占用監(jiān)測(cè)在建筑自動(dòng)化、健康、安全和安保方面的作用至關(guān)重要。盡管開(kāi)發(fā)人員能夠從現(xiàn)有的組件中拼湊出合適的人數(shù)統(tǒng)計(jì)解決方案并開(kāi)發(fā)出適當(dāng)?shù)乃惴ǎ@可能需要時(shí)間和成本。隨著對(duì)更快地交付具有最新的功能和特性且支持社交距離要求的更復(fù)雜解決方案的期望越來(lái)越高，就需要一種更簡(jiǎn)單、更快速的方法。
本文將討論占用監(jiān)測(cè)及其為什么變得如此關(guān)鍵。然后，介紹如何利用 Analog Devices 全面的端到端人數(shù)統(tǒng)計(jì)套件開(kāi)始工作。使用該套件，設(shè)計(jì)人員可以滿足數(shù)量不斷擴(kuò)大的、基于占用監(jiān)測(cè)功能的復(fù)雜應(yīng)用的各種要求。
為什么占用監(jiān)測(cè)很重要
對(duì)人員的數(shù)量、位置及其在建筑物內(nèi)的移動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)能力，在多種應(yīng)用中的作用都在不斷擴(kuò)大。在自動(dòng)化樓宇管理系統(tǒng) (BMS) 中，跟蹤房間利用率和居住者活動(dòng)的能力仍然是實(shí)現(xiàn)辦公室、會(huì)議室和其他公共區(qū)域全部利益的基礎(chǔ)。在疫情蔓延期間，這種能力有助于確保居住者能夠在室內(nèi)空間中保持安全隔離。
即使個(gè)人返回辦公樓，監(jiān)測(cè)房間占用情況的能力也有助于公司限制通常情況下樓內(nèi)大量未使用空間內(nèi)的那部分能源浪費(fèi)。2019 年已經(jīng)降至約 68% 的辦公室占用率 [a] 在疫情期間急劇下降，到 2021 年中期僅恢復(fù)到約 32% [b]。
然而，除了優(yōu)化樓內(nèi)空間的使用和協(xié)助保持社交距離外，主動(dòng)測(cè)量占用情況對(duì)于抑制不斷攀升的能源消耗已經(jīng)變得極其重要。根據(jù)世界綠色建筑委員會(huì) [1] 的數(shù)據(jù)，建筑和施工貢獻(xiàn)了全球所有碳排放的 39%。更具體地說(shuō)，用于照明、加熱和冷卻建筑物的能源造成的碳排放占全球碳排放的 28%。（剩余的 11% 與材料和施工的建筑生命周期碳成本有關(guān)。）
在過(guò)去十年的大部分時(shí)間里保持平穩(wěn)，但由于更多極端天氣造成的能源需求增加，與建筑有關(guān)的碳排放在 2019 年上升到了歷史最高水平。事實(shí)上，2019 年被證明是自 2016 年有記錄以來(lái)最熱的一年，當(dāng)時(shí)在全球氣候模式和全球氣溫上升的夾擊下，形成了氣候異常溫暖的“完美風(fēng)暴”。
這種氣候變暖的趨勢(shì)一直在持續(xù)，2020 年證明比 2019 年更溫暖。因此，根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局 (NOAA) 的數(shù)據(jù)，迄今為止有記錄的三個(gè)最暖的年份包括 2016 年（第一）、2020 年（第二）和2019 年（第三）[2] 。而且，這一趨勢(shì)仍在繼續(xù)，2021 年 7 月被記錄為全球有史以來(lái)最熱的月份 [3]。由于 7 月之前的四個(gè)月都被列入有史以來(lái) 10 個(gè)最溫暖的月份之中 [4]，NOAA 預(yù)計(jì) 2021 年將可能成為全球有史以來(lái) 10 個(gè)最溫暖的年份之一。
在全球范圍內(nèi)，減少影響氣候的碳排放的國(guó)家戰(zhàn)略將更有效的建筑能源利用視為其規(guī)劃的核心。對(duì)于具體公司來(lái)說(shuō)，減少能源消耗會(huì)給他們的公司利潤(rùn)及員工福利帶來(lái)直接的好處。
就最大限度地減少能源利用來(lái)講，盡管基本占用數(shù)據(jù)的重要性日益增加，但大多數(shù)公司還是依靠門禁卡刷卡數(shù)據(jù)或肉眼觀察——這兩種方法都不能提供建筑能源管理所需的有效、精確、最新的房間使用信息。我們需要一種更有效的占用檢測(cè)手段。
實(shí)施占用檢測(cè)解決方案
自動(dòng)占用檢測(cè)解決方案的設(shè)計(jì)、實(shí)施需要多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，以便將傳感器、低功耗處理器和連接與準(zhǔn)確的人數(shù)統(tǒng)計(jì)算法結(jié)合起來(lái)，形成完整的應(yīng)用，從而能夠在人們進(jìn)入和離開(kāi)室內(nèi)空間時(shí)即時(shí)做出反應(yīng)。開(kāi)發(fā)并支持這樣的應(yīng)用需要時(shí)間和資源。Analog Devices 提供了一種更簡(jiǎn)單的途徑：ADSW4000 EagleEye，這是一款完整的基于二維視覺(jué)傳感器的、低功耗、低帶寬直接替代型平臺(tái)，旨在提供最新數(shù)據(jù)，以優(yōu)化空間利用并最大限度地減少能源消耗。
