居有定所，是人類文明發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。從那之后，建筑也就伴隨著人類進(jìn)步的腳步不斷更上層樓。人們對(duì)于建筑的要求，在“遮風(fēng)避雨、安全防護(hù)”等基本功能之外，也在不斷擴(kuò)展。公元前一世紀(jì)古羅馬建筑師維特魯威提出的“實(shí)用、堅(jiān)固、美觀”建筑三要素，曾經(jīng)被奉為圭臬，而時(shí)至今日，“健康建筑”的概念正在蔚然成風(fēng)，未來的建筑正在被賦予新的內(nèi)涵和外延。

何為健康建筑?

對(duì)于“健康建筑”(也被稱為“建筑可持續(xù)性”)的概念，一個(gè)被普遍引用的定義，來自2000年健康建筑國際年會(huì)。其將健康建筑定義為“一種體現(xiàn)在住宅室內(nèi)住宅區(qū)的居住環(huán)境的方式，不僅包括物理測(cè)量值，如溫度、通風(fēng)換氣效率、噪音、照度、空氣品質(zhì)等，還需包括主觀性心理因素，如平面和空間布局、環(huán)境色調(diào)、私密保護(hù)、視野景觀、材料選擇等，另外加上工作滿意度、人際關(guān)系等”。在此之后，健康建筑的理念逐漸被廣泛地認(rèn)可和接受。

為了評(píng)估一個(gè)建筑是否“健康”，人們也制訂出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。比如美國的WELL建筑標(biāo)準(zhǔn)，就通過空氣、水、營養(yǎng)、光、健身、舒適、精神等七大類別，共計(jì)105個(gè)細(xì)項(xiàng)對(duì)于健康建筑進(jìn)行評(píng)估分級(jí)。中國也在2017年推出了《健康建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，從生理、心理、社會(huì)三個(gè)方面對(duì)健康建筑的要素進(jìn)行了明確的規(guī)定。如果我們仔細(xì)審視上述這些圍繞健康建筑的定義，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上無論這些定義如何變化，其核心要義就是要通過科技的手段，處理好建筑、環(huán)境和人之間的關(guān)系，使得三者之間形成良性的互動(dòng)，微觀上確保人在建筑中身心健康地工作和生活，宏觀上使得建筑之于社會(huì)環(huán)境和自然環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生沖突和矛盾，進(jìn)而能夠形成一個(gè)可持續(xù)的發(fā)展模式。

健康建筑的技術(shù)基石

有了這樣的認(rèn)知，下一步大家需要考慮的，就是如何讓建筑“健康”起來。實(shí)際上，目前人們圍繞健康建筑的種種努力，從技術(shù)的角度去分析，很多都可歸屬在樓宇自動(dòng)化或者智能建筑的范疇。兩者的努力方向其實(shí)是一致的，而不同之處主要在于：健康建筑更多地是描畫了一個(gè)愿景目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)的是最終努力所要達(dá)成的結(jié)果;而樓宇自動(dòng)化或者智能建筑，更多是聚焦在這個(gè)過程中的技術(shù)路徑和實(shí)現(xiàn)方案。

目前在健康建筑的實(shí)現(xiàn)過程中，大家的著力點(diǎn)主要圍繞著以下三個(gè)方面：

環(huán)境

對(duì)于建筑物中環(huán)境的測(cè)量，是實(shí)現(xiàn)建筑智能化和自動(dòng)化的基礎(chǔ)。對(duì)于空氣、溫濕度、通風(fēng)換氣效率、噪音、照度、空氣品質(zhì)等環(huán)境因素中物理量的測(cè)量結(jié)果，最終都會(huì)沉淀為有價(jià)值的數(shù)據(jù)，使得建筑可以建立基于大數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確洞察，最終形成科學(xué)的決策和精準(zhǔn)的“行動(dòng)”，確保建筑中“人”的生理和心理健康，以及建筑的高效、可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

