我們離窯洞已經(jīng)很遠(yuǎn)了。幾千年來，建造的房屋和建筑物都有氣流、排水、供暖、制冷和照明。然而，這些系統(tǒng)的實(shí)施方式已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，并且正在再次發(fā)生變化。

用于供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 監(jiān)測(cè)和控制的較舊的被動(dòng)和機(jī)械技術(shù)讓位于包含較新的最先進(jìn)混合信號(hào)傳感解決方案的數(shù)字解決方案。設(shè)計(jì)工程師可以利用這些來提供更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和控制，并允許通過物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 進(jìn)行遠(yuǎn)程驗(yàn)證、診斷和監(jiān)測(cè)。

一個(gè)改變的世界

封鎖和隔離等全球性事件最近將我們的注意力重新集中在供暖、制冷，尤其是氣流和空氣質(zhì)量上。較舊的建筑物表明，生物侵?jǐn)_可以在潮濕、黑暗的地方（如氣流管道）大量繁殖。舊的機(jī)械控制系統(tǒng)無法準(zhǔn)確監(jiān)控溫度、濕度、流速、壓力和整個(gè)系統(tǒng)的完整性。

盡管機(jī)電和模擬傳感器已經(jīng)面世相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，但將它們集成到數(shù)字控制環(huán)境中的能力在標(biāo)準(zhǔn)化方面進(jìn)展緩慢。設(shè)計(jì)工程師使用了多種技術(shù)來監(jiān)視、控制和校準(zhǔn)，每個(gè)工程師都根據(jù)自己的約束使用自己喜歡的方法。

例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的氣流閾值檢測(cè)器可以是一個(gè)擋板開關(guān)，它僅檢測(cè)空氣是否在流動(dòng)（圖 1和圖 2）。即使氣流被慢慢堵塞的過濾器限制，它也會(huì)跳閘。在某些時(shí)候，過濾器會(huì)非常堵塞，擋板開關(guān)不會(huì)跳閘。到此時(shí)，氣流系統(tǒng)的功效已經(jīng)長(zhǎng)期受到損害，氣流鼓風(fēng)機(jī)承受了壓力和應(yīng)變。

圖 1：機(jī)電氣流驗(yàn)證指示氣流何時(shí)受限，例如，過濾器堵塞。（來源：貿(mào)澤電子）

圖 2：數(shù)字傳感器系統(tǒng)即使在不斷變化的環(huán)境條件下也能監(jiān)控系統(tǒng)性能，并在系統(tǒng)故障發(fā)生前提醒操作員。（來源：貿(mào)澤電子）

另一方面，經(jīng)過校準(zhǔn)的溫度和濕度補(bǔ)償數(shù)字氣流傳感器可以監(jiān)測(cè)降解氣流的曲線。這些數(shù)字氣流傳感器可以編程為在氣流變得過于狹窄之前提醒建筑主管，并且還可以防止鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)消耗過多電流和變熱，從而延長(zhǎng)電機(jī)和系統(tǒng)的使用壽命。

例如，Amphenol ELV 模擬和數(shù)字壓力傳感器具有模擬輸出、數(shù)字串行外設(shè)接口 (SPI) 或 I 2 C 串行輸出，具有絕對(duì)和差分版本，精度為 0.25%，分辨率為 14 位。這些現(xiàn)成的校準(zhǔn)設(shè)備跨越 0.5psi 到 150psi (3.45kPa-1034kPa) 的范圍，并且可以承受高達(dá) 245 ° C 的溫度。電源工作電壓選項(xiàng)包括 3V、3.3V 和 5V，以及 0% 至 95% 相對(duì)濕度 (RH) 的非冷凝濕度限制。可以為惡劣環(huán)境應(yīng)用訂購(gòu)保護(hù)性聚對(duì)二甲苯涂層選件。這些數(shù)字壓力傳感器可以輕松融入您的下一個(gè)設(shè)計(jì)。

串行傳感器

在每個(gè)傳感器和執(zhí)行器之間運(yùn)行線束會(huì)降低可靠性并增加復(fù)雜性，連接越多，可靠性越低。因此，串行傳感器系統(tǒng)已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。RS-485、RS-232、受控區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 總線、I 2 C 和 SPI 的使用意味著傳感器系統(tǒng)可以完全由幾根電線供電和控制。數(shù)字控制系統(tǒng)還可以檢測(cè)串行傳感器是否沒有響應(yīng)。這允許控制系統(tǒng)結(jié)合保護(hù)電路和建筑物的安全機(jī)制。

另一個(gè)好處是串行傳感器可以菊花鏈。設(shè)計(jì)工程師不必在電路板上為每個(gè)傳感器添加連接器和電纜，也不需要為最遠(yuǎn)的傳感器鋪設(shè)特別長(zhǎng)的電纜。

具有 Modbus 的 Amphenol Advanced Sensors Telaire T9501 IP67 RH & T 傳感器就是這樣一個(gè)經(jīng)過初始化和加固的系列示例（圖 3）。這些經(jīng)過全面校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅飨到y(tǒng)防水等級(jí)達(dá)到 IP67 規(guī)格，可以通過菊花鏈連接 Modbus 和 RS-485 信號(hào)以簡(jiǎn)化互連。它們還具有 14 位分辨率和 +/- 2% RH 和 0.5% 溫度精度。

