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傳感器應用于智能建筑樓宇系統 建筑物也有生命

文字:[大][中][小] 2015-3-4    瀏覽次數:1074    

    一旦無線傳感器芯片能夠低成本生產,那么將無數此類芯片在設計精良的樓宇基礎設施中相連接便具有了一定的可操作性。Ahmed 預測說:“最終,我們將可以利用傳感器來模仿自然。”正如我們的感覺和神經系統不斷向大腦傳送信息從而允許我們做出各種決定一樣,樓宇管理系統內的處理器可以接受和處理來自成千上萬只傳感器的數據,并向各種子系統發出適當的指令。
    樓宇管理系統可以通過結合用戶信息來執行許多新功能。樓宇用戶可以告訴系統一些信息,例如他們什么時候回來,應該使用哪種安全機制,或是哪些房間需要通風等。各類傳感器則可以確保管理系統始終了解什么時候抽水馬桶需要維修,哪里正在釋放腐蝕物質,或者人們聚集在哪里等信息
    安裝于樓宇中的眾多傳感器通常用于向樓宇傳達各類信息。目前,西門子的科學家們正致力于研究如何將傳感器的諸多功能集合到一張小巧的芯片上。
長期以來,傳感器因其昂貴的價格而無法廣泛應用于樓宇系統。然而,不斷進行的大量研究使得如今傳感器的體積更為輕巧,價格更為低廉,使用更為靈活,如西門子研發的二氧化碳傳感器
    在位于德國慕尼黑的西門子中央研究院內,物理學家 Rainer Strzoda 走入他的工作區,想要檢查空調系統是否正常運行。然而要完成這項工作,他只需要觀察一下安裝在墻上的一個小型裝置。今天,這個由西門子科學家們研發出的激光傳感器原型檢測到了 400 ppm 的 二氧化碳。
   “如果我們現在所處的環境中只含有 380ppm 的二氧化碳,那么這將是一個很好的數據。” Strzoda 說道,“因為,這個數據表明當前室內的二氧化碳含量僅略高于室外。”剩下的一天里,隨著 Strzoda 和他的同事們繼續進行研發及討論研究結果,室內二氧化碳含量逐漸上升至 600–700 ppm 左右。僅僅由于正在工作的科學家們不斷呼吸,室內二氧化碳含量就顯著上升。
    事實上,Strzoda 和他的同事們所處的環境還是相對較好的。世界上絕大多數辦公室和會議室的空氣中,二氧化碳含量都超過了 1,000 ppm。在這樣的環境里,人們會開始感到疲勞、不舒服且無法集中注意力。目前,大多數樓宇內仍未安裝二氧化碳傳感器,不過據     Strzoda 研究組的負責人 Maximilian Fleischer 博士預測,這種情況很快將得到改善。他的研究小組研發出許多有關傳感器的發明成果,這些發明已被成功地應用到西門子的新產品中。以 Fleischer 的名字申請的專利多達近 160 項,他當之無愧是西門子最富創造力的發明家之一。
    當今,用于探測光亮和溫度的傳感器已經得到了廣泛的應用。氣體傳感器是一種微機電系統(MEMS),這正是目前一項相對新穎的研究。這里的MEMS是由硅芯片和一層氧化層所組成。這些激光傳感器仍然處于研發的初級階段,離上市還有一段時間。
    相反,多年來 Fleischer 研究生涯中的突破性發明氧化鎵傳感器,已被用于成千上萬個小型燃燒系統中測量廢氣中的一氧化碳含量,以便優化其能量輸出及排放。
