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來源：富昌電子 作者：Alex Watson，EMEA傳感器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理 在過去 50 年里，閣樓和墻體保溫、雙層玻璃和 LED 照明共同顯著降低了住宅和商業(yè)建筑的熱能和電能消耗。但是，盡管取得了這些進(jìn)步，建筑物管理仍然存在各種低效問題。 例如，未充分利用的空間意味著許多建筑物提供的空間大于使用人數(shù)所需的空間，尤其是 Covid-19 疫情催生了在家工作模式之后。能源繼續(xù)被浪費，因為即使在無人的情況下，空間也會被照明和供暖。而且傳統(tǒng)的室內(nèi)供暖技術(shù)無法有效地為空間使用者帶來溫暖和舒適。 迄今為止，這種低效的根本原因一直是所有樓宇控制系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)：人。不幸的是，人們經(jīng)常在離開房間時不關(guān)燈，預(yù)訂了會議室而未舉行會議，以及在進(jìn)入寒冷的房間時將目標(biāo)溫度設(shè)置得太高。 這意味著，如果建筑物能夠更好地自我調(diào)節(jié)，地球和建筑物管理者都將受益：建筑物自動化程度增高將減少建筑物供暖、通風(fēng)和照明系統(tǒng)產(chǎn)生的溫室氣體排放，同時降低運(yùn)行成本。 目前，三個趨勢正加速這一理想結(jié)果的進(jìn)展。第一，全球適用于商用和家用建筑物的法規(guī)正在收緊要求，以滿足能源效率和室內(nèi)空氣質(zhì)量等參數(shù)的最低標(biāo)準(zhǔn)。 第二，世界各地?fù)碛谢蜻\(yùn)營辦公樓的企業(yè)都在為疫情后的世界做出規(guī)劃，在這個世界里，更少的人在辦公室工作，更多的人在家工作。 第三，支持豐富數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能 (AI) 的主流、價格可承受的半導(dǎo)體技術(shù)的商業(yè)化使機(jī)器能夠執(zhí)行決策操作，這些操作要求對復(fù)雜和模糊的數(shù)據(jù)集（如圖像文件）執(zhí)行類似人類的理解。 因此，生產(chǎn)暖通空調(diào) (HVAC) 設(shè)備、安全和門禁控制設(shè)備、照明控制和樓宇自動化系統(tǒng)等產(chǎn)品的 OEM 廠商正急切地尋找機(jī)會，在 2020 年估計價值 750 億美元的市場中分一杯羹。 下一代樓宇自動化系統(tǒng)的部分價值將體現(xiàn)在占用檢測、人數(shù)統(tǒng)計和測量室內(nèi)空間溫度的技術(shù)中。所有這些功能都可以通過紅外輻射的熱感測來實現(xiàn)。 在這里，技術(shù)的進(jìn)步也帶來了新的功能和更復(fù)雜的系統(tǒng)操作，例如照明控制、加熱控制和通風(fēng)。 高性價比板級熱像儀的出現(xiàn) 遠(yuǎn)程遠(yuǎn)紅外熱傳感提供了一種在廣泛的波長范圍內(nèi)檢測發(fā)射紅外輻射的物體的理想方法。熱像儀可檢測部分熱輻射光譜，例如波長介于 700 納米和 1,300 納米之間的光譜。熱傳感器不在可見光譜范圍內(nèi)工作，因此不需要照明，在白天和夜間一樣有效。由于紅外熱傳感器可以遠(yuǎn)程準(zhǔn)確地測量溫度，因此同一設(shè)備即有可能用于檢測人體等傳熱物體，也可能用于測量表面溫度。 這些功能在智能樓宇自動化系統(tǒng)中具有很高的價值，可用于： · 通過檢測會議室等空置空間，并將已預(yù)訂房間的用戶與建筑物的可用房間進(jìn)行匹配，以優(yōu)化空間使用。這可以使建筑管理者避免過度提供空間導(dǎo)致的浪費。 · 根據(jù)房間占用情況自動調(diào)節(jié)照明和通風(fēng)。例如，將無人的房間關(guān)燈，并增加新鮮空氣流入擁擠的房間以保持空氣質(zhì)量。 · 自動調(diào)節(jié)加熱控制，為需要的地方加熱。散熱器的對流加熱效應(yīng)往往會使房間的邊緣變暖。在較大空間中，房間中間不夠溫暖，而人們通常坐在房間的中間位置。熱傳感器可測量靠近人們的表面的溫度，并調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)，以確保在房間有人的位置達(dá)到目標(biāo)溫度。 
