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传感器应用于智能建筑楼宇系统 建筑物也有生命
2025/11/26
一旦无线传感器芯片能够低成本生产，那么将无数此类芯片在设计精良的楼宇基础设施中相连接便具有了一定的可操作性。Ahmed 预测说：“最终，我们将可以利用传感器来模仿自然。”正如我们的感觉和神经系统不断向大脑传送信息从而允许我们做出各种决定一样，楼宇管理系统内的处理器可以接受和处理来自成千上万只传感器的数据，并向各种子系统发出适当的指令。
安装于楼宇中的众多传感器通常用于向楼宇传达各类信息。目前，西门子的科学家们正致力于研究如何将传感器的诸多功能集合到一张小巧的芯片上。
长期以来，传感器因其昂贵的价格而无法广泛应用于楼宇系统。然而，不断进行的大量研究使得如今传感器的体积更为轻巧，价格更为低廉，使用更为灵活，如西门子研发的二氧化碳传感器
在位于德国慕尼黑的西门子中央研究院内，物理学家 Rainer Strzoda 走入他的工作区，想要检查空调系统是否正常运行。然而要完成这项工作，他只需要观察一下安装在墙上的一个小型装置。今天，这个由西门子科学家们研发出的激光传感器原型检测到了 400 ppm 的 二氧化碳。
“如果我们现在所处的环境中只含有 380ppm 的二氧化碳，那么这将是一个很好的数据。” Strzoda 说道，“因为，这个数据表明当前室内的二氧化碳含量仅略高于室外。”剩下的一天里，随着 Strzoda 和他的同事们继续进行研发及讨论研究结果，室内二氧化碳含量逐渐上升至 600–700 ppm 左右。仅仅由于正在工作的科学家们不断呼吸，室内二氧化碳含量就显著上升。
事实上，Strzoda 和他的同事们所处的环境还是相对较好的。世界上绝大多数办公室和会议室的空气中，二氧化碳含量都超过了 1,000 ppm。在这样的环境里，人们会开始感到疲劳、不舒服且无法集中注意力。目前，大多数楼宇内仍未安装二氧化碳传感器，不过据 Strzoda 研究组的负责人 Maximilian Fleischer 博士预测，这种情况很快将得到改善。他的研究小组研发出许多有关传感器的发明成果，这些发明已被成功地应用到西门子的新产品中。以 Fleischer 的名字申请的专利多达近 160 项，他当之无愧是西门子最富创造力的发明家之一。
当今，用于探测光亮和温度的传感器已经得到了广泛的应用。气体传感器是一种微机电系统(MEMS)，这正是目前一项相对新颖的研究。这里的MEMS是由硅芯片和一层氧化层所组成。这些激光传感器仍然处于研发的初级阶段，离上市还有一段时间。
相反，多年来 Fleischer 研究生涯中的突破性发明氧化镓传感器，已被用于成千上万个小型燃烧系统中测量废气中的一氧化碳含量，以便优化其能量输出及排放。
在另一个截然不同的开发领域，西门子研究实验室研发出一种通过呼出的气体测量人体酒精含量的新型传感器，这种传感器将很快投入生产。瑞典已宣布将成为第一个将该传感器与机动车锁止系统相结合以防止酒后驾驶的国家。这种经西门子认证的技术，同时还可以应用于火车、有轨电车以及一些存在潜在危险的机器。
小小传感器，节省大量开支。直到今天，传感器仍然没有在楼宇中得到广泛应用，因为它们价格昂贵且不易于安装及维护。不过，最近自带电源和无线电调制器的硅基传感器的研发有了新进展，这些新进展引起了楼宇商们的注意。这是因为这种传感器可以节省大量开支。据市场咨询公司英泰诺咨询估计，2010 年全球市场在气体传感器上的花费将达约 29 亿欧元。
传感器在所有涉及楼宇技术的未来蓝图中都发挥着关键的作用。“房屋将不再仅仅是个空壳，它将成为可以与居住者交流的智能化系统。”位于伊利诺斯州 Buffalo Grove 的西门子楼宇科技集团创新团队负责人 Osman Ahmed 博士说道。
（左图）正在测试气体传感器的灵敏度。气体传感器是Maximilian Fleischer（右图）研究的众多传感器类型之一。
一旦无线传感器芯片能够低成本生产，那么将无数此类芯片在设计精良的楼宇基础设施中相连接便具有了一定的可操作性。Ahmed 预测说：“最终，我们将可以利用传感器来模仿自然。”正如我们的感觉和神经系统不断向大脑传送信息从而允许我们做出各种决定一样，楼宇管理系统内的处理器可以接受和处理来自成千上万只传感器的数据，并向各种子系统发出适当的指令。
楼宇管理系统可以通过结合用户信息来执行许多新功能。楼宇用户可以告诉系统一些信息，例如他们什么时候回来，应该使用哪种安全机制，或是哪些房间需要通风等。各类传感器则可以保障管理系统始终了解什么时候抽水马桶需要维修，哪里正在释放腐蚀物质，或者人们聚集在哪里等信息。
锻炼金属薄膜
