作者： 和 Julia

2020 年 9 月 23 日消息，未来，越来越多的人将住在城市。根据联合国的数据，到 2022 年，世界上 56% 的人口将是城市居民；到 2050 年，这个数字将上升到 68%。这意味着我们必须更有效地利用现有资源，同时减少总体能源消耗和二氧化碳排放。

建筑物可以在应对这一挑战方面发挥决定性作用。仅在欧盟，40% 的能源消耗和 36% 的二氧化碳排放量是由建筑物造成的。据评估，欧盟75%的现有建筑存量存在能源效率低下的问题。这显然预示着建筑节能的好兆头，还有很大的改进空间。

因此，欧盟修订并商定了其《建筑能效指令》中的一系列监管要求，要求欧盟成员国批准旨在提高建筑行业能效的国家政策。

该指令明确指出，智能建筑技术是实现能源效率目标的关键要素。智能传感器技术已在工业4.0 中证明了其优势，现在正用于楼宇自动化。智能楼宇自动化和控制系统可以通过传感器收集的数据信息显着提高楼宇运营效率。一套能够显示建筑智能化改造条件的指标也正在建立中。这组指标可用于评估建筑物利用新技术和电子系统减少能源消耗和排放以及适应居住者需求的能力。

提高能源效率并不是智能建筑可以带来的唯一好处。智能安装的传感器和执行器持续监控和调整空气质量和照明设置，以确保最佳的工作环境、提高生产力并最大限度地提高占用舒适度。

阿姆斯特丹的“The Edge”办公楼是智能技术如何降低建筑运营成本和提高生产力的一个典型例子。这座 40,000 平方米的办公楼配备了大约 2.80,000 个传感器，允许楼宇管理系统 (BMS) 收集有关湿度、温度和亮度等关键参数的信息。然后，BMS 根据这些参数的变化自动触发对建筑物运行条件的调整，确保供暖、通风和空调 (HVAC) 系统、照明系统和其他系统尽可能高效地运行。因此，“The Edge”写字楼的耗电量比传统写字楼低 70%，成为全球最节能的智能建筑之一。

虽然如今“The Edge”项目相对较少，但智能建筑市场无疑正在崛起。根据最近的市场研究和预测，到 2022 年，智能建筑设备市场将以 16% 的复合平均增长率 (CAGR) 翻一番。

图 1：智能建筑涵盖的元素

智能建筑：让建筑更智能、更环保、更节能

图 2：智能建筑的智能化水平

什么是智能建筑？

智能建筑不同于智能家居，是指办公楼、商场、酒店等非住宅建筑。这些建筑物中的设备连接到传感器，这些传感器可提供深入的消耗信息并自动做出决策以优化运营。

英飞凌计划在今年德国法兰克福国际照明与建筑技术与设备展览会上展出的智能筒灯就是一个典型例子。筒灯结合了电源和传感器解决方案，让楼宇管理人员可以完全控制楼宇的健康状况。在本系统中，数字控制芯片可以监测LED驱动端的相关错误情况，如欠压、过压、负载开路或输出短路等。 24GHz 雷达传感器可检测建筑物内是否有人并计算人数，从而在无人时让系统调暗灯光以节省电力。传感器还可以将这些数据发送到 BMS 系统和楼宇管理人员进行进一步分析和优化。

按照更抽象的“传感、计算、驾驶”的集合，一系列联网传感器将收集环境信息，以及与建筑运营和使用相关的数据。这些信息既可以在边缘处理（边缘计算），也可以发送到在本地或云端运行的中央 BMS 系统。然后，这些信息将用于触发自动操作，以调整 HVAC 系统、照明系统、百叶窗和建筑物中的许多其他设备。

通过使用传感器、执行器和控制器在不同子系统之间建立交叉连接，建筑物可以变得“智能”（图1）。如果将互连比作智能建筑的骨架，那么实际设备和控件是建筑物的肌肉和大脑。

智能组件之间的这种交互可以根据室内空气质量 (IAQ) 和室内二氧化碳浓度（例如）控制通风系统。照明系统还可以根据人的存在与否以及房间的亮度等其他因素自动调整。这显着降低了能源消耗，同时提高了用户的舒适度和幸福感。

智能建筑可以分为三个层次（图2）：

· 入门级，即楼宇各个子系统与楼宇管理系统之间只有一个基本的连接；

中级，即能够对多个集成子系统进行综合管控，包括基于传感器的数据采集；

· 综合层次，即通过不同子系统之间的智能协同动作，可以对所有子系统进行综合管理和控制。

毫无疑问，今天的建筑不可能在一夜之间实现全面智能化。相反，它需要每天在小步骤中积累和进步。接下来，我们将以以太网供电 (PoE) 和状态监测为例，介绍如何让建筑更智能。

智能建筑：让建筑更智能、更环保、更节能

示例1：POE作为互联系统的骨干

实现智能建筑的关键是子系统与BMS之间可以进行大带宽、大容量的数据传输。因此楼宇自控传感器，拥有功能强大且可靠的信息和通信技术 (ICT) 基础设施对于任何智能建筑都至关重要。

基于互联网协议 (IP) 的网络在工业和住宅应用中得到了很好的建立。它易于安装和维护，与现有平台完美配合，并且可以在硬件和软件中实现。但以太网的缺点是连接以太网的设备仍需要单独的电缆从电网获取电力。

随着 IEEE 针对 1 类和 2 类设备的第一代以太网供电标准的发布，IP 电话和会议系统等低功耗设备面临的这一挑战已得到克服。借助 PoE，供电设备 (PSE) - 例如 PoE 交换机 - 可以通过双绞以太网电缆为许多连接的受电设备 (PD) 提供电力和连接。这使得只建立一个物理连接成为可能 - 以太网套接字（），这可以完全由 IT 专家单独完成。这种方法还通过减少布线工作和简化设备管理来降低安装和运营成本。