圖 1：美國地質(zhì)調(diào)查局拍攝的黃石國家公園中的一匹狼的熱成像圖像（公共版權(quán)圖片） 直到最近，樓宇自動化中的這些熱占用檢測應(yīng)用只能有效地利用兩種類型的熱傳感器件，這兩種器件都有嚴(yán)重的缺點。一方面，成熟的紅外攝像機(jī)或熱像儀提供了非常詳細(xì)的場景熱分布視頻圖像，甚至可以讓觀眾看到房間里的人在做什么（見圖 1） 。這在安全和監(jiān)視設(shè)備中很有價值。但在樓宇自動化系統(tǒng)中，人們的隱私受到強(qiáng)有力的法律保護(hù)，這意味著使用紅外攝像機(jī)將需要嚴(yán)格執(zhí)行繁重的數(shù)據(jù)保護(hù)和安全協(xié)議。 由于樓宇自動化系統(tǒng)不需要識別個人或支持對其活動的監(jiān)控，而且紅外圖像傳感器價格昂貴，因此該技術(shù)從根本上是不合適的。 市場上的另一款產(chǎn)品則是簡單的熱釋電紅外 (PIR) 傳感器，大多數(shù)人都熟悉它作為觸發(fā)安全燈和入侵者警報的運(yùn)動檢測設(shè)備。這些設(shè)備很便宜，但無法檢測到靜態(tài)的人員。此外，它們僅檢測 10μm 波長附近的發(fā)射紅外線的物體的運(yùn)動，而不測量溫度。 這兩種傳感器類型的特性為另一種傳感器留下了空間，即：可以生成具有足夠詳細(xì)溫度數(shù)據(jù)的熱圖以供使用、且不會損害用戶隱私的傳感器。 這就是 Melexis 試圖用 MLX9064x 系列熱像素陣列傳感器填補(bǔ)的空白。該系列的第一款產(chǎn)品 MLX90640 可生成 764 像素 (32px x 24px) 的熱圖像（見圖 2）。它有兩種版本，一種的視野為 55° x 35°，另一種為 110° x 75°。
圖 2：由 MLX90640 生成、并顯示在富昌電子 Sequana 參考設(shè)計板背面的天馬彩色 LCD 上的手部熱圖像（圖片來源：富昌電子） 在辦公室、會議室等大型室內(nèi)空間中使用時，MLX90640 的 32px x 24px 分辨率低到足以防止識別個人詳細(xì)信息，但又足夠使系統(tǒng)計算人數(shù)。通過將傳感器視場劃分為像素，傳感器還可以繪制與用戶相關(guān)的相對詳細(xì)的溫度分布圖。這能夠使溫度設(shè)置與用戶在房間內(nèi)的實際體驗保持一致，而不是滿足與用戶有一定距離的壁掛式恒溫器上設(shè)置和測量的全局溫度目標(biāo)。 MLX90640 采用帶有集成光學(xué)器件的標(biāo)準(zhǔn) 4 引腳通孔安裝 TO39 封裝，體積小，可安裝在多種類型的主機(jī)設(shè)備中，包括天花板安裝燈具、壁掛式或天花板安裝式通風(fēng)裝置、桌面空氣凈化器，甚至智能揚(yáng)聲器。 至關(guān)重要的是，設(shè)計工程師可以非常自信地使用 MLX90640 提供的數(shù)據(jù)：在 -40°C 至 300°C 的整個測量范圍內(nèi)提供 ±1°C 典型值的高精度。這種高精度歸功于獨特的 Melexis 像素設(shè)計，該設(shè)計對紅外信號的噪聲損害非常低：在1Hz的采樣頻率下，噪聲等效溫差 (NETD) 額定值為 0.1Krms。可以在 www.youtube.com/watch?v=eF-F-O7KPlU 觀看 MLX90640 的操作演示。 熱像素陣列傳感器的應(yīng)用注意事項 諸如 Melexis MLX90640 之類的熱像素陣列對實施硬件設(shè)計的設(shè)計工程師來說沒有任何困難。它只有四個引腳：兩個用于電源，一個用于 I2C 接口的時鐘輸入，一個用于 I2C 串行數(shù)據(jù)輸入/輸出。
