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安裝于樓宇中的眾多傳感器通常用于向樓宇傳達(dá)各類信息。目前，西門子的科學(xué)家們正致力于研究如何將傳感器的諸多功能集合到一張小巧的芯片上。

長期以來，傳感器因其昂貴的價(jià)格而無法廣泛應(yīng)用于樓宇系統(tǒng)。然而，不斷進(jìn)行的大量研究使得如今傳感器的體積更為輕巧，價(jià)格更為低廉，使用更為靈活，如西門子研發(fā)的二氧化碳傳感器

在位于德國慕尼黑的西門子中央研究院內(nèi)，物理學(xué)家 Rainer Strzoda 走入他的工作區(qū)，想要檢查空調(diào)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。然而要完成這項(xiàng)工作，他只需要觀察一下安裝在墻上的一個(gè)小型裝置。今天，這個(gè)由西門子科學(xué)家們研發(fā)出的激光傳感器原型檢測到了 400 ppm 的 二氧化碳。

“如果我們現(xiàn)在所處的環(huán)境中只含有 380ppm 的二氧化碳，那么這將是一個(gè)很好的數(shù)據(jù)。” Strzoda 說道，“因?yàn)?，這個(gè)數(shù)據(jù)表明當(dāng)前室內(nèi)的二氧化碳含量僅略高于室外。”剩下的一天里，隨著 Strzoda 和他的同事們繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)及討論研究結(jié)果，室內(nèi)二氧化碳含量逐漸上升至 600–700 ppm 左右。僅僅由于正在工作的科學(xué)家們不斷呼吸，室內(nèi)二氧化碳含量就顯著上升。

事實(shí)上，Strzoda 和他的同事們所處的環(huán)境還是相對較好的。世界上絕大多數(shù)辦公室和會議室的空氣中，二氧化碳含量都超過了 1,000 ppm。在這樣的環(huán)境里，人們會開始感到疲勞、不舒服且無法集中注意力。目前，大多數(shù)樓宇內(nèi)仍未安裝二氧化碳傳感器，不過據(jù) Strzoda 研究組的負(fù)責(zé)人 Maximilian Fleischer 博士預(yù)測，這種情況很快將得到改善。他的研究小組研發(fā)出許多有關(guān)傳感器的發(fā)明成果，這些發(fā)明已被成功地應(yīng)用到西門子的新產(chǎn)品中。以 Fleischer 的名字申請的多達(dá)近 160 項(xiàng)，他當(dāng)之無愧是西門子最富創(chuàng)造力的發(fā)明家之一。

當(dāng)今，用于探測光亮和溫度的傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。氣體傳感器是一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，這正是目前一項(xiàng)相對新穎的研究。這里的MEMS是由硅芯片和一層氧化層所組成。這些激光傳感器仍然處于研發(fā)的初級階段，離上市還有一段時(shí)間。

相反，多年來 Fleischer 研究生涯中的突破性發(fā)明氧化鎵傳感器，已被用于成千上萬個(gè)小型燃燒系統(tǒng)中測量廢氣中的一氧化碳含量，以便優(yōu)化其能量輸出及排放。

在另一個(gè)截然不同的開發(fā)領(lǐng)域，西門子研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出一種通過呼出的氣體測量人體酒精含量的新型傳感器，這種傳感器將很快投入生產(chǎn)。瑞典已宣布將成為*個(gè)將該傳感器與機(jī)動(dòng)車鎖止系統(tǒng)相結(jié)合以防止酒后駕駛的國家。這種經(jīng)西門子認(rèn)證的技術(shù)，同時(shí)還可以應(yīng)用于火車、有軌電車以及一些存在潛在危險(xiǎn)的機(jī)器。

小小傳感器，節(jié)省大量開支。直到今天，傳感器仍然沒有在樓宇中得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格昂貴且不易于安裝及維護(hù)。不過，最近自帶電源和無線電調(diào)制器的硅基傳感器的研發(fā)有了新進(jìn)展，這些新進(jìn)展引起了樓宇商們的注意。這是因?yàn)檫@種傳感器可以節(jié)省大量開支。據(jù)市場咨詢公司英泰諾咨詢估計(jì)，2010 年全球市場在氣體傳感器上的花費(fèi)將達(dá)約 29 億歐元。

傳感器在所有涉及樓宇技術(shù)的未來藍(lán)圖中都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。“房屋將不再僅僅是個(gè)空殼，它將成為可以與居住者交流的智能化系統(tǒng)。”位于伊利諾斯州 Buffalo Grove 的西門子樓宇科技集團(tuán)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Osman Ahmed 博士說道。