圖 3：這種堅(jiān)固且密封的相對(duì)濕度和溫度傳感器可使用串行 Modubus 和 RS485 信號(hào)輕松集成到現(xiàn)代 HVAC 系統(tǒng)中，并且經(jīng)過校準(zhǔn)且準(zhǔn)確無誤。（來源：安費(fèi)諾）

相反，傳感器系統(tǒng)可以充當(dāng)擴(kuò)展單個(gè)通信收發(fā)器的信號(hào)中繼器（圖 3）。為消除公共電纜上的 IR 壓降，交流電可沿串行傳感器總線傳輸并在本地整流以為傳感器子系統(tǒng)供電。

菊花鏈?zhǔn)酱锌偩€拓?fù)淇梢曰ミB長(zhǎng)串傳感器模塊（圖 4）。每個(gè)都充當(dāng)來自端點(diǎn)傳感器的中繼器（循環(huán)返回）以向微控制器返回強(qiáng)信號(hào)。交流電源由每個(gè)傳感器在本地整流，以克服布線中的 IR 損耗。

圖 4：菊花鏈?zhǔn)酱锌偩€拓?fù)淇梢曰ミB長(zhǎng)串傳感器模塊。每個(gè)都充當(dāng)來自端點(diǎn)傳感器的中繼器（循環(huán)返回）以向微控制器返回強(qiáng)信號(hào)。交流電源由每個(gè)傳感器在本地整流，以克服布線中的 IR 損耗。（來源：貿(mào)澤電子）

請(qǐng)注意，使用這種方法，每個(gè)傳感器都需要單獨(dú)處理。I 2 C 傳感器每個(gè)都有唯一的地址，但 RS-485、RS-232 和 SPI 傳感器將需要本地智能。幸運(yùn)的是，小型、低成本和低功耗的微控制器可以很容易地集成到特定的傳感器中，從而為傳感器系統(tǒng)增加一個(gè)新級(jí)別的自測(cè)試和診斷功能。

本地和全球訪問

工程師明白，需要對(duì)建筑物的溫度、濕度、照明和氣流進(jìn)行本地訪問和控制。甚至多個(gè)區(qū)域也需要單獨(dú)控制。以一家可能擁有數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)房間的旅館為例。每個(gè)房間都需要自己的環(huán)境控制，因?yàn)槊總€(gè)人都有自己的舒適要求。一些老年人可能希望將他們的酒店房間設(shè)置為溫暖的 27°C，但一般人不想呆在炎熱的酒店房間里。

本地訪問是必須的，但是全局或遠(yuǎn)程訪問呢？酒店房間很可能不需要全局訪問，但本地公用事業(yè)可能需要遠(yuǎn)程訪問。來自電力公司的峰值需求負(fù)載限制使得需要限制設(shè)施的實(shí)時(shí)總電力消耗以避免支付過高的價(jià)格。

在這種情況下，可以控制和排序某些非關(guān)鍵系統(tǒng)，使其不超過閾值或?qū)崟r(shí)用電量。盡管峰值需求負(fù)荷在今天并不是一項(xiàng)普遍實(shí)施的規(guī)定，但它即將到來，尤其是在一個(gè)對(duì)能源效率和溫室氣體排放越來越敏感的世界里。

其他因素

安全性以及防止黑客攻擊和惡作劇的能力勢(shì)在必行。無論您是在酒店房間還是在工廠工作，您都不希望受到不必要的訪問。

技術(shù)數(shù)字化的另一個(gè)因素是使用智能人工智能系統(tǒng)學(xué)習(xí)特征和行為的能力。在我們的酒店房間示例中，智能傳感器可以檢測(cè)到房客何時(shí)離開房間。可以關(guān)閉環(huán)境控制并節(jié)省大量能源。當(dāng)住客進(jìn)入酒店時(shí)，射頻識(shí)別 (RFID) 可以檢測(cè)并打開環(huán)境控制。

例如，還可以通過監(jiān)控壓縮機(jī)的冷卻劑壓力來節(jié)省能源。在某個(gè)時(shí)候，它會(huì)變得飽和，持續(xù)運(yùn)行不會(huì)使其變冷。盡早關(guān)閉它可以節(jié)省能源，而且?guī)缀鯖]有任何不利影響。

據(jù)了解，人工智能還可以確定哪些服務(wù)可以在不影響整體性能的情況下暫時(shí)關(guān)閉。例如，可以暫時(shí)關(guān)閉熱水器以允許鼓風(fēng)機(jī)打開。開啟時(shí)，它會(huì)消耗大量浪涌電流，超過峰值需求負(fù)載限制，但一旦鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，電流消耗正常，熱水器就可以再次開啟。沒有明顯的服務(wù)中斷，但節(jié)省了能源和金錢。

結(jié)論

隨著社會(huì)重新將注意力集中在供暖、制冷、氣流和空氣質(zhì)量上，為我們的家庭和建筑物增加智能可能會(huì)在減少我們的消耗和排放方面發(fā)揮重要作用，尤其是在世界人口增加和資源減少的情況下。我們已經(jīng)看到模擬傳感器可用了一段時(shí)間，但將它們集成到數(shù)字控制環(huán)境中也面臨著挑戰(zhàn)。串行傳感器系統(tǒng)為工程師帶來了好處。考慮到當(dāng)前的數(shù)字環(huán)境和隨之而來的要求，這種類型的傳感似乎是有意義的。

審核編輯：湯梓紅