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离你并不遥远的智慧楼宇

离你并不遥远的智慧楼宇

一个有趣的数据,人的一生有90%的时间是在建筑和室内度过的。

这个建筑可以是温暖的家,可以是朗朗读书声的学堂,也可以是忙碌充实的商厦,还可以是安逸祥和的养老院……可见人类和建筑的关系随着时间和社会角色的推进而变化。kZhesmc

展望2023年,随着楼宇自动化技术、智能基础设施、云计算,以及人工智能、物联网和数字孪生等众多创新科技的普及和成熟,人类与建筑的关系将围绕“智慧化”继续深化。本文将邀请智慧楼宇产业链的上下游厂商,一同探讨人类与楼宇的智慧共生和共荣。kZhesmc

不温不火的智慧楼宇?

智慧楼宇的概念源于智能建筑,在20世纪80年代后提速发展。现如今,智慧楼宇被视为物联网产业的一个细分类别,虽然其技术成熟度、市场渗透率和舆论话题度都不及智能家居、智慧出行等热门类别,但业内人士均认为,智慧楼宇的发展是符合“天时地利人和”的,目前市场表现“不温不火”只是大众的感知误区。kZhesmc

天时:人类对建筑的需求是随着时代的更替而改变的。人们对建筑的最初需求是宽大敞亮,“安得广厦千万间,大庇天下寒士俱欢颜”。随着资本经济的腾飞,人们进入“娱乐至死”的时代,彼时的建筑被要求“面面俱到”,实行严格的区域划分,以达到功能丰富、可玩性高的目的。迈入新世纪,全球能源消耗加速,建筑被加上“节能减耗”的硬性指标。如今,智慧楼宇已经成为了现代城市的重要一环,衍生出了更多创新应用,包括共享办公空间、环境监测和个性化控制、设备的预测维护等。智慧楼宇符合数字化、低碳化的社会发展大趋势,在未来还将继续发展与升级。kZhesmc

地利:节能减排是全球可持续发展的必由之路。据报道,如今全球的楼宇消耗约占全球总能源的40%,预计到2030年将增加到50%。因此,当全球多国决定推动绿色节能革命时,楼宇的节能减排成为首要工作。kZhesmc

人和:智慧楼宇是全人类的根本需求。据统计,现代人一生中大约90%的生活都在建筑物中度过,因此,当他们通过物联网体验到科学和技术带来的便利时,人们一定会对楼宇智能化、集成度、安全性及舒适性提出更高的要求。因此,即使房地产市场降温,升级、迭代和改造智慧楼宇的工作仍将继续。从建筑管理者的角度来看,传统的楼宇管理具有高人力投入、低效率产出的弊病,但结合了AI、物联网、大数据等技术的智能楼宇,能实现楼宇管理的降本增效。最后从国家政府的角度看,智慧楼宇的建设也将反向推动科技的进步,促使各类通信技术、科技产品、科研力量的快速发展,将迅速推动国家的上层建设。kZhesmc

天时地利人和之下,智慧楼宇已有不少落地应用。例如现在的商场和办公楼,基本上所有的停车场都已经实现了无人值守、自动缴费;又例如出差、旅游时下榻的酒店,大部分都安装了智能化的系统,如电动窗帘、电子屏控制灯光,大大方便了住客,提升了住宿体验。以上两个例子都是智慧楼宇很好的应用,只是目前智慧楼宇都是由单个系统、单个应用开始建设,未来将逐步覆盖到整栋楼、整个园区、整个城市。kZhesmc

据海外机构的研究,2021年至2028年全球智能建筑市场规模的复合年增长率为11.01%。而近年来中国开足马力推动“能源革命”,其智慧楼宇市场规模增速将高于全球,预计复合年增长接近20%,预计2030年全国智慧楼宇整体将形成2万亿的市场规模。kZhesmc

智慧楼宇需要哪些元器件?

