熱像素陣列傳感器如何支持復雜的新型樓宇自動化技術
發布時間：2022-4-22 10:55
發布者：eechina
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來源：富昌電子 作者：Alex Watson，EMEA傳感器業務拓展經理 在過去 50 年里，閣樓和墻體保溫、雙層玻璃和 LED 照明共同顯著降低了住宅和商業建筑的熱能和電能消耗。但是，盡管取得了這些進步，建筑物管理仍然存在各種低效問題。 例如，未充分利用的空間意味著許多建筑物提供的空間大于使用人數所需的空間，尤其是 Covid-19 疫情催生了在家工作模式之后。能源繼續被浪費，因為即使在無人的情況下，空間也會被照明和供暖。而且傳統的室內供暖技術無法有效地為空間使用者帶來溫暖和舒適。 迄今為止，這種低效的根本原因一直是所有樓宇控制系統中的薄弱環節：人。不幸的是，人們經常在離開房間時不關燈，預訂了會議室而未舉行會議，以及在進入寒冷的房間時將目標溫度設置得太高。 這意味著，如果建筑物能夠更好地自我調節，地球和建筑物管理者都將受益：建筑物自動化程度增高將減少建筑物供暖、通風和照明系統產生的溫室氣體排放，同時降低運行成本。 目前，三個趨勢正加速這一理想結果的進展。第一，全球適用于商用和家用建筑物的法規正在收緊要求，以滿足能源效率和室內空氣質量等參數的最低標準。 第二，世界各地擁有或運營辦公樓的企業都在為疫情后的世界做出規劃，在這個世界里，更少的人在辦公室工作，更多的人在家工作。 第三，支持豐富數據驅動的人工智能 (AI) 的主流、價格可承受的半導體技術的商業化使機器能夠執行決策操作，這些操作要求對復雜和模糊的數據集（如圖像文件）執行類似人類的理解。 因此，生產暖通空調 (HVAC) 設備、安全和門禁控制設備、照明控制和樓宇自動化系統等產品的 OEM 廠商正急切地尋找機會，在 2020 年估計價值 750 億美元的市場中分一杯羹。 下一代樓宇自動化系統的部分價值將體現在占用檢測、人數統計和測量室內空間溫度的技術中。所有這些功能都可以通過紅外輻射的熱感測來實現。 在這里，技術的進步也帶來了新的功能和更復雜的系統操作，例如照明控制、加熱控制和通風。 高性價比板級熱像儀的出現 遠程遠紅外熱傳感提供了一種在廣泛的波長范圍內檢測發射紅外輻射的物體的理想方法。熱像儀可檢測部分熱輻射光譜，例如波長介于 700 納米和 1,300 納米之間的光譜。熱傳感器不在可見光譜范圍內工作，因此不需要照明，在白天和夜間一樣有效。由于紅外熱傳感器可以遠程準確地測量溫度，因此同一設備即有可能用于檢測人體等傳熱物體，也可能用于測量表面溫度。 這些功能在智能樓宇自動化系統中具有很高的價值，可用于： · 通過檢測會議室等空置空間，并將已預訂房間的用戶與建筑物的可用房間進行匹配，以優化空間使用。這可以使建筑管理者避免過度提供空間導致的浪費。 · 根據房間占用情況自動調節照明和通風。例如，將無人的房間關燈，并增加新鮮空氣流入擁擠的房間以保持空氣質量。 · 自動調節加熱控制，為需要的地方加熱。散熱器的對流加熱效應往往會使房間的邊緣變暖。在較大空間中，房間中間不夠溫暖，而人們通常坐在房間的中間位置。熱傳感器可測量靠近人們的表面的溫度，并調節加熱系統，以確保在房間有人的位置達到目標溫度。 
圖 1：美國地質調查局拍攝的黃石國家公園中的一匹狼的熱成像圖像（公共版權圖片） 直到最近，樓宇自動化中的這些熱占用檢測應用只能有效地利用兩種類型的熱傳感器件，這兩種器件都有嚴重的缺點。一方面，成熟的紅外攝像機或熱像儀提供了非常詳細的場景熱分布視頻圖像，甚至可以讓觀眾看到房間里的人在做什么（見圖 1） 。這在安全和監視設備中很有價值。但在樓宇自動化系統中，人們的隱私受到強有力的法律保護，這意味著使用紅外攝像機將需要嚴格執行繁重的數據保護和安全協議。 由于樓宇自動化系統不需要識別個人或支持對其活動的監控，而且紅外圖像傳感器價格昂貴，因此該技術從根本上是不合適的。 市場上的另一款產品則是簡單的熱釋電紅外 (PIR) 傳感器，大多數人都熟悉它作為觸發安全燈和入侵者警報的運動檢測設備。這些設備很便宜，但無法檢測到靜態的人員。此外，它們僅檢測 10μm 波長附近的發射紅外線的物體的運動，而不測量溫度。 這兩種傳感器類型的特性為另一種傳感器留下了空間，即：可以生成具有足夠詳細溫度數據的熱圖以供使用、且不會損害用戶隱私的傳感器。 這就是 Melexis 試圖用 MLX9064x 系列熱像素陣列傳感器填補的空白。該系列的第一款產品 MLX90640 可生成 764 像素 (32px x 24px) 的熱圖像（見圖 2）。它有兩種版本，一種的視野為 55° x 35°，另一種為 110° x 75°。