气体探测器。Fleischer 和他的团队已经在他们的实验室内开始研发能够监控楼宇内空气质量的传感器。“为了成功研发出这种传感器，我们需要一个至少可以测量四种参数的芯片。这四种参数分别是：温度、湿度、如二氧化碳之类的气体以及气味。”Fleischer 说道。为此，他和他的同事们正在研究各种探测器材料，并从中找出与被测气体反应理想的材料。在一个以神秘的蓝光等离子体为特征的阴极溅射设备中，研究者们正在制造仅有几百万分之一米厚的传感器表面。该设备的隔壁则正在进行另一项相关实验，准备研发一种通过使用某种丝网印刷技术来探测气体的小型装置。正在测试中的材料可以决定哪种过程更适于探测气体。研究者们将他们制造的微小氧化表面组合并列地放置在芯片中的场效应晶体管(FET)上。其中的例子包括用于探测二氧化碳的钛酸钡氧化混合物以及用于探测气味的带有均匀分布的白金的氧化镓。
Fleischer 实验室研究的物质并不直接用于芯片的表面，而是仿佛流动于一个分子接收层与真实的 FET 结构之间，因此这将引起电阻变化。而芯片能够感应这一变化并将之转化为信号。如果芯片带有无线电调制器，它可以将数据无线传送至楼宇管理系统的控制装置。
博士研究生Rebekka Kubisch在位于慕尼黑的西门子中央研究院对细胞传感器的酸化作用、阻抗以及呼吸作用进行测量。它是一种新型通用探测器，不像化学传感器，细胞培养传感器能够对多种有毒物质发生反应。
尽管 Ahmed 对于未来楼宇的描绘似乎仍过于遥远，但是朝着这个方向的发展已经开始起步。“现在，人们对于舒适度的要求不断提高。”驻瑞士西门子楼宇科技集团的Andreas Haas 说。他相信楼宇科技的发展趋势将与汽车领域的趋势一样。目前汽车领域中，精确的环境控制系统已经成为标准配置。
然而，楼宇商们感兴趣的却是传感器系统所能节省的巨大开支。毕竟，对安装传感器的资金投入明显少于翻新楼宇的花费，如果传感器与楼宇自控相结合，那么将能节省更为庞大的开支。Haas 估计，与采用传统自动化技术的楼宇相比，精确的房间气候控制传感器、空气质量及现场传感器可以减少用于供暖、通风、空调及照明系统的能源达 30 %。
气味也会影响舒适感。“通常只有在气味难闻时，人们才会对房间进行通风。” Fleischer 说道。其实无需这样做，因为周围空气可以用臭氧来净化。臭氧与产生异味的分子相结合，然后通过分离它们将其中和。这就是西门子研究者们研发可检测室内典型气味的气体传感器的目的。研究者们使用 18 种不同的气体，如乙烷、丙烯、丙酮等来制造气味标本。例如己醛，它用于对检测地毯气味的传感器的测试。科学家们同时还着手研发持续性气味传感器。“如果这种传感器想要赢得市场关注，它必须至少具有十年的使用寿命。”Fleischer 说。如果该传感器检测出空气中含有不良气味并报告给管理系统，那么管理系统就会发出指令释放臭氧进行空气净化。随后，另一种传感器会监测大量集中的臭氧，以防止引发不良副作用，如刺激人体呼吸道等。
研发气体传感器的主要挑战之一在于灵敏度交叉。因为如果想要防止错误警报的发生，就必须保障芯片上的检测材料只对检测目标产生反应。
这项技术还可应用于防火警报。目前，绝大多数防火警报仍然是在烟雾产生时才有所反应。“但是，对于靠近火源并已经吸入有毒气体的人来说，那样可能就太晚了。”Fleischer 说道。正是由于这个原因，楼宇商们想要获得可以探测具体气体，尤其是与火焰相关的具体气体的探测器。传统警报器只有在烟雾浓度达到一定程度时才会被激活，而新型探测器被激活的时间要远远早于传统警报器。拥有此类探测器，尤其使它们与环境自动控制系统相结合，是目前楼宇商们最大的心愿。
通用专家。与此同时，西门子的工程师们还在研发一些不含芯片的传感器，如激光光学传感器，它可以远程确定某种气体大量聚集在房间的哪个位置。位于激光光学传感器实验室尽头的大厅里，博士研究生 Rebekka Kubisch 正在研究一个充满某种红色液体的皮式培养皿。这些培养皿用于培养活性传感器所需的细胞培养物，这种活性传感器可以用于检测水质等。“我们将这些细胞放在芯片上，并将它们置于毒素之中，然后观察由此产生的反应。”她解释道。此刻，她正在检测老鼠的骨骼肌细胞对废水标本所产生的反应。与基于化学原理的传感器相比，这种活性传感器具有巨大的优越性，这是因为活性传感器可以与一切毒素发生反应。然而使用化学传感器时，你必须提前知晓你想要测试的是何种有毒物质。
更为重要的是，活性传感器可以用于绿色楼宇，这些楼宇通过建立大量如水和空气这样的封闭式循环实现能源节约。Fleischer 说：“高度灵敏的早期预警系统在此处是极为关键的。”放眼更为长远的未来，Ahmed 补充说：“终将有这样一天，我们的楼宇不再需要外界提供任何能源。要实现这个目标，我们将需要运用大量智能产品。当前，研发具有多种功能的传感器是我们所面临的重要难题之一。”无论未来怎样，西门子科学家们的辛苦研发已经使我们离那样的景象越来越近了。
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