【導讀】居有定所，是人類(lèi)文明發(fā)展的一個(gè)重要標志。從那之后，建筑也就伴隨著(zhù)人類(lèi)進(jìn)步的腳步不斷更上層樓。人們對于建筑的要求，在“遮風(fēng)避雨、安全防護”等基本功能之外，也在不斷擴展。公元前一世紀古羅馬建筑師維特魯威提出的“實(shí)用、堅固、美觀(guān)”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(lái)的建筑正在被賦予新的內涵和外延。
何為健康建筑？
對于“健康建筑”（也被稱(chēng)為“建筑可持續性”）的概念，一個(gè)被普遍引用的定義，來(lái)自2000年健康建筑國際年會(huì )。其將健康建筑定義為“一種體現在住宅室內住宅區的居住環(huán)境的方式，不僅包括物理測量值，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(guān)性心理因素，如平面和空間布局、環(huán)境色調、私密保護、視野景觀(guān)、材料選擇等，另外加上工作滿(mǎn)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可和接受。
為了評估一個(gè)建筑是否“健康”，人們也制訂出了相應的標準。比如美國的WELL建筑標準，就通過(guò)空氣、水、營(yíng)養、光、健身、舒適、精神等七大類(lèi)別，共計105個(gè)細項對于健康建筑進(jìn)行評估分級。中國也在2017年推出了《健康建筑評價(jià)標準》，從生理、心理、社會(huì )三個(gè)方面對健康建筑的要素進(jìn)行了明確的規定。
如果我們仔細審視上述這些圍繞健康建筑的定義，就會(huì )發(fā)現，實(shí)際上無(wú)論這些定義如何變化，其核心要義就是要通過(guò)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(guān)上確保人在建筑中身心健康地工作和生活，宏觀(guān)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)可持續的發(fā)展模式。
健康建筑的技術(shù)基石
有了這樣的認知，下一步大家需要考慮的，就是如何讓建筑“健康”起來(lái)。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(huà)了一個(gè)愿景目標，強調的是最終努力所要達成的結果；而樓宇自動(dòng)化或者智能建筑，更多是聚焦在這個(gè)過(guò)程中的技術(shù)路徑和實(shí)現方案。
目前在健康建筑的實(shí)現過(guò)程中，大家的著(zhù)力點(diǎn)主要圍繞著(zhù)以下三個(gè)方面：
環(huán)境
對于建筑物中環(huán)境的測量，是實(shí)現建筑智能化和自動(dòng)化的基礎。對于空氣、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量結果，最終都會(huì )沉淀為有價(jià)值的數據，使得建筑可以建立基于大數據的準確洞察，最終形成科學(xué)的決策和精準的“行動(dòng)”，確保建筑中“人”的生理和心理健康，以及建筑的高效、可持續運轉。
能源
有數據顯示，全球與能源相關(guān)的CO2排放中，約有28%來(lái)自樓宇供電，由此不難理解能效管理對于建筑可持續性的重要性。這不僅意味著(zhù)要在新的建筑中采用新的能源技術(shù)和方案，也需要考慮對已有“老”建筑的能源基礎設施進(jìn)行升級改造。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，而且還要有足夠的彈性和可擴展性。
人
對于人（也就是建筑最終用戶(hù)）的關(guān)注，可以說(shuō)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)性的監測和分析，成了健康建筑構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)鍵數據——比如根據人數多寡調節燈光、空調等智能設備——這很容易理解；與此同時(shí)，在COVID-19疫情期間，這些數據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(zhù)以上三個(gè)方面的需求，我們不難發(fā)現構筑健康建筑所需的幾塊關(guān)鍵的“技術(shù)基石”，那就是：環(huán)境監測、能效技術(shù)和人員統計。隨著(zhù)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(lái)。
