作者：英飛凌科技股份公司新興應(yīng)用經(jīng)理Manuel Hollfelder和Julia Fichte

未來(lái)，越來(lái)越多的人將生活在城市。據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，到2022年，全球56%的人口將是城市居民；到2050年，這一數(shù)字將上升至68%。這意味著我們必須更高效地利用現(xiàn)有資源，同時(shí)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(zhàn)中發(fā)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(jù)評(píng)估，歐盟既有建筑存量的75%都存在能源利用效率低下的問(wèn)題。這顯然預(yù)示著建筑物能效還有巨大的改進(jìn)空間。

于是，歐盟已對(duì)其《建筑能效指令》中的一系列規(guī)則要求進(jìn)行修訂并達(dá)成一致，其中要求歐盟成員國(guó)批準(zhǔn)實(shí)行旨在提高建筑行業(yè)能效的國(guó)家政策。

該指令特別指出，智能樓宇技術(shù)對(duì)于達(dá)成提高能效目標(biāo)是關(guān)鍵性的元素。已在工業(yè)4.0中證明其優(yōu)勢(shì)的智能傳感器技術(shù)，如今正被用于實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化。智能樓宇自動(dòng)化和控制系統(tǒng)可以通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息來(lái)顯著地提高建筑運(yùn)營(yíng)效率。一套能顯示建筑物智能化改造條件的指標(biāo)也在建立當(dāng)中。這套指標(biāo)可用于評(píng)估建筑物利用新技術(shù)和電子系統(tǒng)來(lái)減少能源消耗和排放，并適應(yīng)居住者需求的能力。

能效提高并非智能樓宇所能帶來(lái)的唯一益處。智能化安裝的傳感器和執(zhí)行器可以持續(xù)監(jiān)測(cè)和調(diào)整空氣質(zhì)量及照明設(shè)置，從而保證最佳工作環(huán)境，提高生產(chǎn)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(shù)如何削減建筑運(yùn)營(yíng)成本并提高生產(chǎn)效率的最好例證。這座4萬(wàn)平米的辦公大樓配備了大約2.8萬(wàn)顆傳感器，使得樓宇管理系統(tǒng)（BMS）能夠收集濕度、溫度和亮度等關(guān)鍵參數(shù)的信息。BMS再根據(jù)這些參數(shù)的變化自動(dòng)觸發(fā)建筑運(yùn)行狀況的調(diào)整，從而確保暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和其他各類系統(tǒng)能盡可能高效地運(yùn)行。因此，“The Edge”辦公樓的耗電量比傳統(tǒng)辦公樓降低70%，成為了世界上最節(jié)能的智能樓宇之一。

雖然“The Edge”項(xiàng)目如今還比較罕見(jiàn)，但智能樓宇市場(chǎng)無(wú)疑正處于不斷上升的態(tài)勢(shì)。根據(jù)最近的市場(chǎng)研究和預(yù)測(cè)，到2022年，智能建筑設(shè)備市場(chǎng)將以16%的復(fù)合平均增長(zhǎng)率（CAGR）達(dá)到翻一番的目標(biāo)。

圖1：智能樓宇涵蓋的要素

智能樓宇：讓樓宇更智慧、更環(huán)保、更節(jié)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(gòu)物中心和酒店等非住宅建筑。這些建筑物中的設(shè)備都連有傳感器，可以提供深入的消耗信息，并自動(dòng)作出優(yōu)化運(yùn)營(yíng)的決策。

英飛凌公司計(jì)劃在今年德國(guó)法蘭克福國(guó)際燈光照明及建筑技術(shù)及設(shè)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(jié)合，可供樓宇管理者充分地掌控樓宇運(yùn)行狀況。在該系統(tǒng)中，XDPL8221數(shù)字控制芯片可監(jiān)控LED驅(qū)動(dòng)側(cè)的相關(guān)出錯(cuò)情況，如欠壓、過(guò)壓、負(fù)載開(kāi)路或輸出短路等。24GHz雷達(dá)傳感器可探測(cè)建筑物內(nèi)是否有人，并統(tǒng)計(jì)有多少人，從而使得系統(tǒng)能在沒(méi)人時(shí)把燈光調(diào)暗以節(jié)約用電。傳感器還可將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給BMS系統(tǒng)和樓宇管理者，以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析和優(yōu)化。

繼“感測(cè)、計(jì)算、驅(qū)動(dòng)”這一套較為抽象的動(dòng)作之后，一系列聯(lián)網(wǎng)傳感器將收集環(huán)境信息，以及與樓宇運(yùn)行和使用情況有關(guān)的數(shù)據(jù)。這些信息既可在邊緣（邊緣計(jì)算）處進(jìn)行處理，也可發(fā)送到在本地或云端運(yùn)行的中央BMS系統(tǒng)。這些信息再被用于觸發(fā)自動(dòng)操作，以便對(duì)建筑物內(nèi)的HVAC系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、百葉窗和許多其他設(shè)備作出調(diào)整。

