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热像素阵列传感器如何支持复杂的新型楼宇自动化技术

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在过去 50 年里,阁楼和墙体保温、双层玻璃和 LED 照明共同显著降低了住宅和商业建筑的热能和电能消耗。但是,尽管取得了这些进步,建筑物管理仍然存在各种低效问题。


例如,未充分利用的空间意味着许多建筑物提供的空间大于使用人数所需的空间,尤其是 Covid-19 疫情催生了在家工作模式之后。能源继续被浪费,因为即使在无人的情况下,空间也会被照明和供暖。而且传统的室内供暖技术无法有效地为空间使用者带来温暖和舒适。


迄今为止,这种低效的根本原因一直是所有楼宇控制系统中的薄弱环节:人。不幸的是,人们经常在离开房间时不关灯,预订了会议室而未举行会议,以及在进入寒冷的房间时将目标温度设置得太高。


这意味着,如果建筑物能够更好地自我调节,地球和建筑物管理者都将受益:建筑物自动化程度增高将减少建筑物供暖、通风和照明系统产生的温室气体排放,同时降低运行成本。


目前,三个趋势正加速这一理想结果的进展。第一,全球适用于商用和家用建筑物的法规正在收紧要求,以满足能源效率和室内空气质量等参数的最低标准。


第二,世界各地拥有或运营办公楼的企业都在为疫情后的世界做出规划,在这个世界里,更少的人在办公室工作,更多的人在家工作。


第三,支持丰富数据驱动的人工智能 (AI) 的主流、价格可承受的半导体技术的商业化使机器能够执行决策操作,这些操作要求对复杂和模糊的数据集(如图像文件)执行类似人类的理解。


因此,生产暖通空调 (HVAC) 设备、安全和门禁控制设备、照明控制和楼宇自动化系统等产品的 OEM 厂商正急切地寻找机会,在 2020 年估计价值 750 亿美元的市场中分一杯羹。


下一代楼宇自动化系统的部分价值将体现在占用检测、人数统计和测量室内空间温度的技术中。所有这些功能都可以通过红外辐射的热感测来实现。


在这里,技术的进步也带来了新的功能和更复杂的系统操作,例如照明控制、加热控制和通风。


高性价比板级热像仪的出现
远程远红外热传感提供了一种在广泛的波长范围内检测发射红外辐射的物体的理想方法。热像仪可检测部分热辐射光谱,例如波长介于 700 纳米和 1,300 纳米之间的光谱。热传感器不在可见光谱范围内工作,因此不需要照明,在白天和夜间一样有效。由于红外热传感器可以远程准确地测量温度,因此同一设备即有可能用于检测人体等传热物体,也可能用于测量表面温度。


这些功能在智能楼宇自动化系统中具有很高的价值,可用于:


  • 通过检测会议室等空置空间,并将已预订房间的用户与建筑物的可用房间进行匹配,以优化空间使用。这可以使建筑管理者避免过度提供空间导致的浪费。

  • 根据房间占用情况自动调节照明和通风。例如,将无人的房间关灯,并增加新鲜空气流入拥挤的房间以保持空气质量。

  • 自动调节加热控制,为需要的地方加热。散热器的对流加热效应往往会使房间的边缘变暖。在较大空间中,房间中间不够温暖,而人们通常坐在房间的中间位置。热传感器可测量靠近人们的表面的温度,并调节加热系统,以确保在房间有人的位置达到目标温度。



图 1:美国地质调查局拍摄的黄石国家公园中的一匹狼的热成像图像(公共版权图片)

直到最近,楼宇自动化中的这些热占用检测应用只能有效地利用两种类型的热传感器件,这两种器件都有严重的缺点。一方面,成熟的红外摄像机或热像仪提供了非常详细的场景热分布视频图像,甚至可以让观众看到房间里的人在做什么(见图 1) 。这在安全和监视设备中很有价值。但在楼宇自动化系统中,人们的隐私受到强有力的法律保护,这意味着使用红外摄像机将需要严格执行繁重的数据保护和安全协议。


由于楼宇自动化系统不需要识别个人或支持对其活动的监控,而且红外图像传感器价格昂贵,因此该技术从根本上是不合适的。


市场上的另一款产品则是简单的热释电红外 (PIR) 传感器,大多数人都熟悉它作为触发安全灯和入侵者警报的运动检测设备。这些设备很便宜,但无法检测到静态的人员。此外,它们仅检测 10m 波长附近的发射红外线的物体的运动,而不测量温度。