在另一個截然不同的開發領域,西門子研究實驗室研發出一種通過呼出的氣體測量人體酒精含量的新型傳感器,這種傳感器將很快投入生產。瑞典已宣布將成為第一個將該傳感器與機動車鎖止系統相結合以防止酒后駕駛的國家。這種經西門子認證的技術,同時還可以應用于火車、有軌電車以及一些存在潛在危險的機器。
    小小傳感器,節省大量開支。直到今天,傳感器仍然沒有在樓宇中得到廣泛應用,因為它們價格昂貴且不易于安裝及維護。不過,最近自帶電源和無線電調制器的硅基傳感器的研發有了新進展,這些新進展引起了樓宇商們的注意。這是因為這種傳感器可以節省大量開支。據市場咨詢公司英泰諾咨詢估計,2010 年全球市場在氣體傳感器上的花費將達約 29 億歐元。
    傳感器在所有涉及樓宇技術的未來藍圖中都發揮著關鍵的作用。“房屋將不再僅僅是個空殼,它將成為可以與居住者交流的智能化系統。”位于伊利諾斯州 Buffalo Grove 的西門子樓宇科技集團創新團隊負責人 Osman Ahmed 博士說道。
    正在測試氣體傳感器的靈敏度。氣體傳感器是Maximilian Fleischer(右圖)研究的眾多傳感器類型之一。
    一旦無線傳感器芯片能夠低成本生產,那么將無數此類芯片在設計精良的樓宇基礎設施中相連接便具有了一定的可操作性。Ahmed 預測說:“最終,我們將可以利用傳感器來模仿自然。”正如我們的感覺和神經系統不斷向大腦傳送信息從而允許我們做出各種決定一樣,樓宇管理系統內的處理器可以接受和處理來自成千上萬只傳感器的數據,并向各種子系統發出適當的指令。
    樓宇管理系統可以通過結合用戶信息來執行許多新功能。樓宇用戶可以告訴系統一些信息,例如他們什么時候回來,應該使用哪種安全機制,或是哪些房間需要通風等。各類傳感器則可以確保管理系統始終了解什么時候抽水馬桶需要維修,哪里正在釋放腐蝕物質,或者人們聚集在哪里等信息。
    鍛煉金屬薄膜
    氣體探測器。Fleischer 和他的團隊已經在他們的實驗室內開始研發能夠監控樓宇內空氣質量的傳感器。“為了成功研發出這種傳感器,我們需要一個至少可以測量四種參數的芯片。這四種參數分別是:溫度、濕度、如二氧化碳之類的氣體以及氣味。”Fleischer 說道。為此,他和他的同事們正在研究各種探測器材料,并從中找出與被測氣體反應最佳的材料。在一個以神秘的藍光等離子體為特征的陰極濺射設備中,研究者們正在制造僅有幾百萬分之一米厚的傳感器表面。該設備的隔壁則正在進行另一項相關實驗,準備研發一種通過使用某種絲網印刷技術來探測氣體的小型裝置。正在測試中的材料可以決定哪種過程更適于探測氣體。研究者們將他們制造的微小氧化表面組合并列地放置在芯片中的場效應晶體管(FET)上。其中的例子包括用于探測二氧化碳的鈦酸鋇氧化混合物以及用于探測氣味的帶有均勻分布的白金的氧化鎵。
    Fleischer 實驗室研究的物質并不直接用于芯片的表面,而是仿佛流動于一個分子接收層與真實的 FET 結構之間,因此這將引起電阻變化。而芯片能夠感應這一變化并將之轉化為信號。如果芯片帶有無線電調制器,它可以將數據無線傳送至樓宇管理系統的控制裝置。
博士研究生Rebekka Kubisch在位于慕尼黑的西門子中央研究院對細胞傳感器的酸化作用、阻抗以及呼吸作用進行測量。它是一種新型通用探測器,不像化學傳感器,細胞培養傳感器能夠對多種有毒物質發生反應。
    盡管 Ahmed 對于未來樓宇的描繪似乎仍過于遙遠,但是朝著這個方向的發展已經開始起步。“現在,人們對于舒適度的要求不斷提高。”駐瑞士西門子樓宇科技集團的Andreas Haas 說。他相信樓宇科技的發展趨勢將與汽車領域的趨勢一樣。目前汽車領域中,精確的環境控制系統已經成為標準配置。