一直以來(lái)，關(guān)注建筑可持續性的技術(shù)廠(chǎng)商，如Analog Devices（ADI），都在圍繞著(zhù)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(kāi)發(fā)工具箱”。今天，我們就從ADI的健康建筑“開(kāi)發(fā)工具箱”中選取幾件開(kāi)發(fā)利器，推薦給大家。從中，我們也可以窺見(jiàn)當今健康建筑領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)、挑戰和對策。
環(huán)境監測
上文提到，環(huán)境監測是健康建筑重要的技術(shù)基石之一。想要實(shí)現這一目標，就需要使用大量的傳感器采集環(huán)境中的模擬信號并將其轉化成數字信號。而在實(shí)際的應用中，這類(lèi)環(huán)境小信號的傳感解決方案（如溫濕度、電化學(xué)傳感等）會(huì )面臨著(zhù)許多挑戰。例如：如何實(shí)現復雜信號鏈設計以實(shí)現精確可靠的檢測，如何應對傳感器隨時(shí)間漂移造成的可靠性挑戰，以及如何高效地滿(mǎn)足運維使用中的校準要求等等。
圖1：健康建筑中的環(huán)境監測場(chǎng)景
（圖源：ADI）
ADI充分利用自己在信號鏈領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，為健康建筑環(huán)境監測提供了一系列傳感解決方案。比如ADI的ADT7320數字溫度傳感器，它是一款精度為±0.25°C的SPI數字溫度傳感器，不需要用戶(hù)校正或校準，易于長(cháng)期使用。
圖2：ADT7320數字溫度傳感器
（圖源：ADI）
該產(chǎn)品內置一個(gè)帶隙基準電壓源、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)16位ADC，能夠以0.0078°C的分辨率對溫度進(jìn)行監控和數字化管理，而且在-40°C至+150°C很寬的溫度范圍內都具有出色性能。
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，設計人員可以對該數字溫度傳感器的分辨率等特性進(jìn)行設置，以滿(mǎn)足不同應用的要求。同時(shí)，ADT7320還支持可編程的過(guò)熱/過(guò)冷中斷，為設計帶來(lái)更大的靈活性和可靠性。
總之，ADT7320這款數字溫度傳感器精度高、易于使用、功耗低、具有極佳的長(cháng)期穩定性和可靠性，可以說(shuō)是健康建筑環(huán)境監測方案中的標桿性產(chǎn)品。
能源技術(shù)
實(shí)現建筑的可持續性，意味著(zhù)大量數字化智能設備的引入，這就使得建筑中的電網(wǎng)承受著(zhù)巨大的壓力，也需要其具有更強的彈性。
ADI的能源解決方案，可以準確地監測到使用點(diǎn)的能耗，且無(wú)需復雜的校準，非常方便。以這種實(shí)時(shí)、準確的洞察力作為依據，就可以令建筑中的智能設備自動(dòng)做出響應，并持續衡量節能效果，不斷地優(yōu)化，實(shí)現可持續的節能減排目標。
圖3：健康建筑中的能源監測應用
（圖源：ADI）
想要應對不斷提升的健康建筑能源監測需求，ADI的ADE9153A高精度單相電能計量IC是個(gè)不錯的選擇。ADE9153A包含三個(gè)高性能ADC，信噪比 (SNR) 為88dB，可提供一系列高級計量功能，包括線(xiàn)路電壓和電流測量、有功電能測量、基本無(wú)功電能測量、視在能量計算，以及電流和電壓有效值計算。ADE9153A還支持電源質(zhì)量測量，例如過(guò)零檢測、線(xiàn)路周期計算、角度測量、驟降和暫升、峰值和過(guò)流檢測以及功率因數測量。
該器件的每個(gè)輸入通道都支持獨立且靈活的增益級——電流通道A適用于并聯(lián)，具有靈活的增益級并提供從峰值62.5mV至26.04mV的滿(mǎn)量程輸入范圍；電流通道B具有1×、2×和4×增益級，適用于電流互感器 (CT)。此外，高速10MHz串行外設接口 (SPI) 端口允許訪(fǎng)問(wèn)ADE9153A寄存器。
圖4：ADE9153A高精度單相電能計量IC
（圖源：ADI）
