Rakennusautomaatioon kaivattaisiin anturia, joka kykenee sisätiloissa tunnistamaan ihmisten lukumääriä ja mittaamaan kohdealueiden lämpöjakaumia loukkaamatta kenenkään yksityisyyttä. Melexis on kehittänyt tällaisen lämpökuvakennon, joka täyttää lämpökameran ja yksinkertaisen PIR-anturin väliin jäävän aukon.

Viimeisten 50 vuoden aikana seinien ja välipohjien paremmat eristykset, monilasi-ikkunat ja ledipohjaiset valaistusjärjestelmät ovat yhdessä vähentäneet merkittävästi asuinrakennusten ja liiketilojen lämmön ja sähköenergian kulutusta. Näistä edistysaskelista huolimatta talotekniikka kärsii edelleen erilaisista tehottomuuksista.

Esimerkiksi tilojen alikäyttö tarkoittaa, että monet rakennukset ovat kooltaan suurempia kuin niiden tarvitsisi tilojen käyttäjämäärän perusteella olla. Energiaa menee hukkaan, koska tilat ovat valaistuja ja lämmitettyjä myös tyhjillään. Ja perinteiset sisätilojen lämmitystekniikat tuottavat huonolla hyötysuhteella lämpöä ja mukavuutta käyttäjille.

Tämän tehottomuuden perussyy on tähän asti ollut rakennusten ohjausjärjestelmien heikoin lenkki: ihmiset. On valitettavan totta, että ihmiset jättävät rutiininomaisesti valot päälle huoneesta poistuessaan, varaavat kokoushuoneita saapumatta itse kokoukseen ja asettavat tavoitelämpötilan liian korkeaksi tullessaan kylmään huoneeseen.

Jos rakennuksista voitaisiin tehdä enemmän itsesäätäviä, niiden käyttäjät ja koko maapallo hyötyisivät siitä: paranneltu rakennusautomaatio vähentäisi rakennusten lämmitys-, ilmanvaihto- ja valaistusjärjestelmien tuottamia kasvihuonekaasupäästöjä ja samalla alentaisi käyttökustannuksia.

Kehitystä tämän toivotun lopputuloksen saavuttamiseksi kiihdyttää nykyään kaksi samanaikaista suuntausta. Ensinnäkin liiketiloihin ja asuntoihin sovellettavat maailmanlaajuiset säännökset kiristävät vaatimuksia, jotta rakennukset täyttäisivät energiatehokkuuden ja sisäilman laadun vähimmäisnormit.

Toiseksi, tarjolle on tuotu monipuolista, edullista puolijohdetekniikkaa, joka tukee vahvaa datalähtöistä tekoälyä (AI) ja antaa koneille mahdollisuuden tehdä päätöksiä, jotka edellyttävät monimutkaisten ja epäselvien datajoukkojen kuten kuvatiedostojen tulkintaa ihmismäisellä tavalla.

Tämän seurauksena laitevalmistajat, jotka tuottavat lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointilaitteita (HVAC), turva- ja kulunvalvontalaitteita, valaistuksen ohjauslaitteita sekä rakennusautomaatiojärjestelmiä, etsivät innokkaasti mahdollisuuksia vallata osan näistä markkinoista, joiden arvioidaan tänä vuonna nousevan noin 75 miljardiin dollariin.

Osa rakennusautomaation seuraavan sukupolven järjestelmien arvosta tulee tekniikasta, joka tarkkailee tilojen käyttöastetta, laskee ihmismääriä ja mittaa rakennusten sisäisiä lämpötiloja. Kaikki nämä toiminnot voidaan suorittaa infrapuna-alueella toimivalla anturikennolla.

Tälläkin alueella tekninen kehitys mahdollistaa uusia toiminnallisuuksia ja entistä kehittyneempiä käyttötapoja lukuisille eri järjestelmille kuten valaistuksen ja lämmityksen ohjaukselle sekä ilmanvaihdolle.

