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作者：英飛凌科技股份公司新興應用經理Manuel Hollfelder和Julia Fichte 未來，越來越多的人將生活在城市。據聯合國預測，到2022年，全球56%的人口將是城市居民；到2050年，這一數字將上升至68%。這意味著我們必須更高效地利用現有資源，同時必須減少總體能源消耗和二氧化碳排放。 樓宇可以在解決這一挑戰中發揮決定性作用。僅在歐盟，能源消耗的40％，和二氧化碳排放中的36％都是因建筑物而引起的。而根據評估，歐盟既有建筑存量的75%都存在能源利用效率低下的問題。這顯然預示著建筑物能效還有巨大的改進空間。 于是，歐盟已對其《建筑能效指令》中的一系列規則要求進行修訂并達成一致，其中要求歐盟成員國批準實行旨在提高建筑行業能效的國家政策。 該指令特別指出，智能樓宇技術對于達成提高能效目標是關鍵性的元素。已在工業4.0中證明其優勢的智能傳感器技術，如今正被用于實現樓宇自動化。智能樓宇自動化和控制系統可以通過傳感器采集的數據信息來顯著地提高建筑運營效率。一套能顯示建筑物智能化改造條件的指標也在建立當中。這套指標可用于評估建筑物利用新技術和電子系統來減少能源消耗和排放，并適應居住者需求的能力。 能效提高并非智能樓宇所能帶來的唯一益處。智能化安裝的傳感器和執行器可以持續監測和調整空氣質量及照明設置，從而保證最佳工作環境，提高生產效率，并最大限度地提高居住舒適度。 位于阿姆斯特丹的“The Edge”寫字樓是智能技術如何削減建筑運營成本并提高生產效率的最好例證。這座4萬平米的辦公大樓配備了大約2.8萬顆傳感器，使得樓宇管理系統（BMS）能夠收集濕度、溫度和亮度等關鍵參數的信息。BMS再根據這些參數的變化自動觸發建筑運行狀況的調整，從而確保暖通空調（HVAC）系統、照明系統和其他各類系統能盡可能高效地運行。因此，“The Edge”辦公樓的耗電量比傳統辦公樓降低70%，成為了世界上最節能的智能樓宇之一。 雖然“The Edge”項目如今還比較罕見，但智能樓宇市場無疑正處于不斷上升的態勢。根據最近的市場研究和預測，到2022年，智能建筑設備市場將以16%的復合平均增長率（CAGR）達到翻一番的目標。 
圖1：智能樓宇涵蓋的要素 智能樓宇：讓樓宇更智慧、更環保、更節能
圖2：智能樓宇的智能化水平 何為智能樓宇？ 智能樓宇不同于智能家居，專指辦公大樓、購物中心和酒店等非住宅建筑。這些建筑物中的設備都連有傳感器，可以提供深入的消耗信息，并自動作出優化運營的決策。 英飛凌公司計劃在今年德國法蘭克福國際燈光照明及建筑技術及設備展上展出的智能筒燈就是最好的例子。該筒燈將電力與傳感器解決方案相結合，可供樓宇管理者充分地掌控樓宇運行狀況。在該系統中，XDPL8221數字控制芯片可監控LED驅動側的相關出錯情況，如欠壓、過壓、負載開路或輸出短路等。24GHz雷達傳感器可探測建筑物內是否有人，并統計有多少人，從而使得系統能在沒人時把燈光調暗以節約用電。傳感器還可將這些數據發送給BMS系統和樓宇管理者，以便進行進一步的分析和優化。 繼“感測、計算、驅動”這一套較為抽象的動作之后，一系列聯網傳感器將收集環境信息，以及與樓宇運行和使用情況有關的數據。這些信息既可在邊緣（邊緣計算）處進行處理，也可發送到在本地或云端運行的中央BMS系統。這些信息再被用于觸發自動操作，以便對建筑物內的HVAC系統、照明系統、百葉窗和許多其他設備作出調整。 通過利用傳感器、執行器和控制器在不同子系統之間建立交叉互聯，建筑物即可實現“智能化”（圖1）。