據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日美國能源部先進研究計劃局(ARPA-E)宣布了一筆總值2000萬美元的資金支持計劃，將用于開發(fā)15項新型傳感器系統(tǒng)，通過降低住宅和商業(yè)建筑的制冷和制熱需求來顯著降低能耗。美國新墨西哥大學(University of New Mexico)和美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)照明系統(tǒng)和應用中心的研究人員正在合作為商業(yè)場所的人員計數(shù)、定位和跟蹤應用，開發(fā)一種低成本、私密性較高的新型傳感器技術。整個資助計劃將在未來3年，為該項目的開發(fā)和測試提供237.5萬美元的資金。

美國新墨西哥大學(University of New Mexico)和美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)照明系統(tǒng)和應用中心的研究人員正在合作為商業(yè)場所的人員計數(shù)、定位和跟蹤應用，開發(fā)一種低成本、私密性較高的新型傳感器技術

根據(jù)ARPA-E提供的數(shù)據(jù)，全美目前大約有13%的能源被用于建筑內(nèi)的制冷、制熱以及通風系統(tǒng)(HVAC，暖通空調(diào)系統(tǒng))。對于商業(yè)建筑，HVAC是最大的能耗應用，大約占總能耗的37%。可是，那些沒有人員或人員較少的房間，常常因為過度的制熱、制冷或通風，浪費了大量的能源。由于缺乏精準、可靠的人員存在監(jiān)測信息，現(xiàn)有的建筑自動化控制系統(tǒng)還無法從根源上降低HVAC造成的能耗浪費。

ARPA-E提出的“利用人員存在監(jiān)測，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)建筑物節(jié)能減排(SENSOR)”計劃，將通過支持創(chuàng)新的高精準人員存在探測傳感器和計數(shù)器，來優(yōu)化建筑物HVAC系統(tǒng)以降低成本、節(jié)約能耗。

“憑借來自ARPA-E的資助，LESA將能夠基于目前的基礎研究，展示數(shù)字照明的強大性能，它能夠通過空間內(nèi)任意物體的反射光，獲取房間內(nèi)精確的人員存在及活動信息，并且，這種傳感技術不會涉及人員的隱私問題，” LESA負責人兼美國倫斯勒理工學院電子計算機系統(tǒng)工程學院教授 Robert F. Karlicek Jr.說，“在該計劃中，LESA團隊將應用其數(shù)字照明概念，使建筑物實現(xiàn)更高的能效。不過，這還僅是數(shù)字照明逐漸成為智能建筑、醫(yī)療、園藝、5G無線通信和環(huán)境認知等物聯(lián)網(wǎng)平臺基礎的開始。”

據(jù)Karlicek介紹，這款傳感器將基于LESA之前開發(fā)的紅外飛行時間(ToF)測距技術進行進一步開發(fā)，還將利用由LESA的院校合作伙伴美國新墨西哥大學開發(fā)并申請專利的plenoptic(捕捉某場景內(nèi)發(fā)射出的所有光場信息的光場)探測技術，并將集成由LESA光電照明和通信團隊所開發(fā)的傳感器信號處理電路。

“這款微型低成本ToF傳感器陣列可以安裝在照明設施或天花板上，” Karelicek說，“然后，房間內(nèi)部署的多個傳感器可以搭建一個小型的傳感器網(wǎng)，通過連續(xù)掃描整個房間的距離信息，可以精準地構建房間內(nèi)人員的數(shù)量、位置和活動地圖。由于它不能成像識別人員，因此，不會涉及侵犯隱私問題。”

新墨西哥大學將利用其開發(fā)并已經(jīng)在近期獲得美國專利授權的(US9766123)集成光學技術，研究開發(fā)一款能夠提供多個空間分離ToF信號的傳感器陣列。新墨西哥大學的技術采用了一種光柵耦合波導技術作為光譜和角度濾波器。其輸入耦合區(qū)域從硅探測區(qū)域分離，以提供獨特的plenoptic傳感器，能夠提供無與倫比的光譜和角分辨率，并且，這款傳感器還與成熟的硅集成電路制造技術完全兼容，因而能夠確保較低的制造成本。

據(jù)研究人員稱，通過建筑內(nèi)傳感器網(wǎng)絡獲取的人員運動和位置信息，能夠持續(xù)提供精準的屋內(nèi)人員數(shù)量信息。再利用特殊的傳感器算法進行人員跟蹤，以避免人員在傳感器之間移動時出現(xiàn)短暫的信息丟失，由此可以減少傳感器網(wǎng)絡搭建所需要的傳感器數(shù)量。新的ToF成像處理算法將在LESA之前開發(fā)的ToF傳感技術上做進一步開發(fā)，以充分利用雙方聯(lián)合開發(fā)的plenoptic ToF芯片的新性能。

據(jù)LESA產(chǎn)業(yè)成員ABB介紹，該系統(tǒng)會將人員存在數(shù)據(jù)發(fā)送至建筑自動控制系統(tǒng)，從而更高效地控制建筑內(nèi)的HVAC能耗，以最大限度的提高建筑整體能效。該系統(tǒng)的目標是以最經(jīng)濟最合理的成本，為建筑物內(nèi)的人員提供最優(yōu)化的舒適環(huán)境。ABB將通過其美國研發(fā)機構與LESA團隊緊密合作，利用EnergyPlus模型和硬件仿真測試來驗證傳感器的性能，以及各種辦公環(huán)境的節(jié)能數(shù)據(jù)。ABB團隊還將全力支持這款新型紅外ToF傳感器系統(tǒng)(美國能源部ARPA-E SENSOR計劃的重要成果)的商業(yè)化。