新冠疫情的到来，引发了我们在如何在办公室、工厂和商店等室内环境更智能、安全地进行社交和协作方面更多的思考与讨论。
我们工作的建筑物随着我们的优先事项、需求和关系的改变而发展。暖通空调(HVAC)系统和实时安防监控等可持续发展目标可通过能源成本最小化、支持鲁棒而弹性的电网以及减少环境的影响来实现。
对智能楼宇而言，物联网在正确的时间出现在了正确的地点。物联网传感器不断收集大量数据，然后人工智能将对这些数据进行分析，并实时发送决策建议。随着5G、Wi-Fi和其他低功耗广域网(LPWAN)的发展，数据驱动的设备控制正在改进。能源管理、资产和人员安全、工人健康和资产跟踪都会受益。
在普通商业楼宇中，仅暖通空调(HVAC)和照明就占了总能耗的50%。因此，智能楼宇系统的采用，有助于使能源成本降低30%至50%。
传统上，暖通空调设备是统一运行、集中管理的。这种方法通常会在建筑物中留下许多高于或低于最佳条件的空间。这样一来，一些房间就会过热而另一些则会少热。不仅如此，一些灯会不必要地亮着，这样既浪费能源，又给电网和底线带来了额外的负担。
相比而言，物联网传感器安装在不同位置，可以将建筑物划分为更小、更易于管理的区域。举例来说，不同传感器可以收集环境数据(例如一个区域接收到的阳光量)，以及入驻数据(例如不同时间的人流量)。还可以收集建筑物冷却效率和速度的数据。结合环境数据和占用数据，管理人员可以更好地了解全天的使用趋势和设施范围内的能源需求，从而避免能源浪费。有了楼宇使用数据，管理人员就可以安排按需的清洁服务，消除不必要的清洁。此外，异常的能源消耗和冷却模式为排除设备故障提供了线索，因此管理人员就可主动安排维修服务。
物联网传感器和人工智能分析还可帮助建立使用模式的规范。例如，了解不同时间通过不同门的典型入驻密度和人流量是有帮助的。有了该信息，就可以在不同空间不同时间使用智能锁来限制或允许特定人员的进入。就可以快速识别和调查与正常模式的偏差，例如某些区域有未经授权的人员或某个区域人数异常。此外，当为安全设备(例如安全帽或防护服)贴上标签后，就可以对未佩戴这些物品的工人进行标记并拒绝进入，直到他们遵守安全协议。
工人的健康和福祉日益成为优先事项。在世界经济论坛的一项研究中，44%的全球企业认为，改善工作环境和灵活的工作安排是推动各行业变化的首要人口和社会经济驱动因素。
有几种类型的传感器可用于监测工人的健康状况。例如，室内空气质量传感器可以检测二氧化碳浓度。温度传感器可以检测过冷或过热的区域。计数传感器可以测量某个区域的入驻密度和停留时间，以及不同入口/出口的人流量。
当传感器不仅在楼宇内而且被工人佩戴时，还可以监控呼吸频率、静息心率和其他生命体征。此外，面部图像分析可以帮助识别苦恼、分心或疲劳的员工。
资产跟踪传感器可用于跟踪办公室、工厂、零售店和医院的库存和设备。这样就可以对库存自动连续地补充以避免停机，并可以对设备进行快速定位。轻松找到设备可以避免繁琐费时的搜索，以及多余的复购。
资产跟踪传感器可用于识别关键事件，例如灭火器丢失或防火门打开。通过结合数据，管理人员可确定需要加热、冷却或通风调整的区域，需要检查的员工，需要更换的设备，确保安全距离所需的人群疏散、需要消毒的空间等。传感器数据甚至可以体现民主，以匿名的方式提供给各个大楼居民，从而增加利益相关者之间的信任。
许多公司已经开发出使楼宇更智能化的解决方案。一些公司关注工人的健康和福祉，另一些则关注能源效率和可持续性。
例如，尽管照明、声音、湿度、清洁度和温度等许多因素有助于营造健康舒适的室内环境，但自疫情爆发以来，空气质量已跃居榜首。
图1：将物联网用于监控智能楼宇中的二氧化碳浓度。(图片来源：BehrTech)
由于二氧化碳是造成室内空气质量差的最大原因之一，BehrTech公司强调对二氧化碳进行监控(图1)。如果大楼内的人数和活动增加，二氧化碳浓度就会上升。高浓度的二氧化碳会导致人们生产力和决策力降低，同时加剧空气中的污染物水平。
将物联网传感器技术和无线连接相结合，就可以实时监控室内环境的质量，不仅包括二氧化碳浓度，还包括颗粒、污染物和有害气体等其他的污染物。当二氧化碳浓度超过安全阈值时，就可以启动通风和暖通空调过滤。此外，若将二氧化碳传感器与LPWAN等创新物联网连接方案搭配使用，则其就可确保在室内环境中以低功耗实现可靠可扩展的数据传输。
同时，可以使用诸如无源红外、微波、超声波和雷达传感器的人员计数传感器，监测特定区域的人流量和人数，并在超出容量阈值时发出警报。这样就可强制执行适当的安全距离。此外，这种传感器可以简化清洁服务，消除不必要的清洁，而在一定数量的人经常来访该区域后才立即指定清洁。例如，Mero公司的分析平台可以帮助降低清洁和供应成本。
该平台可检测肥皂、消毒液和卫生纸等物品的供应水平，以减少浪费性的补货。因此，Mero可帮助节省多达35%的供应浪费，并通过按需清洁提高可持续性。
意法半导体(ST)专注于使设施管理更安全、更具成本效益和能源效率。
图2：ST为智能楼宇设计提供半导体构建模块。(图片来源：ST)
在为智能楼宇提供应用指南时，ST展示了如何通过结合使用摄像头传感器、高性能低功耗MCU以及分析技术来实现楼宇的安全和安保(图2)。通过人工智能方法，摄像头传感器收集到的数据可通过分析用于训练系统了解正常的进出和客流量模式。智能锁可通过从使用中学习、适应用户的行为、使残疾人或老年人更容易进入以及在必要时向业主或中央安全服务提供商提供警报来帮助检测和阻止入侵者。此外，使用ST高性能、低功耗MCU，有助于使智能锁或任何其他远程应用持续很长时间。
同样，传感器可以监测重要设备的状况。将状态监测传感器收集的数据与机器学习分析相结合，可以检测振动和温度等参数的变化，以识别异常情况。这使预测偏差或轴承故障成为了可能，而这些异常往往是严重问题的早期症状。通过及早识别，管理人员就可主动安排维修，避免小问题恶化到全面故障。
传感器、分析和MCU也可用于优化楼宇的气候控制和能源效率。通过部署传感器来收集温度、湿度、环境光线和空气质量的数据，就可以分别使用智能电表、燃气表、暖气表和水表分别调整这些参数，以达到理想的生活条件。
物联网正为楼宇增加前所未有的智能，帮助它们随着不断变化的需求而发展。物联网连接为建立快速反应、动态且最优化的建筑环境创造了许多机会。然而，要想充分利用物联网的潜力，设施管理部门还必须通过数字工程获得鲁棒的网络和数据基础设施。
（原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Smart Buildings Are More Than Energy Management，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2022年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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