如果把互聯比作智能樓宇的骨架，那么實際設備和控制裝置則相當于建筑物的肌肉和大腦。 智能組件之間的這種交互，使得能夠根據室內空氣質量（IAQ）和室內二氧化碳濃度來控制通風系統（舉例）。照明系統也可根據是否有人存在及室內亮度等附加因素予以自動調整。這樣可以顯著降低能源消耗，同時提高使用者的舒適度和幸福感。 智能樓宇可以分為三個級別（圖2）： • 入門級，即建筑物的各個子系統與樓宇管理系統之間只有基本的連接； • 中間級，即能夠對多個集成的子系統進行綜合地管理和控制，包括基于傳感器的數據收集； • 全面級，即能夠通過不同子系統之間的智能化協調行動對所有子系統進行全面地管理和控制。 毋庸置疑的是，如今的建筑不可能一夜之間就達到全面級智能化水平。相反，它需要我們每天一小步的積累和進步。接下來，我們將以以太網供電（PoE）和狀態監測作為兩個例子，來講述如何能讓建筑物的智能化水平上升一個層次。 智能樓宇：讓樓宇更智慧、更環保、更節能 示例1：POE作為互聯系統的中樞 樓宇能實現智能化的關鍵在于，子系統與BMS之間能夠進行大帶寬和大批量的數據傳輸。因此，具備得力而可靠的信息通信技術（ICT）基礎設施，對于任何智能樓宇都具有最為核心的意義。 基于網際互連協議（IP）的網絡連接在工業和住宅領域的應用已經相當成熟。它易于安裝和維護，能完美地配合現有平臺，并且能用硬件和軟件實現。但以太網有一個缺點，即連接以太網的設備，仍然需要通過單獨的電纜來從電網獲取電能。 隨著IEEE頒布第一代針對1類和2類設備的以太網供電標準，IP電話和會議系統等低功率設備的這一挑戰已被攻克。借助PoE，供電設備（PSE）——如PoE交換機——能夠通過雙絞線以太網電纜為所連接的許多受電設備（PD）提供電能和連接。這使得只需要建立一個物理連接——即以太網套接字(socket)，而該物理連接完全可由IT專家獨立完成。這種方法還可減少布線工作及簡化設備管理，從而降低安裝和運營成本。 直到最近，PoE技術都只能為30 W以下的設備供電，這阻礙了它的廣泛應用。隨著IEEE于2018年9月頒布 802.3bt標準，3類和4類PoE設備能夠使用所有四對雙絞線以太網電纜，使得每個端口的可用功率提高到100 W。這為PoE打開了較大功率的應用之門，比如，通過PoE供電的5G小基站、LED燈具、大功率Wi-Fi接入點和公共廣播（PA）系統等。 該修訂版標準還涉及到整體能效，即，降低了待機功耗，并推出了一項協議，用于按照功率等級以更細化的方式管理可用功率。但這些規定又對PoE設備的開關電源（SMPS）設計提出了新的挑戰。 首先，為能完全地支持最新標準，必須給PSE側的PoE交換機增加最高100 W/端口的功率預算。而為了避免需要增大SMPS的外形尺寸， SMPS的功率密度必須予以提高。這意味著在PSE設計中，主SMPS必須滿足效率、功率密度和可靠性這些關鍵要求。 其次，需要有合適的半導體解決方案來與相應的SMPS拓撲結構相匹配（比如反激有源鉗位【ACF】或LLC）。選擇高效且可靠的解決方案——如英飛凌的超結CoolMOS MOSFET，可以最大限度地提高可用功率，并延長設備壽命。由于它們的高效率，能耗也可降低。 效率、成本效益和功率密度對于PD的隔離型DC/DC SMPS轉換級都有著至關重要的作用。通過提高SMPS的整體效率而節省的每一瓦電能都能被PD本身所利用。 當與可靠且高效的半導體解決方案（如英飛凌用于PD 側SMPS系統的OptiMOS和StrongIRFET產品系列，或用于PSE側SMPS系統的CoolMOS產品系列）相結合時，PoE在為智能樓宇建設可靠的ICT基礎設施時可以扮演非常關鍵的角色。它還可創造額外的成本節省機會。