圖 2：由 MLX90640 生成、并顯示在富昌電子 Sequana 參考設計板背面的天馬彩色 LCD 上的手部熱圖像（圖片來源：富昌電子） 在辦公室、會議室等大型室內空間中使用時，MLX90640 的 32px x 24px 分辨率低到足以防止識別個人詳細信息，但又足夠使系統計算人數。通過將傳感器視場劃分為像素，傳感器還可以繪制與用戶相關的相對詳細的溫度分布圖。這能夠使溫度設置與用戶在房間內的實際體驗保持一致，而不是滿足與用戶有一定距離的壁掛式恒溫器上設置和測量的全局溫度目標。 MLX90640 采用帶有集成光學器件的標準 4 引腳通孔安裝 TO39 封裝，體積小，可安裝在多種類型的主機設備中，包括天花板安裝燈具、壁掛式或天花板安裝式通風裝置、桌面空氣凈化器，甚至智能揚聲器。 至關重要的是，設計工程師可以非常自信地使用 MLX90640 提供的數據：在 -40°C 至 300°C 的整個測量范圍內提供 ±1°C 典型值的高精度。這種高精度歸功于獨特的 Melexis 像素設計，該設計對紅外信號的噪聲損害非常低：在1Hz的采樣頻率下，噪聲等效溫差 (NETD) 額定值為 0.1Krms�？梢栽� www.youtube.com/watch?v=eF-F-O7KPlU 觀看 MLX90640 的操作演示。 熱像素陣列傳感器的應用注意事項 諸如 Melexis MLX90640 之類的熱像素陣列對實施硬件設計的設計工程師來說沒有任何困難。它只有四個引腳：兩個用于電源，一個用于 I2C 接口的時鐘輸入，一個用于 I2C 串行數據輸入/輸出。
圖 3：富昌電子Sequana Thermal參考設計板，展示 MLX90640（左中）和松下EKMB1393111K 存在探測器（右中）（圖片來源：富昌電子） 在實施適用于應用的固件和軟件時可能會出現困難。通過 I2C 接口，MLX90640 可以提供 764 個像素中每一個像素的溫度數據。詳細的寄存器設置使用戶能夠調整增益、靈敏度、偏移和分辨率等參數。該固件位于傳感器外部，因為它托管在微控制器或應用處理器中。 從頭開始開發此固件將是一項艱巨的工程任務。幸運的是，OEM 廠商可以加快評估時間，因為 Melexis 提供了可在線免費獲得的微控制器驅動程序軟件 [1]。該驅動程序是為如今已廣泛使用的 Arm® Mbed™ 平臺編寫的，并且為許多嵌入式開發工程師所熟悉。 通過使用富昌電子卓越中心開發實驗室推出的新參考設計板，可以進一步加快新樓宇自動化設備設計的概念驗證的開發。新的 Sequana Thermal 系統包括一個熱感應子板（見圖 3），該子板連接到驅動 4.3 英寸彩色 LCD 顯示器的兩個控制器板中的一個。 傳感器子板具有 MLX90640 和 EKMB1393111K 松下 PIR 運動傳感器。在“真實世界”用例中，極低功耗的 PIR 傳感器可用于將 MLX90640 從睡眠模式喚醒，以將傳感系統的功耗保持在最低水平。松下 EKMB 系列中的器件具有多種透鏡選擇，并在 1μA、2μA 或 6μA 的待機電流下運行，以服務于不同的應用。 開發人員可以選擇兩種控制器板：基于意法半導體STM32F746G 32 位微控制器或恩智浦半導體的 i.MX RT1050 跨界應用處理器/微控制器（見圖 4）。Sequana Thermal 系統隨附在 Mbed 平臺上運行的 Melexis 固件，使開發人員能夠立即開始評估熱傳感器在其應用中的性能。由于傳感器產生的熱數據可以顯示在彩色監視器上，也可以通過電路板的 USB 接口導出到主機 PC，因此評估變得更加容易。
圖 4：安裝在 Sequana 嵌入式計算主板上的Sequana Thermal 板（左）（圖片來源：富昌電子） 傳感器子板具有 MLX90640 和 EKMB1393111K 松下 PIR 運動傳感器。在“真實世界”用例中，極低功耗的 PIR 傳感器可用于將 MLX90640 從睡眠模式喚醒，以將傳感系統的功耗保持在最低水平。松下 EKMB 系列中的器件具有多種透鏡選擇，并在 1μA、2μA 或 6μA 的待機電流下運行，以服務于不同的應用。 開發人員可以選擇兩種控制器板：基于意法半導體STM32F746G 32 位微控制器或恩智浦半導體的 i.MX RT1050 跨界應用處理器/微控制器（見圖 4）。Sequana Thermal 系統隨附在 Mbed 平臺上運行的 Melexis 固件，使開發人員能夠立即開始評估熱傳感器在其應用中的性能。由于傳感器產生的熱數據可以顯示在彩色監視器上，也可以通過電路板的 USB 接口導出到主機 PC，因此評估變得更加容易。 小結 通過將 MLX90640 集成到燈具、照明控制或恒溫器等終端產品中，OEM 廠商可以實現復雜的人數統計和熱圖功能。該器件的輸出可以驅動復雜的樓宇管理系統，從而提高用戶舒適度并減少能源浪費，同時避免侵犯隱私的擔憂。 通過使用 Sequana Thermal 板作為概念驗證開始開發基于 MLX90640 的設計，設計人員可以快速了解傳感器在預期應用中的性能。 =================== 參考設計板 電路板型號：富昌電子 Sequana Thermal 參考 [1] Melexis驅動程序軟件：https://github.com/melexis/mlx90640-library.git |
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