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來(lái)源：富昌電子 作者：Alex Watson，EMEA傳感器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理 在過(guò)去 50 年里，閣樓和墻體保溫、雙層玻璃和 LED 照明共同顯著(zhù)降低了住宅和商業(yè)建筑的熱能和電能消耗。但是，盡管取得了這些進(jìn)步，建筑物管理仍然存在各種低效問(wèn)題。 例如，未充分利用的空間意味著(zhù)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(wú)人的情況下，空間也會(huì )被照明和供暖。而且傳統的室內供暖技術(shù)無(wú)法有效地為空間使用者帶來(lái)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(huán)節：人。不幸的是，人們經(jīng)常在離開(kāi)房間時(shí)不關(guān)燈，預訂了會(huì )議室而未舉行會(huì )議，以及在進(jìn)入寒冷的房間時(shí)將目標溫度設置得太高。 這意味著(zhù)，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(dòng)化程度增高將減少建筑物供暖、通風(fēng)和照明系統產(chǎn)生的溫室氣體排放，同時(shí)降低運行成本。 目前，三個(gè)趨勢正加速這一理想結果的進(jìn)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(mǎn)足能源效率和室內空氣質(zhì)量等參數的最低標準。 第二，世界各地擁有或運營(yíng)辦公樓的企業(yè)都在為疫情后的世界做出規劃，在這個(gè)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(dòng)的人工智能 (AI) 的主流、價(jià)格可承受的半導體技術(shù)的商業(yè)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(lèi)似人類(lèi)的理解。 因此，生產(chǎn)暖通空調 (HVAC) 設備、安全和門(mén)禁控制設備、照明控制和樓宇自動(dòng)化系統等產(chǎn)品的 OEM 廠(chǎng)商正急切地尋找機會(huì )，在 2020 年估計價(jià)值 750 億美元的市場(chǎng)中分一杯羹。 下一代樓宇自動(dòng)化系統的部分價(jià)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(shù)中。所有這些功能都可以通過(guò)紅外輻射的熱感測來(lái)實(shí)現。 在這里，技術(shù)的進(jìn)步也帶來(lái)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(fēng)。 高性?xún)r(jià)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(cháng)范圍內檢測發(fā)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(cháng)介于 700 納米和 1,300 納米之間的光譜。熱傳感器不在可見(jiàn)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(dòng)化系統中具有很高的價(jià)值，可用于： · 通過(guò)檢測會(huì )議室等空置空間，并將已預訂房間的用戶(hù)與建筑物的可用房間進(jìn)行匹配，以?xún)?yōu)化空間使用。這可以使建筑管理者避免過(guò)度提供空間導致的浪費。 · 根據房間占用情況自動(dòng)調節照明和通風(fēng)。例如，將無(wú)人的房間關(guān)燈，并增加新鮮空氣流入擁擠的房間以保持空氣質(zhì)量。 · 自動(dòng)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(huì )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(zhì)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(dòng)化中的這些熱占用檢測應用只能有效地利用兩種類(lèi)型的熱傳感器件，這兩種器件都有嚴重的缺點(diǎn)。一方面，成熟的紅外攝像機或熱像儀提供了非常詳細的場(chǎng)景熱分布視頻圖像，甚至可以讓觀(guān)眾看到房間里的人在做什么（見(jiàn)圖 1） 。這在安全和監視設備中很有價(jià)值。但在樓宇自動(dòng)化系統中，人們的隱私受到強有力的法律保護，這意味著(zhù)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(xié)議。 由于樓宇自動(dòng)化系統不需要識別個(gè)人或支持對其活動(dòng)的監控，而且紅外圖像傳感器價(jià)格昂貴，因此該技術(shù)從根本上是不合適的。 市場(chǎng)上的另一款產(chǎn)品則是簡(jiǎn)單的熱釋電紅外 (PIR) 傳感器，大多數人都熟悉它作為觸發(fā)安全燈和入侵者警報的運動(dòng)檢測設備。這些設備很便宜，但無(wú)法檢測到靜態(tài)的人員。此外，它們僅檢測 10μm 波長(cháng)附近的發(fā)射紅外線(xiàn)的物體的運動(dòng)，而不測量溫度。 