能源

有數(shù)據(jù)顯示，全球與能源相關(guān)的CO2排放中，約有28%來自樓宇供電，由此不難理解能效管理對(duì)于建筑可持續(xù)性的重要性。這不僅意味著要在新的建筑中采用新的能源技術(shù)和方案，也需要考慮對(duì)已有“老”建筑的能源基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造。這就要求相關(guān)的技術(shù)和方案不僅要在性能、可靠性等基本面上經(jīng)得住考驗(yàn)，而且還要有足夠的彈性和可擴(kuò)展性。

人

對(duì)于人(也就是建筑最終用戶)的關(guān)注，可以說是健康建筑概念中最核心的部分。這既是所有舉措的出發(fā)點(diǎn)，也是其最終的落腳點(diǎn)。這使得對(duì)于建筑中人的行為，人與建筑之間、人與人之間關(guān)聯(lián)性的監(jiān)測(cè)和分析，成了健康建筑構(gòu)建中不可或缺的一環(huán)。人的活動(dòng)和狀態(tài)，是其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)——比如根據(jù)人數(shù)多寡調(diào)節(jié)燈光、空調(diào)等智能設(shè)備——這很容易理解;與此同時(shí)，在COVID-19疫情期間，這些數(shù)據(jù)也有助于建筑中的人員保持安全的社交距離，具有特殊的意義。

圍繞著以上三個(gè)方面的需求，我們不難發(fā)現(xiàn)構(gòu)筑健康建筑所需的幾塊關(guān)鍵的“技術(shù)基石”，那就是：環(huán)境監(jiān)測(cè)、能效技術(shù)和人員統(tǒng)計(jì)。隨著健康建筑理念的興起和廣泛滲透，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)賽道也已經(jīng)熱鬧起來。

一直以來，關(guān)注建筑可持續(xù)性的技術(shù)廠商，如Analog Devices(ADI)，都在圍繞著這些關(guān)鍵領(lǐng)域提供與時(shí)俱進(jìn)的產(chǎn)品和解決方案，也逐漸形成了豐富的“開發(fā)工具箱”。今天，我們就從ADI的健康建筑“開發(fā)工具箱”中選取幾件開發(fā)利器，推薦給大家。從中，我們也可以窺見當(dāng)今健康建筑領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)、挑戰(zhàn)和對(duì)策。

環(huán)境監(jiān)測(cè)

上文提到，環(huán)境監(jiān)測(cè)是健康建筑重要的技術(shù)基石之一。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要使用大量的傳感器采集環(huán)境中的模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。而在實(shí)際的應(yīng)用中，這類環(huán)境小信號(hào)的傳感解決方案(如溫濕度、電化學(xué)傳感等)會(huì)面臨著許多挑戰(zhàn)。例如：如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)鏈設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)精確可靠的檢測(cè)，如何應(yīng)對(duì)傳感器隨時(shí)間漂移造成的可靠性挑戰(zhàn)，以及如何高效地滿足運(yùn)維使用中的校準(zhǔn)要求等等。

ADI充分利用自己在信號(hào)鏈領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為健康建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一系列傳感解決方案。比如ADI的ADT7320數(shù)字溫度傳感器，它是一款精度為±0.25°C的SPI數(shù)字溫度傳感器，不需要用戶校正或校準(zhǔn)，易于長期使用。

圖2：ADT7320數(shù)字溫度傳感器

(圖源：ADI)

該產(chǎn)品內(nèi)置一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)16位ADC，能夠以0.0078°C的分辨率對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)字化管理，而且在-40°C至+150°C很寬的溫度范圍內(nèi)都具有出色性能。

ADT7320的工作電壓范圍為2.7V至5.5V，工作電壓為3.3V時(shí)，平均供電電流的典型值為210μA。在關(guān)斷模式下，典型關(guān)斷電流僅為2μA，具有不俗的低功耗特性。