Edullinen korttitason lämpökuvakenno

Infrapuna- eli lämpösäteilyyn perustuva etätunnistus tarjoaa ihanteellisen tavan havaita lämpösäteilyä lähettäviä kohteita laajalla spektrialueella. Lämpökamerat havaitsevat osan lämpösäteilyn spektristä, esimerkiksi aallonpituuksien 700 – 1200 nm välillä.

IR-säteilyä tunnistavat kuvakennot eivät toimi näkyvän valon spektrialueella, joten ne eivät tarvitse valaistustekniikkaa ja toimivat yhtä tehokkaasti sekä päivänvalossa että yöllä. Koska infrapunakenno voi etämitata lämpötilaa tarkasti, samaa laitetta voidaan käyttää lämpösäteilyä lähettävien kohteiden kuten ihmiskehojen havaitsemiseen ja myös pintalämpötilojen mittaamiseen.

Nämä toiminnot ovat erittäin arvokkaita rakennusautomaation älykkäissä järjestelmissä, joissa niitä voidaan käyttää monin tavoin:

- Optimoimaan tilankäyttöä havaitsemalla tyhjät tilat (esim. kokoushuoneet) ja sovittamalla huonevarauksen tehneiden ihmisten lukumäärän käytettävissä oleviin tiloihin. Tämä voi auttaa kiinteistön ylläpitäjiä välttämään ylimääräisiä hukkatiloja, jotka jäisivät vajaakäyttöön.

- Säätämään valaistusta ja ilmanvaihtoa huoneen käyttöasteen mukaan. Tämä voi tarkoittaa esimerkiksi valojen sammuttamista tyhjissä tiloissa ja raitisilman virtauksen lisäämistä ihmisistä täyttyviin tiloihin ilmanlaadun ylläpitämiseksi.

- Säätämään automaattisesti lämmityksen tehokkuutta siellä, missä se on tarpeen. Lämpöpatterien konvektio lämmittää ensi sijassa huoneiden reuna-alueita. Suuressa tilassa tästä voi jäädä kylmiä kohtia huoneen keskialueille, missä ihmiset yleensä oleskelevat. Lämpöanturi, joka mittaa lähellä olevien pintojen lämpötilaa, voi säätää lämmitysjärjestelmää ja varmistaa, että tavoitelämpötila saavutetaan huoneen eniten käytetyssä osassa.

Kuva 1. Lämpökameralla otettu yksityiskohtainen kuva sudesta. Kuvan on ottanut Yhdysvaltain geologinen tutkimuskeskus Yellowstonen kansallispuistossa.

Viime aikoihin asti näissä termisen läsnäolon havaitsemiseen tarkoitetuissa sovelluksissa on voitu käyttää vain kahdentyyppisiä lämpöantureita, joilla kummallakin on merkittäviä puutteita.

Täysimittainen infrapunakamera eli lämpökamera tarjoaa erittäin yksityiskohtaisen videokuvan kohteen lämpöprofiilista. Kuva on niin tarkka, että siitä voi myös nähdä, mitä kohdetilassa olevat ihmiset tekevät (kuva 1). Tämä on sinänsä arvokas ominaisuus esimerkiksi turva- ja valvontalaitteissa.

Rakennusautomaation järjestelmissä kohteen asukkaiden yksityisyydelle asetetaan kuitenkin vahva oikeudellinen suoja, mikä merkitsee, että infrapunakameran käyttäminen edellyttäisi hankalia tietojen ja protokollien suojaustoimia.

Koska IR-kuvakennoihin perustuvat tarkat anturit ovat hyvin kalliita eikä rakennusautomaation järjestelmien tarvitse tunnistaa yksilöitä tai seurata heidän toimintaansa, kameratekniikka on periaatteessa sopimaton tähän käyttöön.

Markkinoiden toista ääripäätä edustavat yksinkertaiset PIR-anturit (pyroelectric infrared), jotka ovat useimmille tuttuja liiketunnistimista, jotka sytyttävät pihavaloja ja käynnistävät hälytyksiä kutsumattomista vieraista. Nämä laitteet ovat halpoja, mutta eivät pysty havaitsemaan paikallaan pysyviä kohteita. Lisäksi ne havaitsevat infrapunaa säteileviä kohteita ainoastaan noin 10 mikrometrin aallonpituuksilla – eivätkä kykene mittaamaan kohteen lämpötilaa.