这两种传感器类型的特性为另一种传感器留下了空间,即:可以生成具有足够详细温度数据的热图以供使用、且不会损害用户隐私的传感器。


这就是 Melexis 试图用 MLX9064x 系列热像素阵列传感器填补的空白。该系列的第一款产品 MLX90640 可生成 764 像素 (32px x 24px) 的热图像(见图 2)。它有两种版本,一种的视野为 55° x 35°,另一种为 110° x 75°。



图 2:由 MLX90640 生成、并显示在富昌电子 Sequana 参考设计板背面的天马彩色 LCD 上的手部热图像(图片来源:富昌电子)

在办公室、会议室等大型室内空间中使用时,MLX90640 32px x 24px 分辨率低到足以防止识别个人详细信息,但又足够使系统计算人数。通过将传感器视场划分为像素,传感器还可以绘制与用户相关的相对详细的温度分布图。这能够使温度设置与用户在房间内的实际体验保持一致,而不是满足与用户有一定距离的壁挂式恒温器上设置和测量的全局温度目标。
MLX90640 采用带有集成光学器件的标准 4 引脚通孔安装 TO39 封装,体积小,可安装在多种类型的主机设备中,包括天花板安装灯具、壁挂式或天花板安装式通风装置、桌面空气净化器,甚至智能扬声器。


至关重要的是,设计工程师可以非常自信地使用 MLX90640 提供的数据:在 -40°C 至 300°C 的整个测量范围内提供 ±1°C 典型值的高精度。这种高精度归功于独特的 Melexis 像素设计,该设计对红外信号的噪声损害非常低:在1Hz的采样频率下,噪声等效温差 (NETD) 额定值为 0.1Krms。


热像素阵列传感器的应用注意事项
诸如 Melexis MLX90640 之类的热像素阵列对实施硬件设计的设计工程师来说没有任何困难。它只有四个引脚:两个用于电源,一个用于 I2C 接口的时钟输入,一个用于 I2C 串行数据输入/输出。



图 3:富昌电子Sequana Thermal参考设计板,展示 MLX90640(左中)和松下EKMB1393111K 存在探测器(右中)(图片来源:富昌电子)

在实施适用于应用的固件和软件时可能会出现困难。通过 I2C 接口,MLX90640 可以提供 764 个像素中每一个像素的温度数据。详细的寄存器设置使用户能够调整增益、灵敏度、偏移和分辨率等参数。该固件位于传感器外部,因为它托管在微控制器或应用处理器中。


从头开始开发此固件将是一项艰巨的工程任务。幸运的是,OEM 厂商可以加快评估时间,因为 Melexis 提供了可在线免费获得的微控制器驱动程序软件 [1]。该驱动程序是为如今已广泛使用的 Arm Mbed 平台编写的,并且为许多嵌入式开发工程师所熟悉。

通过使用富昌电子卓越中心开发实验室推出的新参考设计板,可以进一步加快新楼宇自动化设备设计的概念验证的开发。新的 Sequana Thermal 系统包括一个热感应子板(见图 3),该子板连接到驱动 4.3 英寸彩色 LCD 显示器的两个控制器板中的一个。

传感器子板具有 MLX90640 和 EKMB1393111K 松下 PIR 运动传感器。在“真实世界”用例中,极低功耗的 PIR 传感器可用于将 MLX90640 从睡眠模式唤醒,以将传感系统的功耗保持在最低水平。松下 EKMB 系列中的器件具有多种透镜选择,并在 1A、2A 或 6A 的待机电流下运行,以服务于不同的应用。


开发人员可以选择两种控制器板:基于意法半导体STM32F746G 32 位微控制器或恩智浦半导体的 i.MX RT1050 跨界应用处理器/微控制器(见图 4)。Sequana Thermal 系统随附在 Mbed 平台上运行的 Melexis 固件,使开发人员能够立即开始评估热传感器在其应用中的性能。由于传感器产生的热数据可以显示在彩色监视器上,也可以通过电路板的 USB 接口导出到主机 PC,因此评估变得更加容易。



图 4:安装在 Sequana 嵌入式计算主板上的Sequana Thermal 板(左)(图片来源:富昌电子)


小结

通过将 MLX90640 集成到灯具、照明控制或恒温器等终端产品中,OEM 厂商可以实现复杂的人数统计和热图功能。该器件的输出可以驱动复杂的楼宇管理系统,从而提高用户舒适度并减少能源浪费,同时避免侵犯隐私的担忧。

通过使用 Sequana Thermal 板作为概念验证开始开发基于 MLX90640 的设计,设计人员可以快速了解传感器在预期应用中的性能。


文章分类: 楼宇行业应用
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