這兩種傳感器類(lèi)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(huì )損害用戶(hù)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(chǎn)品 MLX90640 可生成 764 像素 (32px x 24px) 的熱圖像（見(jiàn)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(lái)源：富昌電子） 在辦公室、會(huì )議室等大型室內空間中使用時(shí)，MLX90640 的 32px x 24px 分辨率低到足以防止識別個(gè)人詳細信息，但又足夠使系統計算人數。通過(guò)將傳感器視場(chǎng)劃分為像素，傳感器還可以繪制與用戶(hù)相關(guān)的相對詳細的溫度分布圖。這能夠使溫度設置與用戶(hù)在房間內的實(shí)際體驗保持一致，而不是滿(mǎn)足與用戶(hù)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(xué)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(lèi)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(fēng)裝置、桌面空氣凈化器，甚至智能揚聲器。 至關(guān)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(gè)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(guān)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(lèi)的熱像素陣列對實(shí)施硬件設計的設計工程師來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何困難。它只有四個(gè)引腳：兩個(gè)用于電源，一個(gè)用于 I2C 接口的時(shí)鐘輸入，一個(gè)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(lái)源：富昌電子） 在實(shí)施適用于應用的固件和軟件時(shí)可能會(huì )出現困難。通過(guò) I2C 接口，MLX90640 可以提供 764 個(gè)像素中每一個(gè)像素的溫度數據。詳細的寄存器設置使用戶(hù)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(kāi)始開(kāi)發(fā)此固件將是一項艱巨的工程任務(wù)。幸運的是，OEM 廠(chǎng)商可以加快評估時(shí)間，因為 Melexis 提供了可在線(xiàn)免費獲得的微控制器驅動(dòng)程序軟件 [1]。該驅動(dòng)程序是為如今已廣泛使用的 Arm® Mbed™ 平臺編寫(xiě)的，并且為許多嵌入式開(kāi)發(fā)工程師所熟悉。 通過(guò)使用富昌電子卓越中心開(kāi)發(fā)實(shí)驗室推出的新參考設計板，可以進(jìn)一步加快新樓宇自動(dòng)化設備設計的概念驗證的開(kāi)發(fā)。新的 Sequana Thermal 系統包括一個(gè)熱感應子板（見(jiàn)圖 3），該子板連接到驅動(dòng) 4.3 英寸彩色 LCD 顯示器的兩個(gè)控制器板中的一個(gè)。 傳感器子板具有 MLX90640 和 EKMB1393111K 松下 PIR 運動(dòng)傳感器。在“真實(shí)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(wù)于不同的應用。 開(kāi)發(fā)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(jiàn)圖 4）。Sequana Thermal 系統隨附在 Mbed 平臺上運行的 Melexis 固件，使開(kāi)發(fā)人員能夠立即開(kāi)始評估熱傳感器在其應用中的性能。由于傳感器產(chǎn)生的熱數據可以顯示在彩色監視器上，也可以通過(guò)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(lái)源：富昌電子） 傳感器子板具有 MLX90640 和 EKMB1393111K 松下 PIR 運動(dòng)傳感器。在“真實(shí)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(wù)于不同的應用。 開(kāi)發(fā)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(jiàn)圖 4）。Sequana Thermal 系統隨附在 Mbed 平臺上運行的 Melexis 固件，使開(kāi)發(fā)人員能夠立即開(kāi)始評估熱傳感器在其應用中的性能。由于傳感器產(chǎn)生的熱數據可以顯示在彩色監視器上，也可以通過(guò)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(guò)將 MLX90640 集成到燈具、照明控制或恒溫器等終端產(chǎn)品中，OEM 廠(chǎng)商可以實(shí)現復雜的人數統計和熱圖功能。該器件的輸出可以驅動(dòng)復雜的樓宇管理系統，從而提高用戶(hù)舒適度并減少能源浪費，同時(shí)避免侵犯隱私的擔憂(yōu)。 通過(guò)使用 Sequana Thermal 板作為概念驗證開(kāi)始開(kāi)發(fā)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(dòng)程序軟件：https://github.com/melexis/mlx90640-library.git |
