占用監(jiān)測在建筑自動(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)解決方案并開發(fā)出適當(dāng)?shù)乃惴ǎ@可能需要時(shí)間和成本。隨著對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越高，就需要一種更簡單、更快速的方法。
本文將討論占用監(jiān)測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)測功能的復(fù)雜應(yīng)用的各種要求。
為什么占用監(jiān)測很重要
對人員的數(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)測量占用情況對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，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一直在持續(xù)，2020 年證明比 2019 年更溫暖。因此，根據(jù)美國國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，這一趨勢仍在繼續(xù)，2021 年 7 月被記錄為全球有史以來最熱的月份 [3]。由于 7 月之前的四個(gè)月都被列入有史以來 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 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。對于具體公司來說，減少能源消耗會(huì)給他們的公司利潤及員工福利帶來直接的好處。
就最大限度地減少能源利用來講，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手段。
實(shí)施占用檢測解決方案
自動(dòng)占用檢測解決方案的設(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，形成完整的應(yīng)用，從而能夠在人們進(jìn)入和離開室內(nèi)空間時(shí)即時(shí)做出反應(yīng)。開發(fā)并支持這樣的應(yīng)用需要時(shí)間和資源。Analog Devices 提供了一種更簡單的途徑：ADSW4000 EagleEye，這是一款完整的基于二維視覺傳感器的、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，因此沒有任何個(gè)人身份信息流出平臺(tái)，這符合越來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)測到的人數(shù)、他們在該區(qū)域的坐標(biāo)位置及移動(dòng)情況。
為了幫助加快開發(fā)高級占用監(jiān)測應(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)測任務(wù)。另外，該套件可以作為定制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，讓開發(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 試用套件包括一對子系統(tǒng)，用基于 Blackfin DSP 的子系統(tǒng)來生成人數(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)則用來處理連接和更高級別的應(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 算法來獲取并處理圖像。（圖片來源：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)過更新的人員數(shù)量及其位置數(shù)據(jù)。在檢測到個(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 算法通過生成包含本文所列元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包來實(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 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)。（圖片來源：Analog Devices）
開發(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)過微型 USB 電纜提供 USB 電源，或?yàn)槌^ 1 m 的情況使用有源 USB 延長線供電。
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 (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。（圖片來源：Analog Devices）
用戶驗(yàn)證了傳感器 FOV 后，即可繼續(xù)進(jìn)行簡單的設(shè)備調(diào)試。在調(diào)試期間和以后的運(yùn)行過程中，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)過程中，用戶通過標(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)測哪些區(qū)域。將非監(jiān)測區(qū)域排除對準(zhǔn)確計(jì)數(shù)同樣重要。在調(diào)試過程中，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)試過程中，用戶使用配套的應(yīng)用程序來識(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）。（圖片來源：Analog Devices）
安裝和調(diào)試完成后，傳感器單元即可開始將其元數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Analog Devices 云端。通過使用注冊時(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客戶提供 EagleEye 軟件包。對于下游的 MCU 子系統(tǒng)，開發(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)的開發(fā)人員來說，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 試用套件為評估和部署占用監(jiān)測提供了一個(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實(shí)時(shí)占用數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)
https://www.worldgbc.org/news-media/WorldGBC-embodied-carbon-report-published
https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/202107/supplemental/page-1
https://www.noaa.gov/news/its-official-july-2021-was-earths-hottest-month-on-record
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/