通過(guò)利用傳感器、執(zhí)行器和控制器在不同子系統(tǒng)之間建立交叉互聯(lián)，建筑物即可實(shí)現(xiàn)“智能化”（圖1）。如果把互聯(lián)比作智能樓宇的骨架，那么實(shí)際設(shè)備和控制裝置則相當(dāng)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(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）和室內(nèi)二氧化碳濃度來(lái)控制通風(fēng)系統(tǒng)（舉例）。照明系統(tǒng)也可根據(jù)是否有人存在及室內(nèi)亮度等附加因素予以自動(dòng)調(diào)整。這樣可以顯著降低能源消耗，同時(shí)提高使用者的舒適度和幸福感。

智能樓宇可以分為三個(gè)級(jí)別（圖2）：

·入門級(jí)，即建筑物的各個(gè)子系統(tǒng)與樓宇管理系統(tǒng)之間只有基本的連接；

·中間級(jí)，即能夠?qū)Χ鄠€(gè)集成的子系統(tǒng)進(jìn)行綜合地管理和控制，包括基于傳感器的數(shù)據(jù)收集；

·全面級(jí)，即能夠通過(guò)不同子系統(tǒng)之間的智能化協(xié)調(diào)行動(dòng)對(duì)所有子系統(tǒng)進(jìn)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(dá)到全面級(jí)智能化水平。相反，它需要我們每天一小步的積累和進(jìn)步。接下來(lái)，我們將以以太網(wǎng)供電（PoE）和狀態(tài)監(jiān)測(cè)作為兩個(gè)例子，來(lái)講述如何能讓建筑物的智能化水平上升一個(gè)層次。

智能樓宇：讓樓宇更智慧、更環(huán)保、更節(jié)能

示例1：POE作為互聯(lián)系統(tǒng)的中樞

樓宇能實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵在于，子系統(tǒng)與BMS之間能夠進(jìn)行大帶寬和大批量的數(shù)據(jù)傳輸。因此，具備得力而可靠的信息通信技術(shù)（ICT）基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于任何智能樓宇都具有最為核心的意義。

基于網(wǎng)際互連協(xié)議（IP）的網(wǎng)絡(luò)連接在工業(yè)和住宅領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。它易于安裝和維護(hù)，能完美地配合現(xiàn)有平臺(tái)，并且能用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。但以太網(wǎng)有一個(gè)缺點(diǎn)，即連接以太網(wǎng)的設(shè)備，仍然需要通過(guò)單獨(dú)的電纜來(lái)從電網(wǎng)獲取電能。

隨著IEEE頒布第一代針對(duì)1類和2類設(shè)備的以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)，IP電話和會(huì)議系統(tǒng)等低功率設(shè)備的這一挑戰(zhàn)已被攻克。借助PoE，供電設(shè)備（PSE）——如PoE交換機(jī)——能夠通過(guò)雙絞線以太網(wǎng)電纜為所連接的許多受電設(shè)備（PD）提供電能和連接。這使得只需要建立一個(gè)物理連接——即以太網(wǎng)套接字（socket），而該物理連接完全可由IT專家獨(dú)立完成。這種方法還可減少布線工作及簡(jiǎn)化設(shè)備管理，從而降低安裝和運(yùn)營(yíng)成本。

直到最近，PoE技術(shù)都只能為30 W以下的設(shè)備供電，這阻礙了它的廣泛應(yīng)用。隨著IEEE于2018年9月頒布 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)，3類和4類PoE設(shè)備能夠使用所有四對(duì)雙絞線以太網(wǎng)電纜，使得每個(gè)端口的可用功率提高到100 W。這為PoE打開(kāi)了較大功率的應(yīng)用之門，比如，通過(guò)PoE供電的5G小基站、LED燈具、大功率Wi-Fi接入點(diǎn)和公共廣播（PA）系統(tǒng)等。

該修訂版標(biāo)準(zhǔn)還涉及到整體能效，即，降低了待機(jī)功耗，并推出了一項(xiàng)協(xié)議，用于按照功率等級(jí)以更細(xì)化的方式管理可用功率。但這些規(guī)定又對(duì)PoE設(shè)備的開(kāi)關(guān)電源（SMPS）設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

首先，為能完全地支持最新標(biāo)準(zhǔn)，必須給PSE側(cè)的PoE交換機(jī)增加最高100 W/端口的功率預(yù)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(shè)計(jì)中，主SMPS必須滿足效率、功率密度和可靠性這些關(guān)鍵要求。

其次，需要有合適的半導(dǎo)體解決方案來(lái)與相應(yīng)的SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)CoolMOS? MOSFET，可以最大限度地提高可用功率，并延長(zhǎng)設(shè)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(duì)于PD的隔離型DC/DC SMPS轉(zhuǎn)換級(jí)都有著至關(guān)重要的作用。通過(guò)提高SMPS的整體效率而節(jié)省的每一瓦電能都能被PD本身所利用。

