)境監(jiān)測方案中的標桿性產(chǎn)品。

能源技術(shù)

實現(xiàn)建筑的可持續(xù)性，意味著大量數(shù)字化智能設備的引入，這就使得建筑中的電網(wǎng)承受著巨大的壓力，也需要其具有更強的彈性。

ADI的能源解決方案，可以準確地監(jiān)測到使用點的能耗，且無需復雜的校準，非常方便。以這種實時、準確的洞察力作為依據(jù)，就可以令建筑中的智能設備自動做出響應，并持續(xù)衡量節(jié)能效果，不斷地優(yōu)化，實現(xiàn)可持續(xù)的節(jié)能減排目標。

想要應對不斷提升的健康建筑能源監(jiān)測需求，ADI的ADE9153A高精度單相電能計量IC是個不錯的選擇。ADE9153A包含三個高性能ADC，信噪比 (SNR) 為88dB，可提供一系列高級計量功能，包括線路電壓和電流測量、有功電能測量、基本無功電能測量、視在能量計算，以及電流和電壓有效值計算。ADE9153A還支持電源質(zhì)量測量，例如過零檢測、線路周期計算、角度測量、驟降和暫升、峰值和過流檢測以及功率因數(shù)測量。

該器件的每個輸入通道都支持獨立且靈活的增益級——電流通道A適用于并聯(lián)，具有靈活的增益級并提供從峰值62.5mV至26.04mV的滿量程輸入范圍;電流通道B具有1×、2×和4×增益級，適用于電流互感器 (CT)。此外，高速10MHz串行外設接口 (SPI) 端口允許訪問ADE9153A寄存器。

圖4：ADE9153A高精度單相電能計量IC

(圖源：ADI)

在精準測量這一“基本功”的基礎上，ADE9153A最大的亮點還在于其具有mSure自動校準功能——在使用并聯(lián)電阻器作為電流傳感器的情況下，mSure自動校準功能允許計量器自動校準電流和電壓通道(支持1級和2級計量器)，而無需使用精確電源或精確基準電壓源計量器。也就是說，這種特殊的自動校準能力，使得基于ADE9153A的電能監(jiān)測設備可以方便地部署在建筑的各個地方，而無需擔心后期繁瑣的校準工作以及由此帶來的成本。

人數(shù)統(tǒng)計

傳統(tǒng)的樓宇自動化中，圍繞著“物”的物理量檢測是重點;而健康建筑則在此基礎上，更加強調(diào)對建筑中“人”的關注。人數(shù)統(tǒng)計，就是讓這一理念切實的重要技術(shù)手段。

人數(shù)統(tǒng)計能夠為健康樓宇帶來的價值，歸納起來有四個方面：

首先，通過了解特定空間的使用情況和人員數(shù)量，樓宇管理者(或者智能建筑自身)可以做出更明智的決策，比如按需提供照明或空調(diào)的使用，將節(jié)能減排效果最大化。

其次，根據(jù)人數(shù)統(tǒng)計，可以對空間設計和布局進行優(yōu)化，確保置身其中的用戶身心愉悅，從而提高工作效率，提升生活品質(zhì)。

第三，在COVID-19大流行的情況下，人數(shù)統(tǒng)計也是防疫的必要環(huán)節(jié)，它在控制人員密度，分析人員時空交集等方面，都有很重要的意義。

此外，人數(shù)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)還可以與其他傳感器數(shù)據(jù)融合，催生出更多新的應用場景。

EagleEye試驗套件是ADI開發(fā)的一款基于邊緣計算的完整人數(shù)統(tǒng)計端到端硬件和軟件解決方案。該套件集成了ADI EagleEye DSP子系統(tǒng)(基于ADSP-BF707 Blackfin數(shù)字信號處理器)、基于 Arm Cortex的MCU子系統(tǒng)(采用ADSPBF707BBCZ4-EGE)、閃存、專用的分析算法和應用固件，搭配一個視覺傳感器(Chicony CYFI013模塊)，可為房間和開放空間提供基于2D視覺的人數(shù)統(tǒng)計和位置檢測解決方案。同時，EagleEye套件還可基于藍牙接口通過平板電腦應用程序進行調(diào)試，并可通過Wi-Fi將元數(shù)據(jù)上傳到云端，進行更全面的分析洞察。

總的來講，EagleEye解決方案的主要優(yōu)勢包括：

實時精準的數(shù)據(jù)：經(jīng)過驗證的軟硬件方案，具有出色的處理速度和準確性，并可提供可靠的報告功能。

安全性和私密性：由于僅在傳感器端分析數(shù)據(jù)，不會披露用戶個人身份信息，可以確保100%的私密性和安全性。

帶寬要求低：整個方案的功耗和帶寬要求低，有利于在同一網(wǎng)絡上部署多臺設備并高效運行。

易于集成：可以無縫集成到不同供應商的系統(tǒng)中，為現(xiàn)有系統(tǒng)提供額外功能。

自定義檢測區(qū)域：通過傳感器設置，可以設定需要進行人數(shù)統(tǒng)計的特定區(qū)域和排除區(qū)域，進而提供更靈活、更智能的解決方案。

圖7：EagleEye人數(shù)統(tǒng)計方案系統(tǒng)框圖

(圖源：ADI)

上述這些技術(shù)優(yōu)勢，使得EagleEye解決方案可以被方便地集成到健康建筑的各種應用場景中，滿足用戶的要求。

結(jié)語

更安全、更舒適、更高效、更節(jié)能、可持續(xù)……人們對健康建筑的期望，正在技術(shù)的推動下逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，而且也正在被行業(yè)標準以及法律法規(guī)固化下來，成為未來越來越多建筑的標配。

值得關注的是，搭建傳統(tǒng)的建筑，需要的是鋼筋水泥，而健康建筑的營造，則需要有全新的“技術(shù)基石”。好消息是，得益于ADI等技術(shù)供應商的努力，這樣的技術(shù)基石以及更豐富的“建筑材料”已經(jīng)擺在你面前，現(xiàn)在就可以動手，打造你心目中理想的智能建筑啦!

關于貿(mào)澤電子

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原文標題：讓建筑“健康”起來!三個關鍵的技術(shù)基石，來了解一下……

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審核編輯：湯梓紅