【導讀】居有定所，是人類文明發展的一個重要標志。從那之后，建筑也就伴隨著人類進步的腳步不斷更上層樓。人們對于建筑的要求，在“遮風避雨、安全防護”等基本功能之外，也在不斷擴展。公元前一世紀古羅馬建筑師維特魯威提出的“實用、堅固、美觀”建筑三要素，曾經被奉為圭臬，而時至今日，“健康建筑”的概念正在蔚然成風，未來的建筑正在被賦予新的內涵和外延。
何為健康建筑？
對于“健康建筑”（也被稱為“建筑可持續性”）的概念，一個被普遍引用的定義，來自2000年健康建筑國際年會。其將健康建筑定義為“一種體現在住宅室內住宅區的居住環境的方式，不僅包括物理測量值，如溫度、通風換氣效率、噪音、照度、空氣品質等，還需包括主觀性心理因素，如平面和空間布局、環境色調、私密保護、視野景觀、材料選擇等，另外加上工作滿意度、人際關系等”。在此之后，健康建筑的理念逐漸被廣泛地認可和接受。
為了評估一個建筑是否“健康”，人們也制訂出了相應的標準。比如美國的WELL建筑標準，就通過空氣、水、營養、光、健身、舒適、精神等七大類別，共計105個細項對于健康建筑進行評估分級。中國也在2017年推出了《健康建筑評價標準》，從生理、心理、社會三個方面對健康建筑的要素進行了明確的規定。
如果我們仔細審視上述這些圍繞健康建筑的定義，就會發現，實際上無論這些定義如何變化，其核心要義就是要通過科技的手段，處理好建筑、環境和人之間的關系，使得三者之間形成良性的互動，微觀上確保人在建筑中身心健康地工作和生活，宏觀上使得建筑之于社會環境和自然環境不會產生沖突和矛盾，進而能夠形成一個可持續的發展模式。
健康建筑的技術基石
有了這樣的認知，下一步大家需要考慮的，就是如何讓建筑“健康”起來。實際上，目前人們圍繞健康建筑的種種努力，從技術的角度去分析，很多都可歸屬在樓宇自動化或者智能建筑的范疇。兩者的努力方向其實是一致的，而不同之處主要在于：健康建筑更多地是描畫了一個愿景目標，強調的是最終努力所要達成的結果；而樓宇自動化或者智能建筑，更多是聚焦在這個過程中的技術路徑和實現方案。
目前在健康建筑的實現過程中，大家的著力點主要圍繞著以下三個方面：
環境
對于建筑物中環境的測量，是實現建筑智能化和自動化的基礎。對于空氣、溫濕度、通風換氣效率、噪音、照度、空氣品質等環境因素中物理量的測量結果，最終都會沉淀為有價值的數據，使得建筑可以建立基于大數據的準確洞察，最終形成科學的決策和精準的“行動”，確保建筑中“人”的生理和心理健康，以及建筑的高效、可持續運轉。
能源
有數據顯示，全球與能源相關的CO2排放中，約有28%來自樓宇供電，由此不難理解能效管理對于建筑可持續性的重要性。這不僅意味著要在新的建筑中采用新的能源技術和方案，也需要考慮對已有“老”建筑的能源基礎設施進行升級改造。這就要求相關的技術和方案不僅要在性能、可靠性等基本面上經得住考驗，而且還要有足夠的彈性和可擴展性。
人
對于人（也就是建筑最終用戶）的關注，可以說是健康建筑概念中最核心的部分。這既是所有舉措的出發點，也是其最終的落腳點。這使得對于建筑中人的行為，人與建筑之間、人與人之間關聯性的監測和分析，成了健康建筑構建中不可或缺的一環。人的活動和狀態，是其中的關鍵數據——比如根據人數多寡調節燈光、空調等智能設備——這很容易理解；與此同時，在COVID-19疫情期間，這些數據也有助于建筑中的人員保持安全的社交距離，具有特殊的意義。
圍繞著以上三個方面的需求，我們不難發現構筑健康建筑所需的幾塊關鍵的“技術基石”，那就是：環境監測、能效技術和人員統計。隨著健康建筑理念的興起和廣泛滲透，相關領域的技術賽道也已經熱鬧起來。
