基于数字温度传感器的健康建筑环境监测系统

居有定所，是人类文明发展的一个重要标志。从那之后，建筑也就伴随着人类进步的脚步不断更上层楼。人们对于建筑的要求，在“遮风避雨、安全防护”等基本功能之外，也在不断扩展。公元前一世纪古罗马建筑师维特鲁威提出的“实用、坚固、美观”建筑三要素，曾经被奉为圭臬，而时至今日，“健康建筑”的概念正在蔚然成风，未来的建筑正在被赋予新的内涵和外延。

何为健康建筑?

对于“健康建筑”(也被称为“建筑可持续性”)的概念，一个被普遍引用的定义，来自2000年健康建筑国际年会。其将健康建筑定义为“一种体现在住宅室内住宅区的居住环境的方式，不仅包括物理测量值，如温度、通风换气效率、噪音、照度、空气品质等，还需包括主观性心理因素，如平面和空间布局、环境色调、私密保护、视野景观、材料选择等，另外加上工作满意度、人际关系等”。在此之后，健康建筑的理念逐渐被广泛地认可和接受。

为了评估一个建筑是否“健康”，人们也制订出了相应的标准。比如美国的WELL建筑标准，就通过空气、水、营养、光、健身、舒适、精神等七大类别，共计105个细项对于健康建筑进行评估分级。中国也在2017年推出了《健康建筑评价标准》，从生理、心理、社会三个方面对健康建筑的要素进行了明确的规定。如果我们仔细审视上述这些围绕健康建筑的定义，就会发现，实际上无论这些定义如何变化，其核心要义就是要通过科技的手段，处理好建筑、环境和人之间的关系，使得三者之间形成良性的互动，微观上确保人在建筑中身心健康地工作和生活，宏观上使得建筑之于社会环境和自然环境不会产生冲突和矛盾，进而能够形成一个可持续的发展模式。

健康建筑的技术基石

有了这样的认知，下一步大家需要考虑的，就是如何让建筑“健康”起来。实际上，目前人们围绕健康建筑的种种努力，从技术的角度去分析，很多都可归属在楼宇自动化或者智能建筑的范畴。两者的努力方向其实是一致的，而不同之处主要在于：健康建筑更多地是描画了一个愿景目标，强调的是最终努力所要达成的结果;而楼宇自动化或者智能建筑，更多是聚焦在这个过程中的技术路径和实现方案。

目前在健康建筑的实现过程中，大家的着力点主要围绕着以下三个方面：

环境

对于建筑物中环境的测量，是实现建筑智能化和自动化的基础。对于空气、温湿度、通风换气效率、噪音、照度、空气品质等环境因素中物理量的测量结果，最终都会沉淀为有价值的数据，使得建筑可以建立基于大数据的准确洞察，最终形成科学的决策和精准的“行动”，确保建筑中“人”的生理和心理健康，以及建筑的高效、可持续运转。

能源

有数据显示，全球与能源相关的CO2排放中，约有28%来自楼宇供电，由此不难理解能效管理对于建筑可持续性的重要性。这不仅意味着要在新的建筑中采用新的能源技术和方案，也需要考虑对已有“老”建筑的能源基础设施进行升级改造。这就要求相关的技术和方案不仅要在性能、可靠性等基本面上经得住考验，而且还要有足够的弹性和可扩展性。

人

对于人(也就是建筑最终用户)的关注，可以说是健康建筑概念中最核心的部分。这既是所有举措的出发点，也是其最终的落脚点。这使得对于建筑中人的行为，人与建筑之间、人与人之间关联性的监测和分析，成了健康建筑构建中不可或缺的一环。人的活动和状态，是其中的关键数据——比如根据人数多寡调节灯光、空调等智能设备——这很容易理解;与此同时，在COVID-19疫情期间，这些数据也有助于建筑中的人员保持安全的社交距离，具有特殊的意义。

围绕着以上三个方面的需求，我们不难发现构筑健康建筑所需的几块关键的“技术基石”，那就是：环境监测、能效技术和人员统计。随着健康建筑理念的兴起和广泛渗透，相关领域的技术赛道也已经热闹起来。

一直以来，关注建筑可持续性的技术厂商，如Analog Devices(ADI)，都在围绕着这些关键领域提供与时俱进的产品和解决方案，也逐渐形成了丰富的“开发工具箱”。今天，我们就从ADI的健康建筑“开发工具箱”中选取几件开发利器，推荐给大家。从中，我们也可以窥见当今健康建筑领域的技术热点、挑战和对策。

环境监测

上文提到，环境监测是健康建筑重要的技术基石之一。想要实现这一目标，就需要使用大量的传感器采集环境中的模拟信号并将其转化成数字信号。而在实际的应用中，这类环境小信号的传感解决方案(如温湿度、电化学传感等)会面临着许多挑战。例如：如何实现复杂信号链设计以实现精确可靠的检测，如何应对传感器随时间漂移造成的可靠性挑战，以及如何高效地满足运维使用中的校准要求等等。

ADI充分利用自己在信号链领域的技术优势，为健康建筑环境监测提供了一系列传感解决方案。比如ADI的ADT7320数字温度传感器，它是一款精度为±0.25°C的SPI数字温度传感器，不需要用户校正或校准，易于长期使用。

图2：ADT7320数字温度传感器

(图源：ADI)

该产品内置一个带隙基准电压源、一个温度传感器和一个16位ADC，能够以0.0078°C的分辨率对温度进行监控和数字化管理，而且在-40°C至+150°C很宽的温度范围内都具有出色性能。

