LPWAN及其在智能建筑中的作用

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）技術(shù)是一種專為低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，適用于需要小數(shù)據(jù)量、遠(yuǎn)距離、長續(xù)航的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用。在智能建筑中，LPWAN 具有非常廣泛的應(yīng)用價值。

LPWAN 技術(shù)主要包括 LoRa、NB-IoT 和 Sigfox等類型，具有超低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸和良好穿透能力的特點(diǎn)，能夠支持大規(guī)模設(shè)備的接入，并在無需頻繁更換電池的情況下持續(xù)工作多年，極大地降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。這些連接解決方案提供了前所未有的實(shí)時監(jiān)控、自動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動決策能力，不受傳統(tǒng)建筑管理方法的限制。智能建筑技術(shù)通過可擴(kuò)展、節(jié)能的連接網(wǎng)絡(luò)解決了關(guān)鍵的運(yùn)營挑戰(zhàn)，例如：

建筑工程師現(xiàn)在可以使用工具進(jìn)行全面的環(huán)境監(jiān)測、精確的空間利用率跟蹤和精細(xì)的能耗分析。 這些進(jìn)步曾經(jīng)無法通過傳統(tǒng)系統(tǒng)獲得，但現(xiàn)在已成為可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)營的基礎(chǔ)力量。

LPWAN 技術(shù)的比較分析

LPWAN 技術(shù)為特定的智能建筑應(yīng)用提供了多種連接解決方案。 這些技術(shù)在范圍能力、功耗指標(biāo)和數(shù)據(jù)傳輸容量方面表現(xiàn)出顯著差異，為建筑管理系統(tǒng)創(chuàng)造了一系列實(shí)施選項(xiàng)。

授權(quán)頻譜 LPWAN 技術(shù)在 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩頻段上運(yùn)行，提供增強(qiáng)的可靠性和服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 保證，但成本較高。

LTE-M (LTE Cat-M1/eMTC)是一種基于蜂窩的技術(shù)，與其他方案相比，它提供更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲，支持需要實(shí)時響應(yīng)的高級應(yīng)用。LTE-M 適用于需要一致數(shù)據(jù)傳輸和漫游功能的應(yīng)用。市場采用顯示，中國以外的市場份額為32%，由于與現(xiàn)有 LTE 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施兼容，在北美、歐洲和澳大利亞廣泛實(shí)施。

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）也是一種蜂窩技術(shù)，可提供室內(nèi)穿透和連接可靠性。它在結(jié)構(gòu)障礙復(fù)雜的密集城市環(huán)境中尤其有價值。該技術(shù)在中國保持市場主導(dǎo)地位，獲得了政府的大力支持，占連接的 84%，同時在歐洲市場和中東地區(qū)也得到了廣泛采用。

非蜂窩 LPWAN 技術(shù)利用未經(jīng)授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段，提供更低的成本和獨(dú)立的專用網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)。其中包括：LoRaWAN、SigFox、Z-Wave 和 Z-Wave Long Range 等。

實(shí)際應(yīng)用

LPWAN 技術(shù)可在關(guān)鍵運(yùn)營領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的樓宇自動化。有各種各樣的應(yīng)用為建筑工程師帶來了明顯的好處。

首先，LPWAN 技術(shù)通過以下方式改變 HVAC 運(yùn)營：

這些網(wǎng)絡(luò)提供實(shí)時環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度變化、濕度水平和占用模式，允許動態(tài)調(diào)整以匹配實(shí)際使用條件。這種方法減少了不必要的能源消耗，同時通過主動維護(hù)實(shí)踐延長了設(shè)備使用壽命。

動態(tài)分區(qū)代表了一種特別有價值的應(yīng)用，它根據(jù)占用數(shù)據(jù)創(chuàng)建自適應(yīng)溫度控制，使建筑物能夠根據(jù)實(shí)時占用數(shù)據(jù)創(chuàng)建自適應(yīng)區(qū)域。傳感器檢測空閑區(qū)域（例如無人占用的會議室），并自動調(diào)整 HVAC 參數(shù)，同時在活躍使用的空間中保持最佳條件。他們的目標(biāo)是消除無人占用區(qū)域的浪費(fèi)，并在使用空間中建立一致的舒適度。

預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控設(shè)備性能，以在發(fā)生嚴(yán)重故障之前識別潛在故障。振動傳感器跟蹤冷卻器機(jī)組的運(yùn)行特性，并在出現(xiàn)異常模式時向建筑工程師發(fā)出警報。其他傳感器監(jiān)控諸如過濾器條件之類的情況，并在需要根據(jù)實(shí)際使用情況而不是任意時間表進(jìn)行更換時自動生成警報。

其次，LPWAN 網(wǎng)絡(luò)提供一系列占用數(shù)據(jù)，可優(yōu)化空間利用率并提高建筑安全性。這些系統(tǒng)結(jié)合了來自多個傳感器輸入的數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建準(zhǔn)確的占用水平并觸發(fā)適當(dāng)?shù)淖詣禹憫?yīng)。

