我們離窯洞已經很遠了。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，這些系統的實施方式已經發生了巨大變化，并且正在再次發生變化。

用于供暖、通風和空調 (HVAC) 監測和控制的較舊的被動和機械技術讓位于包含較新的最先進混合信號傳感解決方案的數字解決方案。設計工程師可以利用這些來提供更準確的監測和控制，并允許通過物聯網 (IoT) 進行遠程驗證、診斷和監測。

一個改變的世界

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量上。較舊的建筑物表明，生物侵擾可以在潮濕、黑暗的地方（如氣流管道）大量繁殖。舊的機械控制系統無法準確監控溫度、濕度、流速、壓力和整個系統的完整性。

盡管機電和模擬傳感器已經面世相當長一段時間，但將它們集成到數字控制環境中的能力在標準化方面進展緩慢。設計工程師使用了多種技術來監視、控制和校準，每個工程師都根據自己的約束使用自己喜歡的方法。

例如，一個簡單的氣流閾值檢測器可以是一個擋板開關，它僅檢測空氣是否在流動（圖 1和圖 2）。即使氣流被慢慢堵塞的過濾器限制，它也會跳閘。在某些時候，過濾器會非常堵塞，擋板開關不會跳閘。到此時，氣流系統的功效已經長期受到損害，氣流鼓風機承受了壓力和應變。

圖 1：機電氣流驗證指示氣流何時受限，例如，過濾器堵塞。（來源：貿澤電子）

圖 2：數字傳感器系統即使在不斷變化的環境條件下也能監控系統性能，并在系統故障發生前提醒操作員。（來源：貿澤電子）

另一方面，經過校準的溫度和濕度補償數字氣流傳感器可以監測降解氣流的曲線。這些數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機電機消耗過多電流和變熱，從而延長電機和系統的使用壽命。

例如，Amphenol ELV 模擬和數字壓力傳感器具有模擬輸出、數字串行外設接口 (SPI) 或 I 2 C 串行輸出，具有絕對和差分版本，精度為 0.25%，分辨率為 14 位。這些現成的校準設備跨越 0.5psi 到 150psi (3.45kPa-1034kPa) 的范圍，并且可以承受高達 245 ° C 的溫度。電源工作電壓選項包括 3V、3.3V 和 5V，以及 0% 至 95% 相對濕度 (RH) 的非冷凝濕度限制。可以為惡劣環境應用訂購保護性聚對二甲苯涂層選件。這些數字壓力傳感器可以輕松融入您的下一個設計。

串行傳感器

在每個傳感器和執行器之間運行線束會降低可靠性并增加復雜性，連接越多，可靠性越低。因此，串行傳感器系統已成為事實上的標準。RS-485、RS-232、受控區域網絡 (CAN) 總線、I 2 C 和 SPI 的使用意味著傳感器系統可以完全由幾根電線供電和控制。數字控制系統還可以檢測串行傳感器是否沒有響應。這允許控制系統結合保護電路和建筑物的安全機制。

另一個好處是串行傳感器可以菊花鏈。設計工程師不必在電路板上為每個傳感器添加連接器和電纜，也不需要為最遠的傳感器鋪設特別長的電纜。

具有 Modbus 的 Amphenol Advanced Sensors Telaire T9501 IP67 RH & T 傳感器就是這樣一個經過初始化和加固的系列示例（圖 3）。這些經過全面校準和溫度補償的傳感器系統防水等級達到 IP67 規格，可以通過菊花鏈連接 Modbus 和 RS-485 信號以簡化互連。它們還具有 14 位分辨率和 +/- 2% RH 和 0.5% 溫度精度。

圖 3：這種堅固且密封的相對濕度和溫度傳感器可使用串行 Modubus 和 RS485 信號輕松集成到現代 HVAC 系統中，并且經過校準且準確無誤。（來源：安費諾）

相反，傳感器系統可以充當擴展單個通信收發器的信號中繼器（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供電。

菊花鏈式串行總線拓撲可以互連長串傳感器模塊（圖 4）。每個都充當來自端點傳感器的中繼器（循環返回）以向微控制器返回強信號。交流電源由每個傳感器在本地整流，以克服布線中的 IR 損耗。

圖 4：菊花鏈式串行總線拓撲可以互連長串傳感器模塊。每個都充當來自端點傳感器的中繼器（循環返回）以向微控制器返回強信號。交流電源由每個傳感器在本地整流，以克服布線中的 IR 損耗。（來源：貿澤電子）

請注意，使用這種方法，每個傳感器都需要單獨處理。I 2 C 傳感器每個都有唯一的地址，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，從而為傳感器系統增加一個新級別的自測試和診斷功能。

本地和全球訪問

工程師明白，需要對建筑物的溫度、濕度、照明和氣流進行本地訪問和控制。甚至多個區域也需要單獨控制。以一家可能擁有數十個甚至數百個房間的旅館為例。每個房間都需要自己的環境控制，因為每個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，但本地公用事業可能需要遠程訪問。來自電力公司的峰值需求負載限制使得需要限制設施的實時總電力消耗以避免支付過高的價格。

在這種情況下，可以控制和排序某些非關鍵系統，使其不超過閾值或實時用電量。盡管峰值需求負荷在今天并不是一項普遍實施的規定，但它即將到來，尤其是在一個對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。

技術數字化的另一個因素是使用智能人工智能系統學習特征和行為的能力。在我們的酒店房間示例中，智能傳感器可以檢測到房客何時離開房間。可以關閉環境控制并節省大量能源。當住客進入酒店時，射頻識別 (RFID) 可以檢測并打開環境控制。

例如，還可以通過監控壓縮機的冷卻劑壓力來節省能源。在某個時候，它會變得飽和，持續運行不會使其變冷。盡早關閉它可以節省能源，而且幾乎沒有任何不利影響。

據了解，人工智能還可以確定哪些服務可以在不影響整體性能的情況下暫時關閉。例如，可以暫時關閉熱水器以允許鼓風機打開。開啟時，它會消耗大量浪涌電流，超過峰值需求負載限制，但一旦鼓風機運行平穩，電流消耗正常，熱水器就可以再次開啟。沒有明顯的服務中斷，但節省了能源和金錢。

結論

隨著社會重新將注意力集中在供暖、制冷、氣流和空氣質量上，為我們的家庭和建筑物增加智能可能會在減少我們的消耗和排放方面發揮重要作用，尤其是在世界人口增加和資源減少的情況下。我們已經看到模擬傳感器可用了一段時間，但將它們集成到數字控制環境中也面臨著挑戰。串行傳感器系統為工程師帶來了好處。考慮到當前的數字環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