借助SPI串行接口，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)該數(shù)字溫度傳感器的分辨率等特性進(jìn)行設(shè)置，以滿足不同應(yīng)用的要求。同時(shí)，ADT7320還支持可編程的過熱/過冷中斷，為設(shè)計(jì)帶來更大的靈活性和可靠性。

總之，ADT7320這款數(shù)字溫度傳感器精度高、易于使用、功耗低、具有極佳的長期穩(wěn)定性和可靠性，可以說是健康建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)方案中的標(biāo)桿性產(chǎn)品。

能源技術(shù)

實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)性，意味著大量數(shù)字化智能設(shè)備的引入，這就使得建筑中的電網(wǎng)承受著巨大的壓力，也需要其具有更強(qiáng)的彈性。

ADI的能源解決方案，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到使用點(diǎn)的能耗，且無需復(fù)雜的校準(zhǔn)，非常方便。以這種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的洞察力作為依據(jù)，就可以令建筑中的智能設(shè)備自動(dòng)做出響應(yīng)，并持續(xù)衡量節(jié)能效果，不斷地優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的節(jié)能減排目標(biāo)。

想要應(yīng)對(duì)不斷提升的健康建筑能源監(jiān)測(cè)需求，ADI的ADE9153A高精度單相電能計(jì)量IC是個(gè)不錯(cuò)的選擇。ADE9153A包含三個(gè)高性能ADC，信噪比 (SNR) 為88dB，可提供一系列高級(jí)計(jì)量功能，包括線路電壓和電流測(cè)量、有功電能測(cè)量、基本無功電能測(cè)量、視在能量計(jì)算，以及電流和電壓有效值計(jì)算。ADE9153A還支持電源質(zhì)量測(cè)量，例如過零檢測(cè)、線路周期計(jì)算、角度測(cè)量、驟降和暫升、峰值和過流檢測(cè)以及功率因數(shù)測(cè)量。

該器件的每個(gè)輸入通道都支持獨(dú)立且靈活的增益級(jí)——電流通道A適用于并聯(lián)，具有靈活的增益級(jí)并提供從峰值62.5mV至26.04mV的滿量程輸入范圍;電流通道B具有1×、2×和4×增益級(jí)，適用于電流互感器 (CT)。此外，高速10MHz串行外設(shè)接口 (SPI) 端口允許訪問ADE9153A寄存器。

圖4：ADE9153A高精度單相電能計(jì)量IC

(圖源：ADI)

在精準(zhǔn)測(cè)量這一“基本功”的基礎(chǔ)上，ADE9153A最大的亮點(diǎn)還在于其具有mSure自動(dòng)校準(zhǔn)功能——在使用并聯(lián)電阻器作為電流傳感器的情況下，mSure自動(dòng)校準(zhǔn)功能允許計(jì)量器自動(dòng)校準(zhǔn)電流和電壓通道(支持1級(jí)和2級(jí)計(jì)量器)，而無需使用精確電源或精確基準(zhǔn)電壓源計(jì)量器。也就是說，這種特殊的自動(dòng)校準(zhǔn)能力，使得基于ADE9153A的電能監(jiān)測(cè)設(shè)備可以方便地部署在建筑的各個(gè)地方，而無需擔(dān)心后期繁瑣的校準(zhǔn)工作以及由此帶來的成本。

人數(shù)統(tǒng)計(jì)

傳統(tǒng)的樓宇自動(dòng)化中，圍繞著“物”的物理量檢測(cè)是重點(diǎn);而健康建筑則在此基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)對(duì)建筑中“人”的關(guān)注。人數(shù)統(tǒng)計(jì)，就是讓這一理念切實(shí)的重要技術(shù)手段。

人數(shù)統(tǒng)計(jì)能夠?yàn)榻】禈怯顜淼膬r(jià)值，歸納起來有四個(gè)方面：

首先，通過了解特定空間的使用情況和人員數(shù)量，樓宇管理者(或者智能建筑自身)可以做出更明智的決策，比如按需提供照明或空調(diào)的使用，將節(jié)能減排效果最大化。