（左圖）正在測試氣體傳感器的靈敏度。氣體傳感器是Maximilian Fleischer（右圖）研究的眾多傳感器類型之一。

一旦無線傳感器芯片能夠低成本生產(chǎn)，那么將無數(shù)此類芯片在設(shè)計(jì)精良的樓宇基礎(chǔ)設(shè)施中相連接便具有了一定的可操作性。Ahmed 預(yù)測說：“最終，我們將可以利用傳感器來模仿自然。”正如我們的感覺和神經(jīng)系統(tǒng)不斷向大腦傳送信息從而允許我們做出各種決定一樣，樓宇管理系統(tǒng)內(nèi)的處理器可以接受和處理來自成千上萬只傳感器的數(shù)據(jù)，并向各種子系統(tǒng)發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶睢?/p>

樓宇管理系統(tǒng)可以通過結(jié)合用戶信息來執(zhí)行許多新功能。樓宇用戶可以告訴系統(tǒng)一些信息，例如他們什么時(shí)候回來，應(yīng)該使用哪種安全機(jī)制，或是哪些房間需要通風(fēng)等。各類傳感器則可以確保管理系統(tǒng)始終了解什么時(shí)候抽水馬桶需要維修，哪里正在釋放腐蝕物質(zhì)，或者人們聚集在哪里等信息。

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氣體探測器。Fleischer 和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在他們的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開始研發(fā)能夠監(jiān)控樓宇內(nèi)空氣質(zhì)量的傳感器。“為了成功研發(fā)出這種傳感器，我們需要一個(gè)至少可以測量四種參數(shù)的芯片。這四種參數(shù)分別是：溫度、濕度、如二氧化碳之類的氣體以及氣味。”Fleischer 說道。為此，他和他的同事們正在研究各種探測器材料，并從中找出與被測氣體反應(yīng)的材料。在一個(gè)以神秘的藍(lán)光等離子體為特征的陰極濺射設(shè)備中，研究者們正在制造僅有幾百萬分之一米厚的傳感器表面。該設(shè)備的隔壁則正在進(jìn)行另一項(xiàng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備研發(fā)一種通過使用某種絲網(wǎng)印刷技術(shù)來探測氣體的小型裝置。正在測試中的材料可以決定哪種過程更適于探測氣體。研究者們將他們制造的微小氧化表面組合并列地放置在芯片中的場效應(yīng)晶體管(FET)上。其中的例子包括用于探測二氧化碳的鈦酸鋇氧化混合物以及用于探測氣味的帶有均勻分布的白金的氧化鎵。

Fleischer 實(shí)驗(yàn)室研究的物質(zhì)并不直接用于芯片的表面，而是仿佛流動(dòng)于一個(gè)分子接收層與真實(shí)的 FET 結(jié)構(gòu)之間，因此這將引起電阻變化。而芯片能夠感應(yīng)這一變化并將之轉(zhuǎn)化為信號。如果芯片帶有無線電調(diào)制器，它可以將數(shù)據(jù)無線傳送至樓宇管理系統(tǒng)的控制裝置。

博士研究生Rebekka Kubisch在位于慕尼黑的西門子中央研究院對細(xì)胞傳感器的酸化作用、阻抗以及呼吸作用進(jìn)行測量。它是一種新型通用探測器，不像化學(xué)傳感器，細(xì)胞培養(yǎng)傳感器能夠?qū)Χ喾N有毒物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

盡管 Ahmed 對于未來樓宇的描繪似乎仍過于遙遠(yuǎn)，但是朝著這個(gè)方向的發(fā)展已經(jīng)開始起步。“現(xiàn)在，人們對于舒適度的要求不斷提高。”駐瑞士西門子樓宇科技集團(tuán)的Andreas Haas 說。他相信樓宇科技的發(fā)展趨勢將與汽車領(lǐng)域的趨勢一樣。目前汽車領(lǐng)域中，精確的環(huán)境控制系統(tǒng)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

然而，樓宇商們最感興趣的卻是傳感器系統(tǒng)所能節(jié)省的巨大開支。畢竟，對安裝傳感器的資金投入明顯少于翻新樓宇的花費(fèi)，如果傳感器與*樓宇自控相結(jié)合，那么將能節(jié)省更為龐大的開支。Haas 估計(jì)，與采用傳統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的樓宇相比，精確的房間氣候控制傳感器、空氣質(zhì)量及現(xiàn)場傳感器可以減少用于供暖、通風(fēng)、空調(diào)及照明系統(tǒng)的能源達(dá) 30 %。

