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淺談智慧建築的未來
 

【作者: Ahmad Bahai】   2017年10月19日 星期四

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想像一下,如果建築、倉庫、機場、家庭住宅或工廠能夠實現智慧化和互聯,並且真正做到高效能和動態的自動感測,這些改變將會為我們的工作與生活帶來什麼樣的巨大變化? 事實上,隨著半導體技術的進步,以下的應用場景正離我們越來越近。


倉庫中任何一個貨板都能夠報告貨物品質和重量,並同時處理貨物裝載的歷史記錄。

智慧倉庫將能夠識別每個貨板上所放置的貨物,並追蹤整個庫存清單上的貨物裝載處理記錄。例如,智慧互聯標籤技術對於追蹤零件,以及整個供應和生產製造鏈的供貨處理優化扮演了十分關鍵的角色。


無線連接技術是未來智慧建築和智慧倉庫的另一個關鍵要素。對於機器和供貨的監視、控制與追蹤往往需要一個可擴展的無線網狀網路。而控制環路的實際要求對於無線網路協定也會產生一定的影響。


此外,作為無線網路早期應用之一的資產追蹤在範圍和定位特性等方面也有一些額外的要求。不過,以上應用都有著無線節點的超低功耗以及充足的處理能力,因為大多數應用的無線節點在使用壽命內都會避免更換電池的步驟。



圖1 : 管理員只需要一部智慧型手機,就能監測到建築或工廠內實際運作的狀態。(source: fabricatingandmetalworking)
圖1 : 管理員只需要一部智慧型手機,就能監測到建築或工廠內實際運作的狀態。(source: fabricatingandmetalworking)

一棟建築或一家工廠內的所有機器和閘閥都能夠自動報告運作狀態或預報任何即將出現的故障,同時管理員只需要一部智慧型手機,就能監測到故障閘閥中的漏水點或追蹤插座中微安培的電力浪費。


在機器當機會造成高額損失或使業務中斷的工業或商業設施中,預測性維護至關重要。目前,各式各樣的感測模式能夠與先進的演算法組合在一起,而其中的感測技術為實現可靠和高效運轉的智慧工廠打下了扎實的基礎。一個現代的超聲波或電磁流量計能夠檢測液體或氣體流動中任何微小的振動,從而快速探測出氣體和液體損耗,並迅速確定其外洩的位置。智慧斷路器能夠報告能源使用概況,或線路中潛在的電流外洩。


辦公大樓窗戶上的智慧玻璃是一塊透明的太陽能板,或是能夠優化能源使用的「能源路由器」。

智慧建築將透過使用高效太陽能板或其他替代能源(例如結合液流電池的燃料電池)來優化能耗。能源的高效生成、使用和儲存可以在不影響品質或生產率的情況下使能源成本大大降低。智慧建築也將透過電網電力和替代能源的組合電源,以及結合那些需要頻繁進行能源轉換的大容量能源儲存設施來進行供電。


為了節約能源,轉換的效率和負載感知變相當重要。高性能轉換器和逆變器需要高效的高壓功率電晶體和智慧驅動器/控制器。具有數位控制環路的智慧電源解決方案,能幫助從電網電力到能源儲存的AC/DC能源轉換,以及將儲存能源或太陽能板蒐集到的能源轉換為AC負載的DC/AC能源逆變系統。


全新裝置將有可能實踐高效雙向的能源轉換。未來,建築物將安裝「能源路由器」,把來源不同、形式各異的能源引至不同負載,這一點與進行數據上傳和下載的數據路由器相似。


一棟智慧辦公大樓可以根據工位布置迅速調節供熱、光照、通風、會議室空間和視聽需求,而在未來的某一天,建築物的玻璃表面將會變得更鮮活生動,成為漫遊顯示的一部分。


先進的半導體感測技術進步逐漸實際應用在智慧建築中,且能夠在環境感測型建築內執行資源的動態追蹤與管理。在場感測器、熱能和化學感測器、視覺感測器、流量計量以及許多其他類型的感測器正廣泛的應用於許多現代商用設施中,使得智慧建築的保護和安全性也大幅提升。包括照相機、超聲波、光學和雷達感測器在內的互聯視覺感測器佈署,使智慧建築中幾乎不存在監控死角。此外,先進的氣體和散熱感測器還能夠追蹤和分析有害外洩化學物質,進而精確地探測出有害外洩或危險產生的潛在區域。



圖2 : 一棟智慧辦公大樓可以根據工位布置迅速調節供熱、光照、通風、會議室空間和視聽需求。(source: ledesigngroup)
圖2 : 一棟智慧辦公大樓可以根據工位布置迅速調節供熱、光照、通風、會議室空間和視聽需求。(source: ledesigngroup)

在一棟常見的智慧建築設施中設有成千上萬個互聯感測器;這些感測器必須在連接和工作時保持步調一致,以提供可靠的監測和控制。雖然某些較高功率的感測器可以透過乙太網路實現互聯,但更大規模的佈署則需要一個互補型的感測器網路。


大數據處理、超低功耗無線網狀網路、嵌入式感測器技術、低能耗管理監控和其他類比與嵌入式處理電子元件領域內的創新技術匯聚一堂,更加快了智慧建築的實現。


更高的安全性、保護能力、生產率和品質是目前智慧建築的開發人員們採用這項創新技術的原因所在。在未來,智慧建築將真正走進人們的日常生活,並成為不可或缺的一部分。


(本文作者:Ahmad Bahai任職德州儀器技術長)


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