圖 3：富昌電子Sequana Thermal參考設(shè)計板，展示 MLX90640（左中）和松下EKMB1393111K 存在探測器（右中）（圖片來源：富昌電子） 在實施適用于應(yīng)用的固件和軟件時可能會出現(xiàn)困難。通過 I2C 接口，MLX90640 可以提供 764 個像素中每一個像素的溫度數(shù)據(jù)。詳細(xì)的寄存器設(shè)置使用戶能夠調(diào)整增益、靈敏度、偏移和分辨率等參數(shù)。該固件位于傳感器外部，因為它托管在微控制器或應(yīng)用處理器中。 從頭開始開發(fā)此固件將是一項艱巨的工程任務(wù)。幸運(yùn)的是，OEM 廠商可以加快評估時間，因為 Melexis 提供了可在線免費獲得的微控制器驅(qū)動程序軟件 [1]。該驅(qū)動程序是為如今已廣泛使用的 Arm® Mbed™ 平臺編寫的，并且為許多嵌入式開發(fā)工程師所熟悉。 通過使用富昌電子卓越中心開發(fā)實驗室推出的新參考設(shè)計板，可以進(jìn)一步加快新樓宇自動化設(shè)備設(shè)計的概念驗證的開發(fā)。新的 Sequana Thermal 系統(tǒng)包括一個熱感應(yīng)子板（見圖 3），該子板連接到驅(qū)動 4.3 英寸彩色 LCD 顯示器的兩個控制器板中的一個。 傳感器子板具有 MLX90640 和 EKMB1393111K 松下 PIR 運(yùn)動傳感器。在“真實世界”用例中，極低功耗的 PIR 傳感器可用于將 MLX90640 從睡眠模式喚醒，以將傳感系統(tǒng)的功耗保持在最低水平。松下 EKMB 系列中的器件具有多種透鏡選擇，并在 1μA、2μA 或 6μA 的待機(jī)電流下運(yùn)行，以服務(wù)于不同的應(yīng)用。 開發(fā)人員可以選擇兩種控制器板：基于意法半導(dǎo)體STM32F746G 32 位微控制器或恩智浦半導(dǎo)體的 i.MX RT1050 跨界應(yīng)用處理器/微控制器（見圖 4）。Sequana Thermal 系統(tǒng)隨附在 Mbed 平臺上運(yùn)行的 Melexis 固件，使開發(fā)人員能夠立即開始評估熱傳感器在其應(yīng)用中的性能。由于傳感器產(chǎn)生的熱數(shù)據(jù)可以顯示在彩色監(jiān)視器上，也可以通過電路板的 USB 接口導(dǎo)出到主機(jī) PC，因此評估變得更加容易。
圖 4：安裝在 Sequana 嵌入式計算主板上的Sequana Thermal 板（左）（圖片來源：富昌電子） 傳感器子板具有 MLX90640 和 EKMB1393111K 松下 PIR 運(yùn)動傳感器。在“真實世界”用例中，極低功耗的 PIR 傳感器可用于將 MLX90640 從睡眠模式喚醒，以將傳感系統(tǒng)的功耗保持在最低水平。松下 EKMB 系列中的器件具有多種透鏡選擇，并在 1μA、2μA 或 6μA 的待機(jī)電流下運(yùn)行，以服務(wù)于不同的應(yīng)用。 開發(fā)人員可以選擇兩種控制器板：基于意法半導(dǎo)體STM32F746G 32 位微控制器或恩智浦半導(dǎo)體的 i.MX RT1050 跨界應(yīng)用處理器/微控制器（見圖 4）。Sequana Thermal 系統(tǒng)隨附在 Mbed 平臺上運(yùn)行的 Melexis 固件，使開發(fā)人員能夠立即開始評估熱傳感器在其應(yīng)用中的性能。由于傳感器產(chǎn)生的熱數(shù)據(jù)可以顯示在彩色監(jiān)視器上，也可以通過電路板的 USB 接口導(dǎo)出到主機(jī) PC，因此評估變得更加容易。 小結(jié) 通過將 MLX90640 集成到燈具、照明控制或恒溫器等終端產(chǎn)品中，OEM 廠商可以實現(xiàn)復(fù)雜的人數(shù)統(tǒng)計和熱圖功能。該器件的輸出可以驅(qū)動復(fù)雜的樓宇管理系統(tǒng)，從而提高用戶舒適度并減少能源浪費，同時避免侵犯隱私的擔(dān)憂。 通過使用 Sequana Thermal 板作為概念驗證開始開發(fā)基于 MLX90640 的設(shè)計，設(shè)計人員可以快速了解傳感器在預(yù)期應(yīng)用中的性能。 =================== 參考設(shè)計板 電路板型號：富昌電子 Sequana Thermal 參考 [1] Melexis驅(qū)動程序軟件：https://github.com/melexis/mlx90640-library.git |
