低功耗廣域網（LPWAN，Low Power Wide Area Network）技術是一種專為低功耗設備設計的遠距離無線通信技術，適用于需要小數(shù)據(jù)量、遠距離、長續(xù)航的物聯(lián)網（IoT）應用。在智能建筑中，LPWAN 具有非常廣泛的應用價值。
LPWAN 技術主要包括 LoRa、NB-IoT 和 Sigfox等類型，具有超低功耗、遠距離傳輸和良好穿透能力的特點，能夠支持大規(guī)模設備的接入，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)的維護成本。這些連接解決方案提供了前所未有的實時監(jiān)控、自動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)驅動決策能力，不受傳統(tǒng)建筑管理方法的限制。智能建筑技術通過可擴展、節(jié)能的連接網絡解決了關鍵的運營挑戰(zhàn)，例如：
能源浪費居住者不適維護效率低下運營改進和成本降低建筑工程師現(xiàn)在可以使用工具進行全面的環(huán)境監(jiān)測、精確的空間利用率跟蹤和精細的能耗分析。 這些進步曾經無法通過傳統(tǒng)系統(tǒng)獲得，但現(xiàn)在已成為可持續(xù)建筑設計和運營的基礎力量。
LPWAN 技術的比較分析
LPWAN 技術為特定的智能建筑應用提供了多種連接解決方案。 這些技術在范圍能力、功耗指標和數(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)造了一系列實施選項。
授權頻譜 LPWAN 技術在 3GPP 標準的蜂窩頻段上運行，提供增強的可靠性和服務質量 (QoS) 保證，但成本較高。
LTE-M (LTE Cat-M1/eMTC)是一種基于蜂窩的技術，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，支持需要實時響應的高級應用。LTE-M 適用于需要一致數(shù)據(jù)傳輸和漫游功能的應用。市場采用顯示，中國以外的市場份額為32%，由于與現(xiàn)有 LTE 網絡基礎設施兼容，在北美、歐洲和澳大利亞廣泛實施。
NB-IoT（窄帶物聯(lián)網）也是一種蜂窩技術，可提供室內穿透和連接可靠性。它在結構障礙復雜的密集城市環(huán)境中尤其有價值。該技術在中國保持市場主導地位，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 技術利用未經授權的工業(yè)、科學和醫(yī)療 (ISM) 頻段，提供更低的成本和獨立的專用網絡選項。其中包括：LoRaWAN、SigFox、Z-Wave 和 Z-Wave Long Range 等。
實際應用
LPWAN 技術可在關鍵運營領域實現(xiàn)復雜的樓宇自動化。有各種各樣的應用為建筑工程師帶來了明顯的好處。
首先，LPWAN 技術通過以下方式改變 HVAC 運營：
持續(xù)監(jiān)控能力預測性維護算法能源優(yōu)化控制系統(tǒng)這些網絡提供實時環(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)調整以匹配實際使用條件。這種方法減少了不必要的能源消耗，同時通過主動維護實踐延長了設備使用壽命。
動態(tài)分區(qū)代表了一種特別有價值的應用，它根據(jù)占用數(shù)據(jù)創(chuàng)建自適應溫度控制，使建筑物能夠根據(jù)實時占用數(shù)據(jù)創(chuàng)建自適應區(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。他們的目標是消除無人占用區(qū)域的浪費，并在使用空間中建立一致的舒適度。
預測性維護系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控設備性能，以在發(fā)生嚴重故障之前識別潛在故障。振動傳感器跟蹤冷卻器機組的運行特性，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)實際使用情況而不是任意時間表進行更換時自動生成警報。
其次，LPWAN 網絡提供一系列占用數(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)結合了來自多個傳感器輸入的數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建準確的占用水平并觸發(fā)適當?shù)淖詣禹憫?/p>
傳統(tǒng)的運動傳感器通常無法記錄靜止的占用者，從而產生錯誤的空置讀數(shù)。先進的 LPWAN 實施將運動檢測與 CO2 測量和溫度監(jiān)測相結合，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)合辦公設施中創(chuàng)建靈活高效的空間分配計劃。
它們可以在高峰時段跟蹤占用情況，并為設施工程師提供可操作的數(shù)據(jù)以優(yōu)化布局配置。當移動應用程序與這些系統(tǒng)一起部署時，它們有助于引導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成本。同樣，支持 LPWAN 的系統(tǒng)可以通過移動應用程序引導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)實時傳輸給應急響應小組。
該系統(tǒng)將撤離人員引導到最安全的出口路線，減少擁堵并縮短響應時間。額外的監(jiān)控功能可以跟蹤包括滅火器和醫(yī)療設備在內的應急設備，如果物品從指定位置移動，則會立即發(fā)出警報。
第三，LPWAN 技術提供了對整個建筑系統(tǒng)的消費模式的詳細洞察。這些網絡在設備和區(qū)域級別提供使用數(shù)據(jù)，同時在高峰需求期間自動調整非必要系統(tǒng)。此功能可確保遵守當?shù)?、州和?lián)邦法規(guī)以及綠色建筑認證標準。
分表裝置測量特定的電力、水、天然氣和熱能消耗點，識別過度使用模式并制定有針對性的干預策略。特別是擁有能源密集型設備的工業(yè)設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力渦輪機的輸出并將其與建筑物消耗進行比較，以確保有效利用可再生資源。智能電網實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。
實施挑戰(zhàn)
雖然 LPWAN 技術為智能建筑應用提供了顯著的優(yōu)勢，但仍需要考慮幾個實施挑戰(zhàn)。來自物理結構或競爭無線網絡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用的適用性，而安全漏洞則需要強大的加密和身份驗證策略。
集成復雜性帶來了額外的障礙，因為使用 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)關注的問題，因為頻繁的數(shù)據(jù)傳輸會耗盡傳感器電池，從而產生更換或充電的維護要求。
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領域的良好進展：
人工智能驅動的優(yōu)化：高級算法將預測能源需求，自動調整 HVAC 操作并在最少的人為干預下提高居住者的舒適度。5G 集成：增強的連接規(guī)范將支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，以滿足需要增加帶寬的復雜應用的需求。邊緣計算實施：本地化數(shù)據(jù)處理將通過分布式智能減少傳輸延遲并提高系統(tǒng)響應能力。互操作性標準：統(tǒng)一的通信協(xié)議將確保不同設備和管理平臺之間的無縫集成，從而簡化部署流程。總結
將 LPWAN 技術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不斷變化的條件、從操作模式中學習并在無需人工干預的情況下響應居住者的需求。它在建筑環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展目標之間建立了新的關系，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者。
隨著智能建筑的采用加速，LPWAN 技術將越來越多地充當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系統(tǒng)。這些技術的持續(xù)發(fā)展有望通過數(shù)據(jù)驅動的管理策略進一步提高建筑性能、居住者滿意度和環(huán)境可持續(xù)性。
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