其次，根據(jù)人數(shù)統(tǒng)計(jì)，可以對(duì)空間設(shè)計(jì)和布局進(jìn)行優(yōu)化，確保置身其中的用戶身心愉悅，從而提高工作效率，提升生活品質(zhì)。

第三，在COVID-19大流行的情況下，人數(shù)統(tǒng)計(jì)也是防疫的必要環(huán)節(jié)，它在控制人員密度，分析人員時(shí)空交集等方面，都有很重要的意義。

此外，人數(shù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)還可以與其他傳感器數(shù)據(jù)融合，催生出更多新的應(yīng)用場(chǎng)景。

EagleEye試驗(yàn)套件是ADI開發(fā)的一款基于邊緣計(jì)算的完整人數(shù)統(tǒng)計(jì)端到端硬件和軟件解決方案。該套件集成了ADI EagleEye DSP子系統(tǒng)(基于ADSP-BF707 Blackfin數(shù)字信號(hào)處理器)、基于 Arm Cortex的MCU子系統(tǒng)(采用ADSPBF707BBCZ4-EGE)、閃存、專用的分析算法和應(yīng)用固件，搭配一個(gè)視覺傳感器(Chicony CYFI013模塊)，可為房間和開放空間提供基于2D視覺的人數(shù)統(tǒng)計(jì)和位置檢測(cè)解決方案。同時(shí)，EagleEye套件還可基于藍(lán)牙接口通過平板電腦應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試，并可通過Wi-Fi將元數(shù)據(jù)上傳到云端，進(jìn)行更全面的分析洞察。

總的來講，EagleEye解決方案的主要優(yōu)勢(shì)包括：

實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)：經(jīng)過驗(yàn)證的軟硬件方案，具有出色的處理速度和準(zhǔn)確性，并可提供可靠的報(bào)告功能。

安全性和私密性：由于僅在傳感器端分析數(shù)據(jù)，不會(huì)披露用戶個(gè)人身份信息，可以確保100%的私密性和安全性。

帶寬要求低：整個(gè)方案的功耗和帶寬要求低，有利于在同一網(wǎng)絡(luò)上部署多臺(tái)設(shè)備并高效運(yùn)行。

易于集成：可以無縫集成到不同供應(yīng)商的系統(tǒng)中，為現(xiàn)有系統(tǒng)提供額外功能。

自定義檢測(cè)區(qū)域：通過傳感器設(shè)置，可以設(shè)定需要進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)的特定區(qū)域和排除區(qū)域，進(jìn)而提供更靈活、更智能的解決方案。

圖7：EagleEye人數(shù)統(tǒng)計(jì)方案系統(tǒng)框圖

(圖源：ADI)

上述這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得EagleEye解決方案可以被方便地集成到健康建筑的各種應(yīng)用場(chǎng)景中，滿足用戶的要求。

結(jié)語

更安全、更舒適、更高效、更節(jié)能、可持續(xù)……人們對(duì)健康建筑的期望，正在技術(shù)的推動(dòng)下逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，而且也正在被行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及法律法規(guī)固化下來，成為未來越來越多建筑的標(biāo)配。

值得關(guān)注的是，搭建傳統(tǒng)的建筑，需要的是鋼筋水泥，而健康建筑的營造，則需要有全新的“技術(shù)基石”。好消息是，得益于ADI等技術(shù)供應(yīng)商的努力，這樣的技術(shù)基石以及更豐富的“建筑材料”已經(jīng)擺在你面前，現(xiàn)在就可以動(dòng)手，打造你心目中理想的智能建筑啦!

關(guān)于貿(mào)澤電子

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原文標(biāo)題：讓建筑“健康”起來!三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)基石，來了解一下……

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審核編輯：湯梓紅