圖3：PD利用原本只能用于LED照明等特定應用的通用隔離型DC/DC轉換器解決方案（上圖）進行供電。PSE需要高效的PFC和采用隔離型拓撲結構的低損耗開關（下圖）。 示例2：狀態監測 電梯和空調等設備和系統故障會對大樓的正常運行造成嚴重干擾和破壞。在互聯互通的智能樓宇中，即使很小的問題也可能給建筑物的運行造成巨大干擾。因此，樓宇管理者正迫切地尋找各種方法來監控已安裝設備的狀況，并有效地預測故障以防故障發生。 傳感器在設備狀態監測中起著決定性的作用。安裝在設備內部或外部的傳感器，可以收集反映設備運行狀況的各種參數的數據。例如，在HVAC設備中使用氣壓傳感器進行氣流監測，在電機驅動器中使用電流傳感器進行電流測量，以及使用微機電系統（MEMS）麥克風進行聲音異常和振動測量。這些傳感器可以實時地檢測出偏離預定最佳狀態的狀況。 繼實施狀態監測之后，接下來最合理的做法是實施預測性維護。通過預測性維護，可以估計設備何時最有可能發生故障，從而及時進行主動維護。 這一趨勢在今年佛羅里達州奧蘭多的AHR展會（美國國際暖通空調及制冷設備展）上表現得很明顯，并有可能成為法蘭克福展會的焦點。 在明確這一趨勢之后，英飛凌將在法蘭克福展會上展出用于HVAC系統狀態監測和預測性維護的端到端演示裝置。該演示裝置由英飛凌與端到端物聯網和云解決方案開發商Klika Tech合作開發，并由Amazon Web Services（AWS）提供技術支持，能夠展示傳感器在智能樓宇狀態監測和預測性維護解決方案中的潛能。 該演示裝置聚焦于HVAC設備的主要問題——包括氣流監測在內。它融合了以下所列的英飛凌眾多產品，能夠確保完成精準而可靠的數據記錄。 傳感： • XENSIV DPS368氣壓傳感器 • XENSIV TLI4970電流傳感器 • XENSIV TLV493D-A1B6 3D磁性傳感器 • XENSIV BGT24LTR11 24-GHz雷達傳感器 計算： • XMC XMC4800 IoT Amazon FreeRTOS連接套件 安全： • OPTIGA Trust X 通過利用英飛凌XENSIV傳感器產品系列中的傳感器裝置，HVAC設備中的關鍵組件——如壓縮機、風扇、電機和過濾器等——連同整體系統振動都能得到監控。傳感器可以直接收集與組件有關的數據。收集到的數據可以通過XMC微控制器在本地進行預處理，然后發送到AWS云進行信息提煉和異常檢測。嵌入式硬件安全解決方案可為從邊緣到云端的整個數據流的安全保駕護航。 HVAC設備只是作為一個例子來說明傳感器如何能夠幫助實現狀態監測和預測性維護，從而為樓宇經營者、租戶和設備制造商發掘更多附加價值。對于電梯、閥門和照明等其他關鍵的子系統而言，相關半導體解決方案和先進的軟件智能可解決維護問題并提供深入洞見。 總結 樓宇自動化要想實現階段性的飛躍，必須要能利用傳感器輸入的信息來觸發執行器，并實現所有子系統領域的決策自動化。通過在現實世界與數字世界之間建立起至關重要的橋梁，傳感器、電源管理芯片、微控制器和安全芯片等半導體解決方案可為樓宇的智能化奠定必要的基礎。得益于先進的技術和智能化的互聯解決方案，如今的建筑在未來可以轉變成能自我感知的、綠色的和智慧的建筑，從而幫助解決城市化和氣候變化給社會帶來的挑戰。 英飛凌XENSIV DPS368壓力傳感器在HVAC系統中可以進行氣流監測。因為能夠防水并且堅固耐用（(IPx8），該壓力傳感器可以用在HVAC這種惡劣的環境中進行數據收集。 |