一直以來，關注建筑可持續性的技術廠商，如Analog Devices（ADI），都在圍繞著這些關鍵領域提供與時俱進的產品和解決方案，也逐漸形成了豐富的“開發工具箱”。今天，我們就從ADI的健康建筑“開發工具箱”中選取幾件開發利器，推薦給大家。從中，我們也可以窺見當今健康建筑領域的技術熱點、挑戰和對策。
環境監測
上文提到，環境監測是健康建筑重要的技術基石之一。想要實現這一目標，就需要使用大量的傳感器采集環境中的模擬信號并將其轉化成數字信號。而在實際的應用中，這類環境小信號的傳感解決方案（如溫濕度、電化學傳感等）會面臨著許多挑戰。例如：如何實現復雜信號鏈設計以實現精確可靠的檢測，如何應對傳感器隨時間漂移造成的可靠性挑戰，以及如何高效地滿足運維使用中的校準要求等等。
圖1：健康建筑中的環境監測場景
（圖源：ADI）
ADI充分利用自己在信號鏈領域的技術優勢，為健康建筑環境監測提供了一系列傳感解決方案。比如ADI的ADT7320數字溫度傳感器，它是一款精度為±0.25°C的SPI數字溫度傳感器，不需要用戶校正或校準，易于長期使用。
圖2：ADT7320數字溫度傳感器
（圖源：ADI）
該產品內置一個帶隙基準電壓源、一個溫度傳感器和一個16位ADC，能夠以0.0078°C的分辨率對溫度進行監控和數字化管理，而且在-40°C至+150°C很寬的溫度范圍內都具有出色性能。
ADT7320的工作電壓范圍為2.7V至5.5V，工作電壓為3.3V時，平均供電電流的典型值為210μA。在關斷模式下，典型關斷電流僅為2μA，具有不俗的低功耗特性。
借助SPI串行接口，設計人員可以對該數字溫度傳感器的分辨率等特性進行設置，以滿足不同應用的要求。同時，ADT7320還支持可編程的過熱/過冷中斷，為設計帶來更大的靈活性和可靠性。
總之，ADT7320這款數字溫度傳感器精度高、易于使用、功耗低、具有極佳的長期穩定性和可靠性，可以說是健康建筑環境監測方案中的標桿性產品。
能源技術
實現建筑的可持續性，意味著大量數字化智能設備的引入，這就使得建筑中的電網承受著巨大的壓力，也需要其具有更強的彈性。
ADI的能源解決方案，可以準確地監測到使用點的能耗，且無需復雜的校準，非常方便。以這種實時、準確的洞察力作為依據，就可以令建筑中的智能設備自動做出響應，并持續衡量節能效果，不斷地優化，實現可持續的節能減排目標。
圖3：健康建筑中的能源監測應用
（圖源：ADI）
想要應對不斷提升的健康建筑能源監測需求，ADI的ADE9153A高精度單相電能計量IC是個不錯的選擇。ADE9153A包含三個高性能ADC，信噪比 (SNR) 為88dB，可提供一系列高級計量功能，包括線路電壓和電流測量、有功電能測量、基本無功電能測量、視在能量計算，以及電流和電壓有效值計算。ADE9153A還支持電源質量測量，例如過零檢測、線路周期計算、角度測量、驟降和暫升、峰值和過流檢測以及功率因數測量。
該器件的每個輸入通道都支持獨立且靈活的增益級——電流通道A適用于并聯，具有靈活的增益級并提供從峰值62.5mV至26.04mV的滿量程輸入范圍；電流通道B具有1×、2×和4×增益級，適用于電流互感器 (CT)。此外，高速10MHz串行外設接口 (SPI) 端口允許訪問ADE9153A寄存器。
圖4：ADE9153A高精度單相電能計量IC
（圖源：ADI）
