新一代ToF傳感技術(shù)助力節(jié)能減排

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日美國(guó)能源部先進(jìn)研究計(jì)劃局(ARPA-E)宣布了一筆總值2000萬(wàn)美元的資金支持計(jì)劃，將用于開發(fā)15項(xiàng)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(lái)顯著降低能耗。美國(guó)新墨西哥大學(xué)(University of New Mexico)和美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院(Rensselaer Polytechnic Institute)照明系統(tǒng)和應(yīng)用中心的研究人員正在合作為商業(yè)場(chǎng)所的人員計(jì)數(shù)、定位和跟蹤應(yīng)用，開發(fā)一種低成本、私密性較高的新型傳感器技術(shù)。整個(gè)資助計(jì)劃將在未來(lái)3年，為該項(xiàng)目的開發(fā)和測(cè)試提供237.5萬(wàn)美元的資金。

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

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(fēng)系統(tǒng)(HVAC，暖通空調(diào)系統(tǒng))。對(duì)于商業(yè)建筑，HVAC是最大的能耗應(yīng)用，大約占總能耗的37%?？墒?，那些沒有人員或人員較少的房間，常常因?yàn)檫^度的制熱、制冷或通風(fēng)，浪費(fèi)了大量的能源。由于缺乏精準(zhǔn)、可靠的人員存在監(jiān)測(cè)信息，現(xiàn)有的建筑自動(dòng)化控制系統(tǒng)還無(wú)法從根源上降低HVAC造成的能耗浪費(fèi)。

ARPA-E提出的“利用人員存在監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)建筑物節(jié)能減排(SENSOR)”計(jì)劃，將通過支持創(chuàng)新的高精準(zhǔn)人員存在探測(cè)傳感器和計(jì)數(shù)器，來(lái)優(yōu)化建筑物HVAC系統(tǒng)以降低成本、節(jié)約能耗。

“憑借來(lái)自ARPA-E的資助，LESA將能夠基于目前的基礎(chǔ)研究，展示數(shù)字照明的強(qiáng)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(dòng)信息，并且，這種傳感技術(shù)不會(huì)涉及人員的隱私問題，” LESA負(fù)責(zé)人兼美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)院教授 Robert F. Karlicek Jr.說(shuō)，“在該計(jì)劃中，LESA團(tuán)隊(duì)將應(yīng)用其數(shù)字照明概念，使建筑物實(shí)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(wú)線通信和環(huán)境認(rèn)知等物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基礎(chǔ)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(shí)間(ToF)測(cè)距技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)，還將利用由LESA的院校合作伙伴美國(guó)新墨西哥大學(xué)開發(fā)并申請(qǐng)專利的plenoptic(捕捉某場(chǎng)景內(nèi)發(fā)射出的所有光場(chǎng)信息的光場(chǎng))探測(cè)技術(shù)，并將集成由LESA光電照明和通信團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的傳感器信號(hào)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(shè)施或天花板上，” Karelicek說(shuō)，“然后，房間內(nèi)部署的多個(gè)傳感器可以搭建一個(gè)小型的傳感器網(wǎng)，通過連續(xù)掃描整個(gè)房間的距離信息，可以精準(zhǔn)地構(gòu)建房間內(nèi)人員的數(shù)量、位置和活動(dòng)地圖。由于它不能成像識(shí)別人員，因此，不會(huì)涉及侵犯隱私問題。”

新墨西哥大學(xué)將利用其開發(fā)并已經(jīng)在近期獲得美國(guó)專利授權(quán)的(US9766123)集成光學(xué)技術(shù)，研究開發(fā)一款能夠提供多個(gè)空間分離ToF信號(hào)的傳感器陣列。新墨西哥大學(xué)的技術(shù)采用了一種光柵耦合波導(dǎo)技術(shù)作為光譜和角度濾波器。其輸入耦合區(qū)域從硅探測(cè)區(qū)域分離，以提供獨(dú)特的plenoptic傳感器，能夠提供無(wú)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(shù)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(luò)獲取的人員運(yùn)動(dòng)和位置信息，能夠持續(xù)提供精準(zhǔn)的屋內(nèi)人員數(shù)量信息。再利用特殊的傳感器算法進(jìn)行人員跟蹤，以避免人員在傳感器之間移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)短暫的信息丟失，由此可以減少傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)上做進(jìn)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(huì)將人員存在數(shù)據(jù)發(fā)送至建筑自動(dòng)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(biāo)是以最經(jīng)濟(jì)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(guó)研發(fā)機(jī)構(gòu)與LESA團(tuán)隊(duì)緊密合作，利用EnergyPlus模型和硬件仿真測(cè)試來(lái)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)還將全力支持這款新型紅外ToF傳感器系統(tǒng)(美國(guó)能源部ARPA-E SENSOR計(jì)劃的重要成果)的商業(yè)化。