直到最近，PoE 技术只能为 30 W 以下的设备供电，这阻碍了其广泛采用。随着 2018 年 9 月颁布的 IEEE 802.3bt 标准，3 类和 4 类 PoE 设备能够使用所有四根双绞线以太网电缆，从而将每个端口的可用功率增加到 100 W。这为 PoE 的更高功率应用打开了大门，例如由 PoE 供电的 5G 小型蜂窝、LED 灯、大功率 Wi-Fi 接入点和公共广播 (PA) 系统。

修订后的标准还解决了整体能源效率问题，即降低了待机功耗，并引入了一种协议，用于按功率等级以更精细的方式管理可用功率。然而，这些法规也对 PoE 设备的开关电源 (SMPS) 的设计提出了新的挑战。

首先，为了完全支持最新标准，PSE 侧的 PoE 交换机必须添加高达 100 W/端口的功率预算。为了避免需要增加 SMPS 的尺寸，必须增加 SMPS 的功率密度。这意味着在 PSE 设计中，主 SMPS 必须满足效率、功率密度和可靠性等关键要求。

其次，需要有合适的半导体解决方案来匹配相应的 SMPS 拓扑（例如有源反激钳位 [ACF] 或 LLC）。选择高效可靠的解决方案，例如英飞凌的 ™，可以最大限度地提高可用功率并延长设备寿命。由于它们的高效率，还可以减少能源消耗。

效率、成本效益和功率密度都在 PD 的隔离式 DC/DC SMPS 转换阶段发挥着关键作用。通过提高 SMPS 的整体效率而节省的每一瓦功率都可以供 PD 本身使用。

当与可靠和高效的半导体解决方案（例如英飞凌用于 PD 侧 SMPS 系统的 ™ 和 ™ 产品系列，或用于 PSE 侧 SMPS 系统的 ™ 产品系列）结合使用时，PoE 是一种智能建筑，可以在其中发挥非常关键的作用建设可靠的ICT基础设施。它还创造了额外的成本节约机会。

图 3：PD 使用通用隔离式 DC/DC 转换器解决方案（上图）供电，否则只能用于 LED 照明等特定应用。 PSE 需要采用隔离拓扑的高效 PFC 和低损耗开关（下图）。

示例 2：状态监控

电梯和空调等设备和系统的故障可能会对建筑物的正常运行造成严重破坏和破坏。在互连的智能建筑中，即使是一个小问题也可能对建筑物的运行造成巨大破坏。因此，建筑管理人员迫切地寻找方法来监控已安装设备的状况并在故障发生之前有效地预测故障。

传感器在设备状态监测中起着决定性的作用。安装在设备内部或外部的传感器可以收集反映设备运行状况的各种参数的数据。例如，空气压力传感器用于 HVAC 设备中的气流监测，电流传感器用于电机驱动器中的电流测量，微机电系统 (MEMS) 麦克风用于声音异常和振动测量。这些传感器可以实时检测偏离预定最佳状态的情况。

在实施状态监测之后，下一个合乎逻辑的步骤是实施预测性维护。通过预测性维护，可以估计设备最有可能发生故障的时间，从而实现及时和主动的维护。

这一趋势在今年佛罗里达州奥兰多的 AHR 展会上很明显，很可能成为法兰克福展会的焦点。

顺应这一趋势，英飞凌将在法兰克福展会上展示用于 HVAC 系统状态监测和预测性维护的端到端演示单元。该演示单元由英飞凌与端到端物联网和云解决方案开发商 Klika Tech 合作开发，由 Web (AWS) 提供支持，能够展示传感器在智能建筑状态监测和预测性维护解决方案中的使用潜力。

此演示单元侧重于 HVAC 设备的主要问题 - 包括气流监测。它整合了下列英飞凌产品，以确保准确可靠的数据记录。

感应：

· ™ 气压传感器

· ™ 电流传感器

·™-A1B6 3D磁传感器

· ™ 24-GHz 雷达传感器

计算：

· XMC™ 物联网连接套件

安全性：

· ™ 信任 X

通过使用英飞凌™ 传感器产品系列中的传感器单元，可以监控 HVAC 设备中的关键组件（例如压缩机、风扇、电机和过滤器）以及整个系统的振动。传感器可以直接收集有关组件的数据。收集到的数据可以通过 XMC™ 微控制器在本地进行预处理，然后发送到 AWS 云进行信息提取和异常检测。嵌入式硬件安全解决方案保护从边缘到云端的整个数据流。

暖通空调设备只是传感器如何帮助实现状态监测和预测性维护从而为建筑运营商、租户和设备制造商释放额外价值的一个例子。对于电梯、阀门和照明等其他关键子系统，相关的半导体解决方案和先进的软件智能可以解决维护问题并提供洞察力。

总结

楼宇自动化要实现分步飞跃，就必须能够使用传感器输入来触发执行器，并在所有子系统领域实现决策自动化。传感器、电源管理芯片、微控制器和安全芯片等半导体解决方案通过在物理世界和数字世界之间架起重要桥梁，为构建智能建筑提供了必要的基础。得益于先进的技术和智能互联解决方案，今天的建筑可以在未来转变为具有自我意识的绿色智能建筑，帮助解决城市化和气候变化给社会带来的挑战。

英飞凌™ 压力传感器可用于 HVAC 系统中的气流监测。由于防水耐用（（IPx8）），压力传感器可用于暖通空调等恶劣环境下的数据采集。（刘立清）