从技术层面来看,智慧楼宇是一个多技术融合的整体应用,最底层的硬件结构是:数据收集、连接传输、分析运算、执行反馈和安全保障。那么在这些结构里,哪些元器件发挥着重要的作用?kZhesmc

(1)数据收集层面:传感器kZhesmc

传感器用于收集、监控楼宇里的各种实时数据,类型包括温度传感器、气体传感器、红外光传感器、压力传感器、振动传感器、位移传感器等。kZhesmc

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监李国豪介绍,英飞凌在过去几年通过各种行业领先的传感方案,与楼宇行业的生态伙伴开展了方方面面的创新,比如丰富了楼宇设施运作的各种数据,更加能够实时按照人群出没影响环境状况作出能源、资源的重配及优化。kZhesmc

其中,毫米波雷达技术实现了侦测人体存在判断控制灯光自动调暗系统、统计人流出入、甚至利用二氧化碳传感器来控制空调送风的强弱、确保公共区域如商场多人流的空间有足够的流动空气。在家居中的个人安全侦测可以通过飞行光传感器判断在浴室或公共密闭的空间是否出现晕倒、跌倒,而发出警报。通过高端降噪的硅麦克风传感器,不但可以让智能音箱作出远距离的话音对答,控制室内设备,还可以通过关键声音的软件库,来判断异常的事件,如玻璃撞破、呼叫求救、入侵等等。kZhesmc

李国豪强调:“英飞凌不单是提供传感系统,还需要跟楼宇系统的集成生态单位、安防、照明、通讯等等建立合作,才可以加快把传感芯片模组落地。”kZhesmc

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英飞凌科技 电源与传感系统事业部 大中华区应用市场总监 李国豪kZhesmc

意法半导体已为北京的某豪华住宅、贵州某地铁线路以及许多其他校园、机场、住宅等项目和建筑提供了交钥匙解决方案。kZhesmc

意法半导体亚太区功率分立及模拟器件产品部策略市场经理白雅伟表示,上述提到的项目使用到STM32 MCU、STKNX收发器、M24512-RMN6TP EEPROM等一系列MCU、传感器以及许多其他ST组件和工具。意法半导体还与客户和解决方案提供商合作,构建基于KNX的能源管理和能源存储系统,以便将这些系统有机地结合起来。ST预计在2023年推出系统解决方案/参考方案。另外,楼宇的能量管理系统也非常适合使用ST一流的的SiC和GaN功率技术和功率转换IC。kZhesmc

意法半导体 亚太区功率分立及模拟器件产品部 策略市场经理 白雅伟kZhesmc

(2)连接传输层面:物联网通信kZhesmc

传感器收集到的海量信息要实时上传到云端/边缘端,进而分析处理,转换成有效的数据,这个过程需要物联网通信技术。常用的物联网通信方式可以分为四大种类:有线传输、近距离无线传输(如蓝牙、Zigbee、LoRa等)、传统互联网(如Wi-Fi、以太网等)、移动空中网(4G/5G等)。kZhesmc

其中,LoRa具有组网灵活、易部署等技术特点,基于LoRa和LoRaWAN的传感器、控制器和网关,能够快速、简便地部署到摩天大楼、大型园区以及单户住宅等楼宇中。kZhesmc

Semtech中国区销售副总裁黄旭东告诉笔者:“作为LoRa物联网通信技术和LoRa生态圈的推动者,Semtech持续加强对于智慧楼宇的支持。近年来,Semtech与国内的LoRa生态圈伙伴保持积极的合作,支持他们开发了多个智慧楼宇应用案例,基于LoRa和LoRaWAN的传感器、控制器和网关根据实际需求安装在产业园区、校园、养老院和办公楼的相应位置,从而对人员、环境、设备和设施等进行实时化、可视化管理和控制。此外,为了进一步推动人口稠密地区的物联网部署,Semtech不断对LoRa技术进行升级,2022年年初在LoRa平台增加了对LR-FHSS的支持,显著提升了网络容量和抗干扰能力,支持在智慧工业和智慧园区等大容量场景中,开拓新的应用和方案。”kZhesmc

