用于商业楼宇自动化的智能状态检测

文章作者:Andrea Berry

存在检测解决方案不是万能的。实现各种特性和用例所需的核心传感器和技术与它们所使用的应用程序和环境一样多样。关于状态检测的这一系列文章将提供跨商业、工业和零售应用程序的用例示例，并将突出核心感知能力、网络和处理注意事项，以及可以一起构建以实现所需功能集的技术解决方案。

在每种情况下，系统架构都必须考虑环境因素、空间的形状、结构和布局、电源可用性、节点对节点的通信要求和约束，以及数据和信息安全。的第一部分涵盖了零售应用中的社交距离。第二部分(下文)主要用于商业楼宇自动化的现场检测。

与我们的产品和环境的人类互动正在变得越来越摩擦。在消费者对易用性期望的首次推动时，2020年的大流行是加速这一趋势。虽然在之前，无情和自动访问和控制之前，但现在也是健康和安全问题。我们已经变得过多的表面，手柄和按钮，我们必须物理地参与。自动存在检测系统消除了触摸灯开关和门把手等共同点的需要。

除了减少或消除接触点，自动存在检测系统可以触发空气质量管理和HVAC系统，以促进健康的空气流动和空气净化，优化准确的占用和人员坐标。健康的气流对于减少灰尘和空气传染疾病颗粒的循环和传播至关重要。

先进水平的存在检测不仅是一个方便和清洁的问题，他们也将对建筑安全和保安有重大影响。想象一下，如果大楼本身能够解释所有居住者的下落，那么应急服务人员在应对火灾或医疗警报时将会更加安全和有效。

建筑平面图的数字化与建筑物中每个人的确切位置相结合，可以动态传输到第一响应者，并且可以在实时自动地将它们导航到紧急情况。通过直接导航到一个人的已知地点，消防响应人员的风险也大大减少了。

虽然某种程度的自动化在今天很常见，但它往往过于简单，不允许我们充分利用从一个更准确、互连的解决方案中可以实现的所有健康和安全利益。

存在检测功能的进步

存在检测的基本形式已经存在于建筑控制多年。许多办公室和住宅空间使用简单的运动检测设备来激活从灯光到安全设备和气候控制系统的一切。通常，这些系统使用基本的被动红外(PIR)或基于雷达的技术来检测运动和触发事件，如设备唤醒。您可能在自己的环境中遇到过这些系统:当您进入房间时，房间灯光就会打开;当您走过时，触屏恒温器会“醒来”;或者只有在被移动的物体“绊倒”时才会记录下来的安全摄像头。

这些系统虽然方便，但也有一些局限性。它们缺乏区分人类和其他移动物体的能力，因此很容易受到动物触发的假警报，甚至是被风吹来的无生命物体。如果你曾经在一个有自动照明控制的办公室里工作过，那么你可能曾亲身经历过在电脑前打字太长时间而没有足够的动作来保持灯光亮着，然后陷入完全的黑暗中。除了这些问题之外，未来的存在检测系统还需要现有系统无法提供的高级功能，比如人员计数，甚至是给定空间内的精确位置。

显然，这些假阳性和假阴性的例子表明，如果系统要告知更复杂的建筑管理系统和安全协议，就需要更准确的系统。选择合适的传感器技术是提高这些系统性能的关键。向这些局部节点添加处理和内存也是必要的，以提高检测保真度，并创建额外的特征集。这种应用可以考虑多种传感器技术，在某些情况下，通过结合传感器技术，可以大大提高系统的精度、效率和功能。

飞行时间(ToF)光学传感器非常适合这里描述的许多先进的存在检测功能。PIR传感器提供视场内运动的二进制指示，ToF传感器提供到最近物体的距离测量。此外，多区域ToF传感器可以确定运动方向，这在区分入口和出口事件时特别有用。

通过在门上方安装一个ToF传感器，并将其与适当的事件触发和计数处理逻辑和记忆相结合，可以精确地跟踪房间里的人数。在这个应用中，ToF也非常适合于更可靠地确定一个人，因为它可以根据测量的高度过滤掉其他物体。为了获得更准确的位置信息，可以在给定的房间或空间周围放置几个这样的传感器节点。由于PIR传感器缺乏对物体和运动方向的区分，这种方式的占用率跟踪更难用PIR传感器实现。

更复杂的光学技术，如全局快门、热成像和3D扫描，将提供一个非常高水平的传感能力，包括绝对目标识别和跟踪。随着可以嵌入边缘设备的现成图像处理库的广泛使用，这种系统的开发正变得越来越容易。然而，基于光学传感器的系统将是数据和计算密集型的，而且可能成本高昂，难以大规模部署。