Näiden kahden anturityypin väliin jää aukko: tarvitaan anturi, joka pystyy tuottamaan riittävän yksityiskohtaiset lämpötiedot sisältävän lämpökartan, mutta ei vaaranna kohteiden yksityisyyttä.

Tämän aukon Melexis-yhtiö on pyrkinyt täyttämään IR-herkkään pikselimatriisiin perustuvilla MLX9064x-sarjan antureillaan. Sarjan ensimmäinen tuote on MLX90640-anturikenno, joka tuottaa 768 pikselin (32 x 24) lämpökuvan (kuva 2). Anturia toimitetaan kahtena versiona, joista toisen näkökenttä on 55° x 35° ja toisen 110° x 75°.

Kuva 2. MLX90640-anturin tuottama lämpökuva ihmisen kädestä. Kuva näkyy Tianman valmistamalla värillisellä LCD-näytöllä, joka on asennettu Future Electronicsin Sequana-referenssikortin taakse (Kuva: Future Electronics).

Kun anturikennoa käytetään yritysten kokous- ja konferenssisalien kaltaisissa suurissa sisätiloissa, sen 32 x 24 pikselin resoluutio on riittävän alhainen estämään läsnäolijoiden tunnistamisen ja henkilökohtaisten yksityiskohtien havaitsemisen, mutta riittävän suuri, jotta järjestelmä voi laskea ihmisten lukumäärän.

Jakamalla kennon havaitseman näkökentän pikseleiksi anturi antaa mahdollisuuden myös kartoittaa suhteellisen yksityiskohtaisen lämpötilaprofiilin tilan käyttöasteeseen nähden. Näin lämpötila-asetukset voidaan mukauttaa huoneen käyttäjien todellisten kokemusten pohjalta sen sijaan, että säädettäisiin lämpötila tavoitearvoonsa seinälle asennetulla termostaatilla, joka on etäällä läsnäolijoista.

MLX90640-anturi toimitetaan piirilevyn reikiin asennettavassa nelinastaisessa TO39-standardikotelossa, johon on integroitu myös tarvittava optiikka. Anturi on riittävän pieni, jotta se voidaan sijoittaa monenlaisiin isäntälaitteisiin mukaan lukien kattovalaisimet, seinälle tai kattoon asennettavat ilmanvaihtokoneet, pöytämalliset ilmanpuhdistimet ja jopa älykaiuttimet.

Tärkeää on, että suunnittelijat voivat käyttää MLX90640-anturin tuottamia tietoja luotettavasti: tyypillinen tarkkuus on ± 1 °C koko mittausalueella -40 °C ... +300 °C. Hyvä tarkkuus on seurausta ainutlaatuisesta Melexis-pikselirakenteesta, jonka kohinataso on hyvin alhainen: rakenteen NETD-lukema (Noise Equivalent Temperature Difference) on 0,1K_rms yhden hertsin näytetaajuudella. (Demovideo anturin toiminnasta on nähtävissä Youtubessa).

Anturikennon sovelluskohteet

Lämpösäteilylle herkkään pikselimatriisiin perustuva anturi ei tuo laitesuunnitteluun merkittäviä vaikeuksia. Anturipaketissa on vain neljä liitäntänastaa: kaksi teholähdettä varten, yksi I²C-liitännän kellotuloa varten ja yksi I²C-väylän sarjamuotoista I/O-liitäntää varten.

Kuva 3. Future Electronicsin kehittämä Sequana Thermal -anturikortti, jolle on sijoitettu MLX90640-anturi (keskellä vasemmalla) ja Panasonicin läsnäolo/liiketunnistin EKMB1393111K (keskellä oikealla). (Kuva: Future Electronics)

Mahdollisia vaikeuksia voi syntyä laiteohjelmiston ja kohteeseen tarvittavan sovellusohjelman käyttöönotossa. I²C-liitännän kautta MLX90640-anturi voi antaa lämpötilatiedot jokaisesta 768 pikselistä. Yksityiskohtaiset rekisteriasetukset mahdollistavat eri parametrien kuten vahvistuksen, herkkyyden, offsetin ja resoluution säätämisen. Tämä laiteohjelmisto sijaitsee anturin ulkopuolella – sitä isännöi mikro-ohjain tai sovellusprosessori.