Semtech 中国区销售副总裁 黄旭东kZhesmc

(3)分析运算/执行反馈:数据处理分析平台kZhesmc

第三是操作平台,也就是数据处理系统,通过人工智能、云计算等算法,把收集到的有效数据进行汇总、分类、分析,并给出科学的处理方案或意见。kZhesmc

深圳市信锐网科技术有限公司在物联网方面探索始于2015年,目前已经形成IPSIP、IS两大应用,可以为用户提供包含应用平台、联接网关、传感器三位一体的物联网解决方案,已经广泛应用于教育、企业、政府、医疗等行业用户,知名案例包括东南大学、江西省农业厅、西安脑病医院、保定第一中心医院等超过2000+的各行业用户,提供用户高价值资产守护和智能管理的办公体验。kZhesmc

信锐技术物联网运营总监于东升接受采访时称,智慧楼宇作为物联网重要的应用场景,信锐技术很早就开始布局,目前形成环境监测、空调智能控制、窗帘控制、智能门锁、有人无人检测、智慧用电、灯光控制多位一体的智慧楼宇方案。具体来看,信锐智慧楼宇解决方案可以实现以下两大功能:1、结合国家双碳目标,实现楼宇、园区的能耗监测,包括水、电气等资源的使用情况监测;2、通过IoT技术、智能控制技术,基于时间、空间、环境状态、人员存在等因素实现能耗管理,如电、灯、用电设备等。kZhesmc

深圳市信锐网科技术有限公司 物联网运营总监 于东升 kZhesmc

厦门星纵物联科技有限公司多年来运用物联网产品在智慧楼宇应用领域广泛布局,当前已在海内外成功落地了多个项目。kZhesmc

星纵物联副总经理郑渊瑞详细介绍了一个在加拿大地区的定制方案。这是一个基于LoRa技术的环境监测、节能减排为一体的楼宇智能化方案,星纵物联的智能物联网设备搭配合作伙伴自主开发的能源和室内空气质量监测平台,智能设备的联动,不仅有效提供了可视化数据监测,也提升了科学管控的能力。kZhesmc

在该平台的运行中,通过星纵物联2000多台基于LoRaWAN的温湿度传感器、700多台二氧化碳传感器、700多台室内环境监测传感器、300台室内型基站网关,形成系统的监测“网络”,进行楼宇和办公环境的监测。方案中通过传感器采集二十几栋大楼环境数据,平台端接收数据后,进行全面系统分析,从而更高效地指导大楼HVAC(供暖通风与空气调节)系统的运行。根据客户反馈,这一方案为智慧楼宇及智慧办公提供了可视化监测数据,在方案正式启用后的一年里,共为其节省了一百万加币。kZhesmc

厦门星纵物联科技有限公司 副总经理 郑渊瑞kZhesmc

智慧楼宇的三大痛点

目前智慧楼宇属于物联网的范畴,主要问题其实也是物联网面临的问题,可以分为需求碎片化、高智能和低功耗需求的矛盾、安全保障问题。kZhesmc

(1)需求碎片化kZhesmc

应用方面,除了酒店、智慧停车等这些场景具备标准较强复制性外,其他应用的需求非常碎片化,还没有形成统一的标准。如果用有线的方案,布线复杂,施工难度大,非专业人事搞不定;无线传输方案,传感器协议标准不统一,种类缺乏、价格相比有线版的更高……kZhesmc

信锐技术于东升认为,这些痛点都制约了智慧楼宇的发展。在这些痛点中,芯片的作用非常大,特别是在传感器协议统一方面,如果有一款通用协议芯片,将解决传感器的接入和传输问题,则有可能大大降低智慧楼宇的建设难度,促进智慧楼宇市场的发展。kZhesmc

英飞凌李国豪也认同道,实现智慧楼宇需要加入很多楼宇科技,比如行为采集、数据使用、以及维护设备操作的远距控制等问题。这些传感与传输设备都可以通过体积小的芯片模组来实现。kZhesmc