超声麦克风也可用于创建存在检测传感器节点，并且是确定存在的绝佳选择。它们足够敏感，以拾取打字或甚至呼吸的某人的声音，并且在大多数办公环境中，能够从低级环境背景噪声隔离这些声音。然而，他们将在跟踪占用水平上使用有限，并且在人类和其他动物之间区分的能力将取决于不同物种之间的呼吸特性如何实质上。

除了信号调理和一些非常基本的数据过滤逻辑之外，大多数当前的状态检测节点不包括任何高级的本地处理能力。这些节点将需要包括微控制器或处理器、实时时钟或定时设备，以及嵌入式内存，以提高它们的智能水平，并提供更先进的存在检测水平，这是自动化建筑管理所必需的。

超声波麦克风和PIR传感器都为智能存在检测节点提供了优异的“唤醒”信号。这显着降低了整个传感器节点的功耗，仅在存在事件时才能激活光学传感器。另外，这将用作嵌入式微控制器的唤醒信号，其中大多数微控制器（MCU）将驻留在低功率或睡眠状态。

与建筑管理解决方案的互连

这些传统系统中的大多数不包括除了在设备集成之外的任何形式的连接，以为正在控制的功能提供切换逻辑。它们是本地化的，用于唯一目的，可以触发从它们发起的装置的响应 - 例如，特定房间中的光。为了使集中式建筑物管理软件使用的存在信息，存在检测设备需要将其事件传送到中央数据收集点，如构建控制器或网关，或直接到基于云的数据管理存储库。

历史上，大多数建筑控制基础设施依赖有线连接，但无线通信协议正在部署在新的建筑控制系统有线基础设施共存。无线通信在安装节点和添加新的建筑控制特性方面提供了更大的灵活性，消除了侵入式重新布线的需要。随着无线通信协议在可靠性和信号范围上的增加，它们很可能成为建筑通信基础设施的一部分。随着存在检测事件和数据的加入，高带宽通信变得比以往任何时候都重要，特别是如果包含视频流。

最常见的建筑自动化通信协议是BACnet。BACnet提供了一种标准，通过该标准在协议内定义了对象类型和服务。任何属于楼宇自动化模式的设备都可以通过此协议参与，包括HVAC，Fire和Security节点和照明控制。这是有利的，因为它允许设备和设备供应商之间的互操作性，使得建筑物所有者在选择新的或附加设备时不一定供应有限。

有许多物理图层和批准的数据链路批准用于BACnet协议，包括RS-232，RS-485，以太网和以太网/ IP的变体，用于有线连接。对于无线连接，许多楼宇自动化设备供应商为BACnet实现开发了专有的900-MHz或2.4 GHz无线无线接收器。

ZigBee被批准为BACnet的第一个网状网络无线标准。有几种新兴数据链接适合楼宇自动化，这也可以显着提高安装和维护条件，包括SPE（有线）和5G（无线）。

架构上，许多楼宇自动化节点设备被路由到集中式数据收集点，或者到路由器（如果所有设备位于BACnet上）或网关（如果有多种通信协议）。对于有线基础架构，这是最小化物理电缆路线的尤为必要的。但是，随着更多构建管理软件平台从物理服务器从物理服务器移动到云平台，无线连接将变得更加流行，并将推动已越来越多的边缘设备的直云选项的可用性。

通常，建筑自动化系统可以与其他核心功能组件（如HVAC和Compance）和通信总线的安全集成。然而，火灾和安全系统通常在单独的电源和通信网络上运行，以确保其正常运行时间和可用性。因此，具有集中式楼宇自动化系统的消防和安全节点可以在通信网络或节点中需要一些冗余，以便它们直接向安全回路馈送信息，以向一般建筑自动化系统提供信息。

在场检测和建筑管理的未来

传感器和边缘处理技术已经发展到可以大规模使用智能、特征丰富的存在检测系统的地步。广泛可用的硬件、固件和软件套件专门设计用于在场检测，大大减少了开发这些系统所需的时间和人力资本。核心组件具有成本效益，所提供的利益将大大提高建筑安全和能源效率，从而实现可衡量的财务价值。

智能在场检测解决方案将成为楼宇自动化管理系统的关键数据源。几乎所有商业建筑设备的供应商，从暖通空调到安全、安保和接入解决方案，都在自动化建筑管理软件和数字平台上投入了大量资金。这些平台汇集了来自所有建筑设备的数据，并对这些数据进行处理，以提供建筑功能、安全、状态、效率和健康的全面图景。这些平台的潜力仅受建筑本身提供的物理信息数量的限制。随着我们迈向未来，智能存在检测将提供关键的信息，以全面自动化的楼宇管理。

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- Andrea Berry是STMicroelectronics产业集团市场发展经理