該套件包括可在 Analog Devices 的 ADSP-BF707 系列 Blackfin 數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 器件上運(yùn)行的 Analog Devices 專有人數(shù)統(tǒng)計(jì)算法。ADSW4000 EagleEye 可提供獨(dú)立室內(nèi)空間的利用率數(shù)據(jù)，使公司能夠平衡辦公空間的利用和能源消耗，以獲得最大的效用。
由于該器件只在 Blackfin 處理器上執(zhí)行圖像分析和人數(shù)統(tǒng)計(jì)任務(wù)，EagleEye 算法可確保所有圖像都保留在 ADSW4000 上，因此沒(méi)有任何個(gè)人身份信息流出平臺(tái)，這符合越來(lái)越多的全球隱私法規(guī)。事實(shí)上，Blackfin 處理器生成的結(jié)果僅限于一個(gè)數(shù)據(jù)包，其中包含在感興趣區(qū)域 (ROI) 中監(jiān)測(cè)到的人數(shù)、他們?cè)谠搮^(qū)域的坐標(biāo)位置及移動(dòng)情況。
為了幫助加快開(kāi)發(fā)高級(jí)占用監(jiān)測(cè)應(yīng)用，Analog Devices 在其 val-ADSW4000KTZ/14683670">eval-ADSW4000KTZ EagleEye 試用套件中集成了其 ADSW4000 EagleEye 人數(shù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)。作為其 EagleEye 算法的一個(gè)完整的交鑰匙型傳感器到云端實(shí)施方案，該試用套件使用戶能夠用現(xiàn)有的應(yīng)用和基于云的在線儀表板立即部署占用監(jiān)測(cè)任務(wù)。另外，該套件可以作為定制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，讓開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂诟邔哟蔚膽?yīng)用，而不是實(shí)現(xiàn)其人數(shù)統(tǒng)計(jì)方法的細(xì)節(jié)方面的東西。
實(shí)施單子系統(tǒng)加速
EagleEye 試用套件包括一對(duì)子系統(tǒng)，用基于 Blackfin DSP 的子系統(tǒng)來(lái)生成人數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而基于 Analog Devices ADuCM4050 微控制器單元 (MCU) 的獨(dú)立子系統(tǒng)則用來(lái)處理連接和更高級(jí)別的應(yīng)用功能（圖 1）。如前所述，關(guān)鍵的人數(shù)統(tǒng)計(jì)功能由該試用套件中運(yùn)行 ADSW4000 EagleEye 算法的 EagleEye DSP 子系統(tǒng)執(zhí)行。
圖 1：在 Analog Devices 的 EagleEye 試用套件中，DSP 子系統(tǒng)使用在 Analog Devices 的 ADSP-BF707 Blackfin DSP 系列器件上運(yùn)行的 ADSW4000 EagleEye PeopleCount 算法來(lái)獲取并處理圖像。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
為了從感興趣區(qū)域獲取圖像，該子系統(tǒng)使用了一個(gè)基于 onsemi ASX340AT3C00XPED0-DPBR CMOS 數(shù)字圖像系統(tǒng)芯片 (SoC) 的二維視覺(jué)傳感模塊，并將其與一個(gè)紅外 (IR) 濾波器組合使用。與 Analog Devices 的 EagleEye 框架服務(wù)協(xié)作，EagleEye PeopleCount ADSW4000 算法由 ADSP-BF707 Blackfin DSP 運(yùn)行，所用存儲(chǔ)器為 ISSI 的 IS25LP512M 512 Mb 串行閃存和 Micron Technology 的 MT46H64M16LF 1 Gb 低功耗雙數(shù)據(jù)率 (DDR) 同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SDRAM)。
在這個(gè)子系統(tǒng)中，ADSP-BF707 Blackfin DSP 很適合處理人數(shù)統(tǒng)計(jì)所需的復(fù)雜圖像采集和處理任務(wù)。其信號(hào)處理管道包括多個(gè)硬件乘積累加 (MAC) 單元以及單指令、多數(shù)據(jù) (SIMD) 功能。
ADSW4000 ADI EagleEye PeopleCount 算法由 ADSP-BF707 Blackfin 處理器運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)高達(dá) 90% 的精確計(jì)數(shù)。同樣重要的是，該子系統(tǒng)迅速返回結(jié)果。例如，從一個(gè)人進(jìn)入 ROI 開(kāi)始，子系統(tǒng)只需 300 ms 就能識(shí)別其已經(jīng)從空閑狀變?yōu)闉檎加脿顟B(tài)。識(shí)別 ROI 狀態(tài)從占用變?yōu)榭罩盟璧臅r(shí)間可由用戶配置，默認(rèn)設(shè)置為 5 分鐘。