ADT7320的工作电压范围为2.7V至5.5V，工作电压为3.3V时，平均供电电流的典型值为210μA。在关断模式下，典型关断电流仅为2μA，具有不俗的低功耗特性。

借助SPI串行接口，设计人员可以对该数字温度传感器的分辨率等特性进行设置，以满足不同应用的要求。同时，ADT7320还支持可编程的过热/过冷中断，为设计带来更大的灵活性和可靠性。

总之，ADT7320这款数字温度传感器精度高、易于使用、功耗低、具有极佳的长期稳定性和可靠性，可以说是健康建筑环境监测方案中的标杆性产品。

能源技术

实现建筑的可持续性，意味着大量数字化智能设备的引入，这就使得建筑中的电网承受着巨大的压力，也需要其具有更强的弹性。

ADI的能源解决方案，可以准确地监测到使用点的能耗，且无需复杂的校准，非常方便。以这种实时、准确的洞察力作为依据，就可以令建筑中的智能设备自动做出响应，并持续衡量节能效果，不断地优化，实现可持续的节能减排目标。

想要应对不断提升的健康建筑能源监测需求，ADI的ADE9153A高精度单相电能计量IC是个不错的选择。ADE9153A包含三个高性能ADC，信噪比 (SNR) 为88dB，可提供一系列高级计量功能，包括线路电压和电流测量、有功电能测量、基本无功电能测量、视在能量计算，以及电流和电压有效值计算。ADE9153A还支持电源质量测量，例如过零检测、线路周期计算、角度测量、骤降和暂升、峰值和过流检测以及功率因数测量。

该器件的每个输入通道都支持独立且灵活的增益级——电流通道A适用于并联，具有灵活的增益级并提供从峰值62.5mV至26.04mV的满量程输入范围;电流通道B具有1×、2×和4×增益级，适用于电流互感器 (CT)。此外，高速10MHz串行外设接口 (SPI) 端口允许访问ADE9153A寄存器。

图4：ADE9153A高精度单相电能计量IC

(图源：ADI)

在精准测量这一“基本功”的基础上，ADE9153A最大的亮点还在于其具有mSure自动校准功能——在使用并联电阻器作为电流传感器的情况下，mSure自动校准功能允许计量器自动校准电流和电压通道(支持1级和2级计量器)，而无需使用精确电源或精确基准电压源计量器。也就是说，这种特殊的自动校准能力，使得基于ADE9153A的电能监测设备可以方便地部署在建筑的各个地方，而无需担心后期繁琐的校准工作以及由此带来的成本。

人数统计

传统的楼宇自动化中，围绕着“物”的物理量检测是重点;而健康建筑则在此基础上，更加强调对建筑中“人”的关注。人数统计，就是让这一理念切实的重要技术手段。

人数统计能够为健康楼宇带来的价值，归纳起来有四个方面：

首先，通过了解特定空间的使用情况和人员数量，楼宇管理者(或者智能建筑自身)可以做出更明智的决策，比如按需提供照明或空调的使用，将节能减排效果最大化。

其次，根据人数统计，可以对空间设计和布局进行优化，确保置身其中的用户身心愉悦，从而提高工作效率，提升生活品质。

第三，在COVID-19大流行的情况下，人数统计也是防疫的必要环节，它在控制人员密度，分析人员时空交集等方面，都有很重要的意义。

此外，人数统计的数据还可以与其他传感器数据融合，催生出更多新的应用场景。

EagleEye试验套件是ADI开发的一款基于边缘计算的完整人数统计端到端硬件和软件解决方案。该套件集成了ADI EagleEye DSP子系统(基于ADSP-BF707 Blackfin数字信号处理器)、基于 Arm Cortex的MCU子系统(采用ADSPBF707BBCZ4-EGE)、闪存、专用的分析算法和应用固件，搭配一个视觉传感器(Chicony CYFI013模块)，可为房间和开放空间提供基于2D视觉的人数统计和位置检测解决方案。同时，EagleEye套件还可基于蓝牙接口通过平板电脑应用程序进行调试，并可通过Wi-Fi将元数据上传到云端，进行更全面的分析洞察。

总的来讲，EagleEye解决方案的主要优势包括：

实时精准的数据：经过验证的软硬件方案，具有出色的处理速度和准确性，并可提供可靠的报告功能。

安全性和私密性：由于仅在传感器端分析数据，不会披露用户个人身份信息，可以确保100%的私密性和安全性。

带宽要求低：整个方案的功耗和带宽要求低，有利于在同一网络上部署多台设备并高效运行。

易于集成：可以无缝集成到不同供应商的系统中，为现有系统提供额外功能。

自定义检测区域：通过传感器设置，可以设定需要进行人数统计的特定区域和排除区域，进而提供更灵活、更智能的解决方案。

图7：EagleEye人数统计方案系统框图

(图源：ADI)

上述这些技术优势，使得EagleEye解决方案可以被方便地集成到健康建筑的各种应用场景中，满足用户的要求。

结语

更安全、更舒适、更高效、更节能、可持续……人们对健康建筑的期望，正在技术的推动下逐渐变为现实，而且也正在被行业标准以及法律法规固化下来，成为未来越来越多建筑的标配。

值得关注的是，搭建传统的建筑，需要的是钢筋水泥，而健康建筑的营造，则需要有全新的“技术基石”。好消息是，得益于ADI等技术供应商的努力，这样的技术基石以及更丰富的“建筑材料”已经摆在你面前，现在就可以动手，打造你心目中理想的智能建筑啦!

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原文标题：让建筑“健康”起来!三个关键的技术基石，来了解一下……

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审核编辑：汤梓红