當(dāng)與可靠且高效的半導(dǎo)體解決方案（如英飛凌用于PD 側(cè)SMPS系統(tǒng)的OptiMOS?和StrongIRFET?產(chǎn)品系列，或用于PSE側(cè)SMPS系統(tǒng)的CoolMOS?產(chǎn)品系列）相結(jié)合時(shí)，PoE在為智能樓宇建設(shè)可靠的ICT基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)可以扮演非常關(guān)鍵的角色。它還可創(chuàng)造額外的成本節(jié)省機(jī)會(huì)。

圖3：PD利用原本只能用于LED照明等特定應(yīng)用的通用隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案（上圖）進(jìn)行供電。PSE需要高效的PFC和采用隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低損耗開(kāi)關(guān)（下圖）。

示例2：狀態(tài)監(jiān)測(cè)

電梯和空調(diào)等設(shè)備和系統(tǒng)故障會(huì)對(duì)大樓的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重干擾和破壞。在互聯(lián)互通的智能樓宇中，即使很小的問(wèn)題也可能給建筑物的運(yùn)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(lái)監(jiān)控已安裝設(shè)備的狀況，并有效地預(yù)測(cè)故障以防故障發(fā)生。

傳感器在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中起著決定性的作用。安裝在設(shè)備內(nèi)部或外部的傳感器，可以收集反映設(shè)備運(yùn)行狀況的各種參數(shù)的數(shù)據(jù)。例如，在HVAC設(shè)備中使用氣壓傳感器進(jìn)行氣流監(jiān)測(cè)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用電流傳感器進(jìn)行電流測(cè)量，以及使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)進(jìn)行聲音異常和振動(dòng)測(cè)量。這些傳感器可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)出偏離預(yù)定最佳狀態(tài)的狀況。

繼實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)之后，接下來(lái)最合理的做法是實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)。通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)，可以估計(jì)設(shè)備何時(shí)最有可能發(fā)生故障，從而及時(shí)進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)。

這一趨勢(shì)在今年佛羅里達(dá)州奧蘭多的AHR展會(huì)（美國(guó)國(guó)際暖通空調(diào)及制冷設(shè)備展）上表現(xiàn)得很明顯，并有可能成為法蘭克福展會(huì)的焦點(diǎn)。

在明確這一趨勢(shì)之后，英飛凌將在法蘭克福展會(huì)上展出用于HVAC系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)的端到端演示裝置。該演示裝置由英飛凌與端到端物聯(lián)網(wǎng)和云解決方案開(kāi)發(fā)商Klika Tech合作開(kāi)發(fā)，并由Amazon Web Services（AWS）提供技術(shù)支持，能夠展示傳感器在智能樓宇狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案中的潛能。

該演示裝置聚焦于HVAC設(shè)備的主要問(wèn)題——包括氣流監(jiān)測(cè)在內(nèi)。它融合了以下所列的英飛凌眾多產(chǎn)品，能夠確保完成精準(zhǔn)而可靠的數(shù)據(jù)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(dá)傳感器

計(jì)算：

·XMC? XMC4800 IoT Amazon FreeRTOS連接套件

安全：

·OPTIGA? Trust X

通過(guò)利用英飛凌XENSIV?傳感器產(chǎn)品系列中的傳感器裝置，HVAC設(shè)備中的關(guān)鍵組件——如壓縮機(jī)、風(fēng)扇、電機(jī)和過(guò)濾器等——連同整體系統(tǒng)振動(dòng)都能得到監(jiān)控。傳感器可以直接收集與組件有關(guān)的數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)XMC?微控制器在本地進(jìn)行預(yù)處理，然后發(fā)送到AWS云進(jìn)行信息提煉和異常檢測(cè)。嵌入式硬件安全解決方案可為從邊緣到云端的整個(gè)數(shù)據(jù)流的安全保駕護(hù)航。

HVAC設(shè)備只是作為一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明傳感器如何能夠幫助實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)，從而為樓宇經(jīng)營(yíng)者、租戶和設(shè)備制造商發(fā)掘更多附加價(jià)值。對(duì)于電梯、閥門和照明等其他關(guān)鍵的子系統(tǒng)而言，相關(guān)半導(dǎo)體解決方案和先進(jìn)的軟件智能可解決維護(hù)問(wèn)題并提供深入洞見(jiàn)。

總結(jié)

樓宇自動(dòng)化要想實(shí)現(xiàn)階段性的飛躍，必須要能利用傳感器輸入的信息來(lái)觸發(fā)執(zhí)行器，并實(shí)現(xiàn)所有子系統(tǒng)領(lǐng)域的決策自動(dòng)化。通過(guò)在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間建立起至關(guān)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(dǎo)體解決方案可為樓宇的智能化奠定必要的基礎(chǔ)。得益于先進(jìn)的技術(shù)和智能化的互聯(lián)解決方案，如今的建筑在未來(lái)可以轉(zhuǎn)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(huì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

英飛凌XENSIV? DPS368壓力傳感器在HVAC系統(tǒng)中可以進(jìn)行氣流監(jiān)測(cè)。因?yàn)槟軌蚍浪⑶覉?jiān)固耐用（（IPx8），該壓力傳感器可以用在HVAC這種惡劣的環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。