氣味也會影響舒適感。“通常只有在氣味難聞時(shí)，人們才會對房間進(jìn)行通風(fēng)。” Fleischer 說道。其實(shí)無需這樣做，因?yàn)橹車諝饪梢杂贸粞鮼韮艋?。臭氧與產(chǎn)生異味的分子相結(jié)合，然后通過分離它們將其中和。這就是西門子研究者們研發(fā)可檢測室內(nèi)典型氣味的氣體傳感器的目的。研究者們使用 18 種不同的氣體，如乙烷、丙烯、丙酮等來制造氣味標(biāo)本。例如己醛，它用于對檢測地毯氣味的傳感器的測試?？茖W(xué)家們同時(shí)還著手研發(fā)持續(xù)性氣味傳感器。“如果這種傳感器想要贏得市場關(guān)注，它必須至少具有十年的使用壽命。”Fleischer 說。如果該傳感器檢測出空氣中含有不良?xì)馕恫?bào)告給管理系統(tǒng)，那么管理系統(tǒng)就會發(fā)出指令釋放臭氧進(jìn)行空氣凈化。隨后，另一種傳感器會監(jiān)測大量集中的臭氧，以防止引發(fā)不良副作用，如刺激人體呼吸道等。

研發(fā)氣體傳感器的主要挑戰(zhàn)之一在于靈敏度交叉。因?yàn)槿绻胍乐瑰e(cuò)誤警報(bào)的發(fā)生，就必須確保芯片上的檢測材料只對檢測目標(biāo)產(chǎn)生反應(yīng)。

這項(xiàng)技術(shù)還可應(yīng)用于防火警報(bào)。目前，絕大多數(shù)防火警報(bào)仍然是在煙霧產(chǎn)生時(shí)才有所反應(yīng)。“但是，對于靠近火源并已經(jīng)吸入有毒氣體的人來說，那樣可能就太晚了。”Fleischer 說道。正是由于這個(gè)原因，樓宇商們想要獲得可以探測具體氣體，尤其是與火焰相關(guān)的具體氣體的探測器。傳統(tǒng)警報(bào)器只有在煙霧濃度達(dá)到一定程度時(shí)才會被激活，而新型探測器被激活的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于傳統(tǒng)警報(bào)器。擁有此類探測器，尤其使它們與環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，是目前樓宇商們最大的心愿。

通用專家。與此同時(shí)，西門子的工程師們還在研發(fā)一些不含芯片的傳感器，如激光光學(xué)傳感器，它可以遠(yuǎn)程確定某種氣體大量聚集在房間的哪個(gè)位置。位于激光光學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)室盡頭的大廳里，博士研究生 Rebekka Kubisch 正在研究一個(gè)充滿某種紅色液體的皮式培養(yǎng)皿。這些培養(yǎng)皿用于培養(yǎng)活性傳感器所需的細(xì)胞培養(yǎng)物，這種活性傳感器可以用于檢測水質(zhì)等。“我們將這些細(xì)胞放在芯片上，并將它們置于毒素之中，然后觀察由此產(chǎn)生的反應(yīng)。”她解釋道。此刻，她正在檢測老鼠的骨骼肌細(xì)胞對廢水標(biāo)本所產(chǎn)生的反應(yīng)。與基于化學(xué)原理的傳感器相比，這種活性傳感器具有巨大的*性，這是因?yàn)榛钚詡鞲衅骺梢耘c一切毒素發(fā)生反應(yīng)。然而使用化學(xué)傳感器時(shí)，你必須提前知曉你想要測試的是何種有毒物質(zhì)。

更為重要的是，活性傳感器可以用于綠色樓宇，這些樓宇通過建立大量如水和空氣這樣的封閉式循環(huán)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。Fleischer 說：“高度靈敏的早期預(yù)警系統(tǒng)在此處是極為關(guān)鍵的。”放眼更為長遠(yuǎn)的未來，Ahmed 補(bǔ)充說：“終將有這樣一天，我們的樓宇不再需要外界提供任何能源。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們將需要運(yùn)用大量智能產(chǎn)品。當(dāng)前，研發(fā)具有多種功能的傳感器是我們所面臨的重要難題之一。”無論未來怎樣，西門子科學(xué)家們的辛苦研發(fā)已經(jīng)使我們離那樣的景象越來越近了。