人數(shù)和位置數(shù)據(jù)的產(chǎn)生延遲也同樣很小。有人進(jìn)入由用戶在調(diào)試期間指定的區(qū)域后，該算法會(huì)在 1.5 s 內(nèi)提供經(jīng)過(guò)更新的人員數(shù)量及其位置數(shù)據(jù)。在檢測(cè)到個(gè)人后，該算法只需 113 ms 就能提供最新的數(shù)量和位置數(shù)據(jù)。
如上所述，Analog Devices 的 EagleEye 平臺(tái)并不傳輸其捕獲到的任何圖像。相反，DSP 在推送模式下使用其“通用異步接收發(fā)送器” (UART) 端口來(lái)傳輸占用情況元數(shù)據(jù)。該元數(shù)據(jù)包以 JSON 格式傳輸，包括占用狀態(tài)（占用或空置）、人數(shù)、表示人員位置的 x、y 坐標(biāo)以及其他數(shù)據(jù)（表 1）。
表 1：Analog Devices 的 EagleEye 算法通過(guò)生成包含本文所列元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)人隱私保護(hù)，而不是以不傳輸個(gè)人身份信息的方式實(shí)現(xiàn)。（表格來(lái)源：Analog Devices）
ADuCM4050 MCU 子系統(tǒng)位于 DSP 子系統(tǒng)下游，其運(yùn)行環(huán)境為 AWS FreeRTOS 環(huán)境，支持傳感器調(diào)試以及與 Analog Devices 的相關(guān)云服務(wù)進(jìn)行通信所需的高級(jí) EagleEye 應(yīng)用和連接服務(wù)（圖 2）。
32 位 ADuCM4050 MCU 為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用提供了全面的處理環(huán)境，如 Analog Devices 的 EagleEye。為了支持復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用工的作負(fù)載，ADuCM4050 基于Arm? Cortex?-M4F 52 MHz 處理器內(nèi)核構(gòu)建，集成了浮點(diǎn)單元 (FPU)、內(nèi)存保護(hù)單元 (MPU)、硬件加密加速器和受保護(hù)密鑰存儲(chǔ)功能。
圖 2：基于 Analog Devices 的 ADuCM4050，EagleEye 試用套件的 MCU 子系統(tǒng)支持更高級(jí)別的 IIoT 應(yīng)用，并在本地以及套件與云或其他建筑管理系統(tǒng)之間提供連接服務(wù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
一套集成電源管理功能包括多種電源模式和時(shí)鐘選通功能，使該器件能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗執(zhí)行。因此，MCU 在激活模式下只需每兆赫茲 41 微安 (μA/MHz) 的電流（典型值），休眠模下只需 0.65μA 電流（典型值）。在非激活期間，處理器在可快速喚醒關(guān)機(jī)模式下的電流消耗僅 0.20 μA（典型值），在完全關(guān)機(jī)模式下僅 50 納安 (nA)。
如何方便快捷地開(kāi)始人數(shù)統(tǒng)計(jì)
在試用套件中，Analog Devices 將 DSP 和 MCU 子系統(tǒng)與一個(gè)攝像頭傳感器、一個(gè)鏡頭、LED 和按鈕集中在一個(gè)緊湊的封裝中（圖 3）。
圖 3：Analog Devices 的 EagleEye 試用套件中的二維視覺(jué)傳感器單元 為快速部署而設(shè)計(jì)，能夠很容易地安裝在感興趣區(qū)域的上方，方便人數(shù)統(tǒng)計(jì)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
開(kāi)發(fā)人員只需將傳感器單元直接安裝在房間或室內(nèi)感興趣區(qū)域的上方，就可以快速進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)。該傳感器可以使用各種不同的電源。用戶可以用一根電線連接該裝置的直流接頭，為其提供 5.5 V - 36 V 直流電源，或經(jīng)過(guò)微型 USB 電纜提供 USB 電源，或?yàn)槌^(guò) 1 m 的情況使用有源 USB 延長(zhǎng)線供電。
安裝傳感器單元后，用戶可以使用配套的 EagleEye PeopleCount 應(yīng)用程序直觀地確認(rèn)傳感器的位置和所需的視場(chǎng) (FOV)，該應(yīng)用程序可在 iOS 平板電腦的蘋果應(yīng)用商店或安卓平板電腦的 Google Play 中下載（圖 4）。
圖 4：Analog Devices 的 EagleEye PeopleCount 應(yīng)用程序方便用戶在調(diào)試前確認(rèn)傳感器單元的位置。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
