新一代ToF传感技术助力节能减排

据麦姆斯咨询报道，近日美国能源部先进研究计划局(ARPA-E)宣布了一笔总值2000万美元的资金支持计划，将用于开发15项新型传感器系统，通过降低住宅和商业建筑的制冷和制热需求来显著降低能耗。美国新墨西哥大学(University of New Mexico)和美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)照明系统和应用中心的研究人员正在合作为商业场所的人员计数、定位和跟踪应用，开发一种低成本、私密性较高的新型传感器技术。整个资助计划将在未来3年，为该项目的开发和测试提供237.5万美元的资金。

美国新墨西哥大学(University of New Mexico)和美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)照明系统和应用中心的研究人员正在合作为商业场所的人员计数、定位和跟踪应用，开发一种低成本、私密性较高的新型传感器技术

根据ARPA-E提供的数据，全美目前大约有13%的能源被用于建筑内的制冷、制热以及通风系统(HVAC，暖通空调系统)。对于商业建筑，HVAC是最大的能耗应用，大约占总能耗的37%。可是，那些没有人员或人员较少的房间，常常因为过度的制热、制冷或通风，浪费了大量的能源。由于缺乏精准、可靠的人员存在监测信息，现有的建筑自动化控制系统还无法从根源上降低HVAC造成的能耗浪费。

ARPA-E提出的“利用人员存在监测，实现全国范围内建筑物节能减排(SENSOR)”计划，将通过支持创新的高精准人员存在探测传感器和计数器，来优化建筑物HVAC系统以降低成本、节约能耗。

“凭借来自ARPA-E的资助，LESA将能够基于目前的基础研究，展示数字照明的强大性能，它能够通过空间内任意物体的反射光，获取房间内精确的人员存在及活动信息，并且，这种传感技术不会涉及人员的隐私问题，” LESA负责人兼美国伦斯勒理工学院电子计算机系统工程学院教授 Robert F. Karlicek Jr.说，“在该计划中，LESA团队将应用其数字照明概念，使建筑物实现更高的能效。不过，这还仅是数字照明逐渐成为智能建筑、医疗、园艺、5G无线通信和环境认知等物联网平台基础的开始。”

据Karlicek介绍，这款传感器将基于LESA之前开发的红外飞行时间(ToF)测距技术进行进一步开发，还将利用由LESA的院校合作伙伴美国新墨西哥大学开发并申请专利的plenoptic(捕捉某场景内发射出的所有光场信息的光场)探测技术，并将集成由LESA光电照明和通信团队所开发的传感器信号处理电路。

“这款微型低成本ToF传感器阵列可以安装在照明设施或天花板上，” Karelicek说，“然后，房间内部署的多个传感器可以搭建一个小型的传感器网，通过连续扫描整个房间的距离信息，可以精准地构建房间内人员的数量、位置和活动地图。由于它不能成像识别人员，因此，不会涉及侵犯隐私问题。”

新墨西哥大学将利用其开发并已经在近期获得美国专利授权的(US9766123)集成光学技术，研究开发一款能够提供多个空间分离ToF信号的传感器阵列。新墨西哥大学的技术采用了一种光栅耦合波导技术作为光谱和角度滤波器。其输入耦合区域从硅探测区域分离，以提供独特的plenoptic传感器，能够提供无与伦比的光谱和角分辨率，并且，这款传感器还与成熟的硅集成电路制造技术完全兼容，因而能够确保较低的制造成本。

据研究人员称，通过建筑内传感器网络获取的人员运动和位置信息，能够持续提供精准的屋内人员数量信息。再利用特殊的传感器算法进行人员跟踪，以避免人员在传感器之间移动时出现短暂的信息丢失，由此可以减少传感器网络搭建所需要的传感器数量。新的ToF成像处理算法将在LESA之前开发的ToF传感技术上做进一步开发，以充分利用双方联合开发的plenoptic ToF芯片的新性能。

据LESA产业成员ABB介绍，该系统会将人员存在数据发送至建筑自动控制系统，从而更高效地控制建筑内的HVAC能耗，以最大限度的提高建筑整体能效。该系统的目标是以最经济最合理的成本，为建筑物内的人员提供最优化的舒适环境。ABB将通过其美国研发机构与LESA团队紧密合作，利用EnergyPlus模型和硬件仿真测试来验证传感器的性能，以及各种办公环境的节能数据。ABB团队还将全力支持这款新型红外ToF传感器系统(美国能源部ARPA-E SENSOR计划的重要成果)的商业化。