傳統(tǒng)的運(yùn)動傳感器通常無法記錄靜止的占用者，從而產(chǎn)生錯誤的空置讀數(shù)。先進(jìn)的 LPWAN 實(shí)施將運(yùn)動檢測與 CO2 測量和溫度監(jiān)測相結(jié)合，以確定精確的房間使用情況。這意味著，在私人和公共環(huán)境中，LPWAN 傳感器可用于跟蹤辦公桌利用率，并在企業(yè)、公共和聯(lián)合辦公設(shè)施中創(chuàng)建靈活高效的空間分配計(jì)劃。

它們可以在高峰時段跟蹤占用情況，并為設(shè)施工程師提供可操作的數(shù)據(jù)以優(yōu)化布局配置。當(dāng)移動應(yīng)用程序與這些系統(tǒng)一起部署時，它們有助于引導(dǎo)員工找到可用的工作空間，并最終有助于降低照明、暖通空調(diào)和輔助系統(tǒng)的成本。

LPWAN 傳感器可用于跟蹤辦公桌使用情況，并在私人、公共和聯(lián)合辦公環(huán)境中提供更靈活、更高效的辦公空間。傳感器可以監(jiān)控高峰時段哪些辦公桌被占用，并向設(shè)施工程師提供數(shù)據(jù)，幫助他們優(yōu)化辦公室布局并降低房地產(chǎn)成本。同樣，支持 LPWAN 的系統(tǒng)可以通過移動應(yīng)用程序引導(dǎo)員工找到可用的工作空間。

在緊急情況下，LPWAN 為疏散管理提供關(guān)鍵信息。傳感器識別被占用的建筑部分，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給應(yīng)急響應(yīng)小組。

該系統(tǒng)將撤離人員引導(dǎo)到最安全的出口路線，減少擁堵并縮短響應(yīng)時間。額外的監(jiān)控功能可以跟蹤包括滅火器和醫(yī)療設(shè)備在內(nèi)的應(yīng)急設(shè)備，如果物品從指定位置移動，則會立即發(fā)出警報。

第三，LPWAN 技術(shù)提供了對整個建筑系統(tǒng)的消費(fèi)模式的詳細(xì)洞察。這些網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備和區(qū)域級別提供使用數(shù)據(jù)，同時在高峰需求期間自動調(diào)整非必要系統(tǒng)。此功能可確保遵守當(dāng)?shù)亍⒅莺吐?lián)邦法規(guī)以及綠色建筑認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

分表裝置測量特定的電力、水、天然氣和熱能消耗點(diǎn)，識別過度使用模式并制定有針對性的干預(yù)策略。特別是擁有能源密集型設(shè)備的工業(yè)設(shè)施可從這種方法中受益。

借助 LPWAN 監(jiān)控系統(tǒng)，可再生能源整合變得更加有效。傳感器跟蹤太陽能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出并將其與建筑物消耗進(jìn)行比較，以確保有效利用可再生資源。智能電網(wǎng)實(shí)施將多余的能量存儲在電池系統(tǒng)中，以便在高需求期間釋放。

實(shí)施挑戰(zhàn)

雖然 LPWAN 技術(shù)為智能建筑應(yīng)用提供了顯著的優(yōu)勢，但仍需要考慮幾個實(shí)施挑戰(zhàn)。來自物理結(jié)構(gòu)或競爭無線網(wǎng)絡(luò)的信號干擾可能會中斷通信，尤其是在具有多個射頻源的密集城市環(huán)境中。數(shù)據(jù)速率限制限制了帶寬密集型應(yīng)用的適用性，而安全漏洞則需要強(qiáng)大的加密和身份驗(yàn)證策略。

集成復(fù)雜性帶來了額外的障礙，因?yàn)槭褂?LPWAN 解決方案改造現(xiàn)有建筑系統(tǒng)需要兼容的硬件組件和軟件接口。電源管理仍然是一個持續(xù)關(guān)注的問題，因?yàn)轭l繁的數(shù)據(jù)傳輸會耗盡傳感器電池，從而產(chǎn)生更換或充電的維護(hù)要求。

未來發(fā)展

智能建筑中 LPWAN 的未來發(fā)展軌跡顯示出多個技術(shù)領(lǐng)域的良好進(jìn)展：

總結(jié)

將 LPWAN 技術(shù)集成到建筑工程中有助于創(chuàng)建智能空間，這些空間可以不斷適應(yīng)不斷變化的條件、從操作模式中學(xué)習(xí)并在無需人工干預(yù)的情況下響應(yīng)居住者的需求。它在建筑環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)之間建立了新的關(guān)系，將建筑定位為節(jié)能的積極參與者，而不是資源的被動消費(fèi)者。

隨著智能建筑的采用加速，LPWAN 技術(shù)將越來越多地充當(dāng)將不同的建筑功能連接到有凝聚力的智能操作中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。這些技術(shù)的持續(xù)發(fā)展有望通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的管理策略進(jìn)一步提高建筑性能、居住者滿意度和環(huán)境可持續(xù)性。

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