需求碎片化,会极大地突出设备非标的困难,也就是说多个智能化设备没有遵循统一的协议和标准。ST白雅伟认为,智慧楼宇市场的落地和发展需要统一的标准模型和强大的可扩展性和迭代性。在这一点上,为了实现无缝连接,市场需要一套通用且兼容的总线来覆盖所有的智慧楼宇设备。目前,有线和无线通讯协议的组合是最好的通信方式。KNX-TP、KNX-RF、BLE SIG Mesh和LoRaWAN可以为智慧楼宇通讯提供良好的兼容性和互操作性协议。kZhesmc

据介绍,KNX为分布式总线,具有良好的稳定性和可扩展性,技术迭代性强,支持向后兼容。从系统安全角度考虑,KNX采用AES128最高等级加密算法,保证系统的安全性。同时,KNX还兼容多种生态系统,可与KNX-IoT,KNX-RF及传统IT等系统结合使用。KNX可以为智慧楼宇的发展带来更加安全、智能、高效、节能的体验。kZhesmc

(2)高智能与低功耗需求的矛盾,即成本kZhesmc

在项目实际推进中,确实存在这样的一个矛盾——普通用户希望智慧楼宇更智能高效,运营方希望楼宇能更节省成本。kZhesmc

ST白雅伟认为,智能高效,节省成本,是智慧楼宇的根本需求,也是迫切需求。除基础设施外,运营成本和能源消耗也是城市建筑运营的重要组成部分。鉴于此,ST自动化创新中心正致力于搭建基于STKNX的整套楼宇自动化控制系统,包含KNX智能化终端设备,以及KNX能源管理系统。例如,STM32+STKNX+TMOS终端传感设备实时检测楼宇状态,并根据人员的存在/人数来调整照明控制和空调控制,从而提高效率,降低能耗。kZhesmc

于东升更希望从综合成本的角度化解这个矛盾。他认为,智慧楼宇出现的目的就是为了使组织和单位更加智能和高效,同时达到节能和节省成本,高智能、高性能、低功耗也一直是各大厂商的追求。但是,楼宇节约成本应该分开来看,一方面是智慧楼宇建设本身的成本;另一方面是通过智慧楼宇建设,所带来的其他成本的节约。以智慧停车举例,可能建一个自动停车系统需要花费5万-10万,但是节约了停车场的收费员,可以省掉员工工资。再比如上一套智慧用电系统,通过这个系统可以实现更加高效的能耗管理,同样可以节约成本。于东升总结道:“所以,应该更加关注的是智慧楼宇方案的整体性价比,以及最终所带来的价值。kZhesmc

黄旭东也表示,不论是传统楼宇的改造,还是智慧楼宇的建设,成本都是重要的考量因素。LoRa具有组网灵活、易部署等技术特点,同时相较于蜂窝网络,其单个网关的覆盖距离更广。基于LoRa和LoRaWAN的传感器、控制器和网关,能够以极少的布线投入和工作量快速、简便地部署到摩天大楼、大型园区以及单户住宅等楼宇中,具有更高的成本效益。kZhesmc

“我分享一个客户项目实际情况,采用我们星纵物联的智慧楼宇方案,不仅提升楼宇环境智能化、舒适度和安全性,同时实现降本增效的目的,可以节省20-30%的运维成本。”郑渊瑞分享道。kZhesmc

最后在普通用户的角度,英飞凌李国豪直言,对新技术的接纳是需要过程的,特别是消费类用户,他们往往对成本很敏感。他认为,终端用户的智能建筑解决方案的复杂程度,必须随着家庭设备智能功能的逐步增加而循序渐进,而不同的功能层次对应着不同的成本水平。建立智能设备的用户体验需要时间和信心。换句话说,普通用户在对简单的感知功能进行了最初的、可能是很长一段时间的采用后,会更愿意为高级的价值支付更高的价格,期间用户会不断提出更高级功能的需求。kZhesmc