在精準測量這一“基本功”的基礎上，ADE9153A最大的亮點(diǎn)還在于其具有mSure??自動(dòng)校準功能——在使用并聯(lián)電阻器作為電流傳感器的情況下，mSure??自動(dòng)校準功能允許計量器自動(dòng)校準電流和電壓通道（支持1級和2級計量器），而無(wú)需使用精確電源或精確基準電壓源計量器。也就是說(shuō)，這種特殊的自動(dòng)校準能力，使得基于A(yíng)DE9153A的電能監測設備可以方便地部署在建筑的各個(gè)地方，而無(wú)需擔心后期繁瑣的校準工作以及由此帶來(lái)的成本。
人數統計
傳統的樓宇自動(dòng)化中，圍繞著(zhù)“物”的物理量檢測是重點(diǎn)；而健康建筑則在此基礎上，更加強調對建筑中“人”的關(guān)注。人數統計，就是讓這一理念切實(shí)的重要技術(shù)手段。
人數統計能夠為健康樓宇帶來(lái)的價(jià)值，歸納起來(lái)有四個(gè)方面：
首先，通過(guò)了解特定空間的使用情況和人員數量，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的使用，將節能減排效果最大化。
其次，根據人數統計，可以對空間設計和布局進(jìn)行優(yōu)化，確保置身其中的用戶(hù)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，人數統計也是防疫的必要環(huán)節，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，人數統計的數據還可以與其他傳感器數據融合，催生出更多新的應用場(chǎng)景。
圖5：健康建筑中的人數統計技術(shù)應用場(chǎng)景
（圖源：ADI）
EagleEye?試驗套件是ADI開(kāi)發(fā)的一款基于邊緣計算的完整人數統計端到端硬件和軟件解決方案。該套件集成了ADI EagleEye DSP子系統（基于A(yíng)DSP-BF707 Blackfin數字信號處理器）、基于 Arm Cortex的MCU子系統（采用ADSPBF707BBCZ4-EGE）、閃存、專(zhuān)用的分析算法和應用固件，搭配一個(gè)視覺(jué)傳感器（Chicony CYFI013模塊），可為房間和開(kāi)放空間提供基于2D視覺(jué)的人數統計和位置檢測解決方案。同時(shí)，EagleEye?套件還可基于藍牙接口通過(guò)平板電腦應用程序進(jìn)行調試，并可通過(guò)Wi-Fi將元數據上傳到云端，進(jìn)行更全面的分析洞察。
圖6：EagleEye?人數統計試驗套件
（圖源：ADI）
總的來(lái)講，EagleEye?解決方案的主要優(yōu)勢包括：
實(shí)時(shí)精準的數據：經(jīng)過(guò)驗證的軟硬件方案，具有出色的處理速度和準確性，并可提供可靠的報告功能。
安全性和私密性：由于僅在傳感器端分析數據，不會(huì )披露用戶(hù)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 )上部署多臺設備并高效運行。
易于集成：可以無(wú)縫集成到不同供應商的系統中，為現有系統提供額外功能。
自定義檢測區域：通過(guò)傳感器設置，可以設定需要進(jìn)行人數統計的特定區域和排除區域，進(jìn)而提供更靈活、更智能的解決方案。
圖7：EagleEye?人數統計方案系統框圖
（圖源：ADI）
上述這些技術(shù)優(yōu)勢，使得EagleEye?解決方案可以被方便地集成到健康建筑的各種應用場(chǎng)景中，滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。
結語(yǔ)
更安全、更舒適、更高效、更節能、可持續……人們對健康建筑的期望，正在技術(shù)的推動(dòng)下逐漸變?yōu)楝F實(shí)，而且也正在被行業(yè)標準以及法律法規固化下來(lái)，成為未來(lái)越來(lái)越多建筑的標配。
值得關(guān)注的是，搭建傳統的建筑，需要的是鋼筋水泥，而健康建筑的營(yíng)造，則需要有全新的“技術(shù)基石”。好消息是，得益于A(yíng)DI等技術(shù)供應商的努力，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，現在就可以動(dòng)手，打造你心目中理想的智能建筑啦！
相關(guān)技術(shù)資源
● ADT7320數字溫度傳感器，了解詳情>>
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● EagleEye?人數統計解決方案，了解詳情>>
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