    然而,樓宇商們最感興趣的卻是傳感器系統所能節省的巨大開支。畢竟,對安裝傳感器的資金投入明顯少于翻新樓宇的花費,如果傳感器與尖端樓宇自控相結合,那么將能節省更為龐大的開支。Haas 估計,與采用傳統自動化技術的樓宇相比,精確的房間氣候控制傳感器、空氣質量及現場傳感器可以減少用于供暖、通風、空調及照明系統的能源達 30 %。
    氣味也會影響舒適感。“通常只有在氣味難聞時,人們才會對房間進行通風。”Fleischer 說道。其實無需這樣做,因為周圍空氣可以用臭氧來凈化。臭氧與產生異味的分子相結合,然后通過分離它們將其中和。這就是西門子研究者們研發可檢測室內典型氣味的氣體傳感器的目的。研究者們使用 18 種不同的氣體,如乙烷、丙烯、丙酮等來制造氣味標本。例如己醛,它用于對檢測地毯氣味的傳感器的測試。科學家們同時還著手研發持續性氣味傳感器。“如果這種傳感器想要贏得市場關注,它必須至少具有十年的使用壽命。”    Fleischer 說。如果該傳感器檢測出空氣中含有不良氣味并報告給管理系統,那么管理系統就會發出指令釋放臭氧進行空氣凈化。隨后,另一種傳感器會監測大量集中的臭氧,以防止引發不良副作用,如刺激人體呼吸道等。
    研發氣體傳感器的主要挑戰之一在于靈敏度交叉。因為如果想要防止錯誤警報的發生,就必須確保芯片上的檢測材料只對檢測目標產生反應。
這項技術還可應用于防火警報。目前,絕大多數防火警報仍然是在煙霧產生時才有所反應。“但是,對于靠近火源并已經吸入有毒氣體的人來說,那樣可能就太晚了。”Fleischer 說道。正是由于這個原因,樓宇商們想要獲得可以探測具體氣體,尤其是與火焰相關的具體氣體的探測器。傳統警報器只有在煙霧濃度達到一定程度時才會被激活,而新型探測器被激活的時間要遠遠早于傳統警報器。擁有此類探測器,尤其使它們與環境自動控制系統相結合,是目前樓宇商們最大的心愿。
    通用專家。與此同時,西門子的工程師們還在研發一些不含芯片的傳感器,如激光光學傳感器,它可以遠程確定某種氣體大量聚集在房間的哪個位置。位于激光光學傳感器實驗室盡頭的大廳里,博士研究生 Rebekka Kubisch 正在研究一個充滿某種紅色液體的皮式培養皿。這些培養皿用于培養活性傳感器所需的細胞培養物,這種活性傳感器可以用于檢測水質等。“我們將這些細胞放在芯片上,并將它們置于毒素之中,然后觀察由此產生的反應。”她解釋道。此刻,她正在檢測老鼠的骨骼肌細胞對廢水標本所產生的反應。與基于化學原理的傳感器相比,這種活性傳感器具有巨大的優越性,這是因為活性傳感器可以與一切毒素發生反應。然而使用化學傳感器時,你必須提前知曉你想要測試的是何種有毒物質。
    更為重要的是,活性傳感器可以用于綠色樓宇,這些樓宇通過建立大量如水和空氣這樣的封閉式循環實現能源節約。Fleischer 說:“高度靈敏的早期預警系統在此處是極為關鍵的。”放眼更為長遠的未來,Ahmed 補充說:“終將有這樣一天,我們的樓宇不再需要外界提供任何能源。要實現這個目標,我們將需要運用大量智能產品。當前,研發具有多種功能的傳感器是我們所面臨的重要難題之一。”無論未來怎樣,西門子科學家們的辛苦研發已經使我們離那樣的景象越來越近了。

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