用戶驗(yàn)證了傳感器 FOV 后，即可繼續(xù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)備調(diào)試。在調(diào)試期間和以后的運(yùn)行過(guò)程中，用戶可以觀察傳感器單元中內(nèi)置的 DSP 和 MCU 的 LED 指示燈，監(jiān)測(cè)各自子系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)（表 2）。
表 2：Analog Devices 的 EagleEye 試用套件傳感器單元中內(nèi)置的獨(dú)立 LED 指示燈，用于連續(xù)指示 DSP 和 MCU 子系統(tǒng)的狀態(tài)。（表格來(lái)源：Analog Devices）
該應(yīng)用程序可以引導(dǎo)用戶完成傳感器調(diào)試步驟。在這個(gè)過(guò)程中，用戶通過(guò)標(biāo)記出“納入掩膜 (inclusive mas)”，如地板掩膜（圖 5，左），指出算法應(yīng)在 FOV 內(nèi)監(jiān)測(cè)哪些區(qū)域。將非監(jiān)測(cè)區(qū)域排除對(duì)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)同樣重要。在調(diào)試過(guò)程中，配套的應(yīng)用程序允許用戶指定不同的“排除掩膜 (exclusion mask)”，例如，窗口和顯示屏（圖 5，右）。
圖 5：在調(diào)試過(guò)程中，用戶使用配套的應(yīng)用程序來(lái)識(shí)別 EagleEye PeopleCount 算法應(yīng)該檢查或忽略的區(qū)域，具體方法為使用“納入掩膜”，如地板掩膜（左），以及在窗戶或其他降低人員計(jì)數(shù)精度的區(qū)域使用“排除掩膜”（右）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
安裝和調(diào)試完成后，傳感器單元即可開(kāi)始將其元數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Analog Devices 云端。通過(guò)使用注冊(cè)時(shí)提供的憑證登錄到云端，用戶可以檢查一系列占用情況圖（圖 6）。
圖 6：Analog Devices 的 EagleEye 試用套件傳感器單元的安裝、調(diào)試完成后，用戶可以登錄 Analog Devices 云端的在線儀表板，實(shí)時(shí)查看占用數(shù)據(jù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
Analog Devices 的 EagleEye PeopleCount 技術(shù)平臺(tái)可以嵌入到由相應(yīng)的 Blackfin 處理器、合適的外部閃存構(gòu)建的定制設(shè)計(jì)中。Analog Devices 還為試用套件的注冊(cè)客戶提供 EagleEye 軟件包。對(duì)于下游的 MCU 子系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者可以增加其功能，包括更多的傳感器、使用任何能夠運(yùn)行 EagleEye 傳感器接口的系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)；同時(shí)，還可提供所需的連接。然而，對(duì)于希望在其樓宇管理系統(tǒng)中快速采用人數(shù)統(tǒng)計(jì)的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，Analog Devices EagleEye 試用套件提供了一個(gè)交鑰匙型傳感器到云解決方案。
總結(jié)
隨著公司為用于辦公室照明、供暖和制冷的大量建筑能源消耗付出代價(jià)，需要對(duì)經(jīng)常空置的辦公空間進(jìn)行有效資源管理，從而推動(dòng)了對(duì)更準(zhǔn)確的占用數(shù)據(jù)的需求。基于在低功耗數(shù)字信號(hào)處理器上運(yùn)行的專有算法，ADSW4000KTZ 試用套件為評(píng)估和部署占用監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)全面的傳感器到云平臺(tái)。該平臺(tái)能夠提供更有效地管理建筑能源所需的房間級(jí)實(shí)時(shí)占用數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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https://www.noaa.gov/topic-tags/monthly-climate-report
https://www.us.jll.com/en/space-utilization
https://www.kastle.com/safety-wellness/getting-america-back-to-work/