(3)安全问题kZhesmc

前几年,黑客侵入智能家居场景的“恐惧”仍历历在目。智慧楼宇实现传统楼宇的数字化管理,有数据势必会增加相应的安全问题,这就要求各厂家加强数据安全建设和隐私保护。kZhesmc

于东升根据信锐技术多年的经验,分享了四个平衡智慧楼宇建设和安全隐私关系的手段。第一、在智慧楼宇数据服务器前端做好安全防范手段,如上一些防火墙、入侵防御等网络安全设备,保护数据安全;第二、非必要的情况下,智慧楼宇应用采取私有云部署,隔绝互联网,因为智慧楼宇一般都在楼内、园区内运行,是可以建设一张独立的网络。第三、在传输端、采集端采用加密技术,保护数据传输安全。第四、对于公共区域和私有区域建设内容加以区分,比如涉及隐私的区域更多通过不具备音、像等功能传感器实现采集。kZhesmc

哪个场景将率先普及智慧楼宇?

笔者列出了将近十个细分场景,最终按照票数得出结论,智能楼宇将在C端场景(如酒店、住宅、商场等)率先普及,因为C端消费感受最直观,并且技术要求更简单、标准化更容易;B端场景(如大企业楼宇、医疗、校园、工厂等)会紧追其后,但是市场容量更大!kZhesmc

虽然结论相对简单,但受访者均根据不同场景,提出了不同的需求点,比如:酒店的场景比较标准化,会最先完成房间内的智能化控制系统建设;房间的布局与规格也比较方便按标准的方案落地安装。住宅场景则更加依赖于地产商规划和建新楼房前期阶段,把智慧设备在规划阶段提早纳入布局中,尤其是为安装位置留出标准的传感设备安装和供电位置。商务楼宇会最先完成智慧楼宇中的用电智能化计量与统计。大企业楼宇因为业主和运营方都属于自己,每个系统都会涉及,用电、智能化控制、用水管理、梯控等都会积极尝试。kZhesmc

至于智慧楼宇市场何时会大规模爆发?星纵物联和信锐技术的受访人不约而同地认为,随着国家层面双碳目标的推进,监管机构对各单位都有节能减排的具体要求,预计智慧楼宇将在2030年前后大规模爆发。kZhesmc

郑渊瑞认为,未来十年,中国或将成为全球需求量最大的智慧楼宇市场。理由是中国楼宇智能化起步较晚,但发展迅速,发展前后大体经历过三个阶段:(1)初始发展阶段,由于受到技术限制的影响,楼宇智能化子系统之间相互独立,智能化程度不高。(2)规范管理阶段,随着市场对于楼宇智能化的认识加深,市场对该行业认可并产生需求,楼宇智能化系统也将逐渐在全国范围内推广开来。(3)发展阶段,2001年至今是行业的发展阶段。该阶段里物联网、5G、云计算和人工智能技术的不断普及,楼宇智能化发展突飞猛进且应用场景更为广阔。所以郑渊瑞结合近几年行业的发展趋势,经过初步估算,未来十年,中国将成为世界上最大的智慧楼宇市场。kZhesmc

这个过程中,产业链上下游玩家该如何布局呢?于东升提出四个步骤:首先会在能耗监测方面持续推进,实现智慧楼宇的水、电、气的全面监测;第二步,结合能耗数据和环境数据,通过物联网技术实现对灯、空调、电梯、其他用电设备的管理和智能化控制;第三步,完善楼宇的其他内容的监测,如楼宇的环境、楼宇倾斜度、玻璃破碎、甚至高空抛物等情况的监测。第四步,将上述全部数据统一到一个大的数据平台,实现楼宇的智能化管理,真正达到智慧楼宇的要求。kZhesmc

智慧楼宇的新角色:防疫专家

2020年起,COVID-19新冠肺炎蔓延全球,对包括汽车、化工、医疗保健等在内的大多数行业都带来了重大冲击和不利影响。在如此“叫衰”的大环境下,智能楼宇市场却凭借其智能化精准防疫的特点,逆流而上,发展速度不降反增。kZhesmc