Tällaisen laiteohjelmiston kehittäminen tyhjältä pöydältä olisi vaativa suunnittelutehtävä. Onneksi laitevalmistajat voivat nopeuttaa evaluointivaiheen aikatauluaan, sillä anturin valmistaja Melexis itse toimittaa mikro-ohjaimelle ajuritiedostoa, joka on vapaasti ladattavissa netistä [1]. Ohjainohjelmisto on kirjoitettu Arm Mbed -käyttöjärjestelmälle, jota käytetään nykyään laajasti ja joka on tuttu monille sulautettujen järjestelmien kehittäjille.

Rakennusautomaatiossa toimiviksi varmistettujen uusien laitesuunnittelukonseptien kehittämistä voidaan entisestään nopeuttaa käyttämällä Future Electronicsin laboratorioissa (Centres of Excellence) suunniteltua referenssikorttia. Sequana Thermal System -levy sisältää lämpöanturina toimivan tytärkortin (kuva 3), joka on liitetty toiseen kahdesta ohjainkortista, jotka ohjaavat 4,3 tuuman värillistä LCD-näyttöä.

MLX90640-anturin lisäksi tytärkortille on sijoitettu Panasonicin PaPIRs-liikeanturi EKMB1393111K. Todellisessa käyttösovelluksessa erittäin niukasti tehoa kuluttavaa PaPIRs-anturia voidaan käyttää herättämään MLX90640-anturi lepotilasta, jotta koko anturijärjestelmän tehonkulutus voidaan pitää minimissä. PaPIRs EKMB -tuoteperheessä on paljon erilaisia linssejä, ja se on saatavissa valmiustilan virta-arvoilla 1µA, 2µA ja 6μA eri sovelluksia varten.

Käyttäjä voi valita ohjainkortin kahdesta vaihtoehdosta: STMicroelectronicsin 32-bittinen STM32F746G tai NXP:n prosessori/mikro-ohjain-yhdistelmä i.MC RT1050 (kuva 4). Seguana Thermal -järjestelmän mukana toimitetaan Melexis-laiteohjelmisto, jota ajetaan Mbed OS -käyttöjärjestelmässä. Sen avulla kehittäjät voivat aloittaa välittömästi lämpöanturin suorituskyvyn evaluoinnin omassa sovelluksessaan. Tämä arviointi helpottuu, koska lämpöanturin tuottama lämpödata voidaan visualisoida värinäytölle tai yhtä hyvin siirtää isäntä-PC:lle ohjainkortin USB-liitännän kautta.

Kuva 4. Sequana Thermal -anturikortti (vasemmalla) asennettuna sulautetun järjestelmän päälevyyn. (Kuva: Future Electronics)

Parannuksia rakennusten hallintaan

Integroimalla MLX90640-lämpökuva-anturin omiin lopputuotteisiinsa (valaisimiin, valaistuksenohjaimiin, termostaatteihin jne.) laitevalmistajat voivat ottaa käyttöön edistyneitä toimintoja ihmisten laskentaan ja lämpökartoitukseen.

Laitteen lähtö voi ohjata pitkälle kehitettyjä rakennusten hallintajärjestelmiä, jotka parantavat käyttäjien mukavuutta ja vähentävät energiahävikkiä sekä varjelevat käyttäjiä yksityisyyden loukkauksilta.

Aloittamalla MLX90640-pohjaisen suunnittelun hyödyntämällä Sequana Thermal -referenssikorttia, suunnittelija voi nopeasti varmistaa, kuinka anturijärjestelmä toimii halutussa reaalimaailman sovelluskohteessa.

Viite [1] Melexis-ohjainohjelmisto on vapaasti ladattavissa osoitteesta https://github.com/melexis/mlx90640-library.git.

Lisätietoja: www.futureelectronics.com