在精準測量這一“基本功”的基礎上，ADE9153A最大的亮點還在于其具有mSure??自動校準功能——在使用并聯電阻器作為電流傳感器的情況下，mSure??自動校準功能允許計量器自動校準電流和電壓通道（支持1級和2級計量器），而無需使用精確電源或精確基準電壓源計量器。也就是說，這種特殊的自動校準能力，使得基于ADE9153A的電能監測設備可以方便地部署在建筑的各個地方，而無需擔心后期繁瑣的校準工作以及由此帶來的成本。
人數統計
傳統的樓宇自動化中，圍繞著“物”的物理量檢測是重點；而健康建筑則在此基礎上，更加強調對建筑中“人”的關注。人數統計，就是讓這一理念切實的重要技術手段。
人數統計能夠為健康樓宇帶來的價值，歸納起來有四個方面：
首先，通過了解特定空間的使用情況和人員數量，樓宇管理者（或者智能建筑自身）可以做出更明智的決策，比如按需提供照明或空調的使用，將節能減排效果最大化。
其次，根據人數統計，可以對空間設計和布局進行優化，確保置身其中的用戶身心愉悅，從而提高工作效率，提升生活品質。
第三，在COVID-19大流行的情況下，人數統計也是防疫的必要環節，它在控制人員密度，分析人員時空交集等方面，都有很重要的意義。
此外，人數統計的數據還可以與其他傳感器數據融合，催生出更多新的應用場景。
圖5：健康建筑中的人數統計技術應用場景
（圖源：ADI）
EagleEye?試驗套件是ADI開發的一款基于邊緣計算的完整人數統計端到端硬件和軟件解決方案。該套件集成了ADI EagleEye DSP子系統（基于ADSP-BF707 Blackfin數字信號處理器）、基于 Arm Cortex的MCU子系統（采用ADSPBF707BBCZ4-EGE）、閃存、專用的分析算法和應用固件，搭配一個視覺傳感器（Chicony CYFI013模塊），可為房間和開放空間提供基于2D視覺的人數統計和位置檢測解決方案。同時，EagleEye?套件還可基于藍牙接口通過平板電腦應用程序進行調試，并可通過Wi-Fi將元數據上傳到云端，進行更全面的分析洞察。
圖6：EagleEye?人數統計試驗套件
（圖源：ADI）
總的來講，EagleEye?解決方案的主要優勢包括：
實時精準的數據：經過驗證的軟硬件方案，具有出色的處理速度和準確性，并可提供可靠的報告功能。
安全性和私密性：由于僅在傳感器端分析數據，不會披露用戶個人身份信息，可以確保100%的私密性和安全性。
帶寬要求低：整個方案的功耗和帶寬要求低，有利于在同一網絡上部署多臺設備并高效運行。
易于集成：可以無縫集成到不同供應商的系統中，為現有系統提供額外功能。
自定義檢測區域：通過傳感器設置，可以設定需要進行人數統計的特定區域和排除區域，進而提供更靈活、更智能的解決方案。
圖7：EagleEye?人數統計方案系統框圖
（圖源：ADI）
上述這些技術優勢，使得EagleEye?解決方案可以被方便地集成到健康建筑的各種應用場景中，滿足用戶的要求。
結語
更安全、更舒適、更高效、更節能、可持續……人們對健康建筑的期望，正在技術的推動下逐漸變為現實，而且也正在被行業標準以及法律法規固化下來，成為未來越來越多建筑的標配。
值得關注的是，搭建傳統的建筑，需要的是鋼筋水泥，而健康建筑的營造，則需要有全新的“技術基石”。好消息是，得益于ADI等技術供應商的努力，這樣的技術基石以及更豐富的“建筑材料”已經擺在你面前，現在就可以動手，打造你心目中理想的智能建筑啦！
相關技術資源
● ADT7320數字溫度傳感器，了解詳情>>
● ADE9153A高精度單相電能計量IC，了解詳情>>
● EagleEye?人數統計解決方案，了解詳情>>
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