众所周知,防疫过程中“非接触”和“智能化”是关键,而智慧楼宇中集成了多类型的智能化产品及系统,在疫情防控过程中聚焦“非接触检测”和“AI控制反馈”两大功能,可以发挥积极作用,助力科学防疫。以下是一些实际案例分享。kZhesmc

英飞凌基于毫米波雷达技术,创建了一个社交距离提示系统。它可以测量人与人之间的距离,如果通道或入口之间人与人的距离过窄、病毒容易传播,显示面板上会有所提示。雷达的优点是能够计算出移动物体之间的距离。因此,在抗疫期间,这一应用有助于确保在建筑物的开放区域(如在电梯大厅排队的情景下)提醒保持社交距离。此外,二氧化碳和环境传感器通过控制暖通空调/新风系统的运行,也能让室内保持一个健康的空气循环环境。kZhesmc

ST有线和无线连接解决方案可以增强安全和安保相关的智慧楼宇监控系统,该系统可以通过BlueNRG+LSM6DSO IMU保持检测人员之间的安全社交距离,通过STM32WL+ToF+测温模组自动检测每个人的体温,甚至还可以通过STM32MP1+音频功放自动提示佩戴口罩和使用消毒剂。同时,ST的技术可以最大限度地减少人与智能楼宇相关设备的表面接触,而ToF靠近唤醒、MEMS麦克风语音控制、ST25T/ST25D/ST25R NFC刷卡进出、ST 3D成像传感器人脸识别也得到了广泛应用。kZhesmc

在防疫抗疫中,多家LoRa生态伙伴都开发了如门磁传感器和监控手环等隔离监控解决方案,在许多实际应用中大幅度减轻了疫情防控人员的负担,同时提升了防控工作效率。除了居家隔离监控,基于LoRa和LoRaWAN的防疫解决方案还可以快速部署应用于医院,对隔离病房、治疗室、药品试剂存放点、物资仓库和其他重要区域进行及时、全面的监控。kZhesmc

物联网产品在智慧医疗建筑上的应用越来越丰富。疫情期间,在建筑物的防疫隔离区,安装星纵物联AM319室内环境监测传感器远程管理隔离区的温湿度、二氧化碳、臭氧等环境参数,保障隔离环境的舒适度。同时在隔离区门口安装星纵物联无线门磁传感器和5G AIoT高清网络摄像机,通过传感器与视频实时对隔离区进行二次确认,提升隔离区管理效率。另外,隔离人员如有不适也可以通过隔离区内的星纵物联IP电话系统进行紧急求助。管理员运用星纵物联传感器和终端设备对防疫隔离区进行高效管理。kZhesmc

在医院住院部,通过星纵物联传感器和终端设备,助力病房环境改善,提升病房管理效率。AM319室内环境监测传感器可远程管理多种室内环境参数,为病患、医护人员提供舒适环境和数据支撑。运用红外&光照传感器、智能开关面板和窗帘控制器等设备,提供智能病房物联网解决方案。智能插座面板自带电量统计功能,可预防病房超负荷用电情况或监测设备运行情况。同时在病房区如遇紧急情况,病人可通过一键报警器快速呼叫医生和护士。除此之外,安装在病房区外垃圾桶处的超声波测距传感器可以实时监测垃圾桶满溢情况,让防卫人员可以更及时地处理病房区的垃圾。kZhesmc

于东升最后总结道:“智慧楼宇重点在‘智慧’二字,在新冠肺炎疫情肆虐的情况下,目前智慧楼宇已经开始承载防疫抗疫的责任了。但是智慧楼宇在防疫方面还需要做得更多,这需要产业链上下游企业共同努力。”kZhesmc

责编:Momoz
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Momo Zhong
国际电子商情(Electronics Supply and Manufacturing-China)助理产业分析师,专注于PCB、电子工程、移动终端、智能家居等上下游垂直领域。
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