利用系统知识库的建筑物系统微系统的应用的制作方法

专利名称：利用系统知识库的建筑物系统微系统的应用的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及建筑物自动化系统。
技术背景人们工作和生活的建筑物具有监控和支撑建筑物环境的舒适水平 的系统。这样的系统包括加热、通风和空调(HVAC)系统、照明系 统以及其它系统。HVAC和照明系统都至少以某种水平已存在了数千年。HVAC和照明系统已变得精密，并且在建筑物内常常能够维持湿度 和温度的审慎平衡，以及提供一些新鲜空气和足够的光。这样精密的 系统常常被称作建筑物自动化系统。建筑物自动化系统也包括其他涉 及建筑物的功能，从而包括但不限于安防和消防系统。大部分精密的当前建筑物自动化系统充其量不过是以信息为中 心。这种系统提供对于舒适、安全和安防正发生什么的信息。这些信 息可以以数据点(也就是温度、气流等等)的图形和图表的形式来呈 现。存在对获得更多关于建筑物的系统的信息和使用这些附加信息来 改进建筑物自动化系统操作的某些需求。发明内容因此，本发明可以使建筑物自动化系统("BAS，，)变得容易，该 建筑物自动化系统越来越基于知识，并且在一些实施例中能够通过实 验和/或经验学习更多关于系统操作的知识。建筑物、其能耗和特征及 其环境的更综合的粒度(granular)操作知识被利用来维持可以忍受 的建筑物环境，该建筑物环境能低成本地拥有和操作、有利地使用其 资源并且保持建筑物舒适、富有成效(productive)、安全和可靠。在一些实施例中，这样的以知识为中心的BAS可以通过集成以下三个核心技术平台来开发基于微系统的BAS分布式传感、建筑物网 状无线通信网以及最后为知识管理系统，这些技术平台能够处理大量 数据，以便提取有意义的知识，该知识对于建筑物专业人员和/或对将 来的控制操作是有用的。这种建筑物的其他特征将要创建机器对机器 网络，该机器对机器网络将自动连接建筑物对象，并且这些对象可以 常常自主或者半自主地采取动作和决策。第一实施例是一种用于与控制系统结合地用在建筑物内的设备， 该设备包括多个传感器微系统和处理电路。多个传感器微系统被配置 来获得关于建筑物中的多个区域的环境信息。处理电路可操作来获得 代表关于建筑物中的多个区域在第一组操作参数值下的环境信息的数 据。处理电路还可操作来使建筑物控制系统在第二组操作参数值下工 作，其中操作参数的第一参数具有变化的值。处理电路还可操作来获 得代表关于多个区域在第二组操作参数值下的环境信息的数据并且将 代表第二组操作参数值下的环境信息的数据存储在知识库中。随后， 处理电路利用知识库来调整操作参数值。即使利用无线网络，也可以获得另外的优点。微系统和无线网络 的使用提供了使数据量的供应便利的另外优点，以显著增强基于知识 的系统的能力。参照以下详细说明和附图，上述特征和优点以及其他方面对于本 领域的技术人员而言将变得更为清楚。


图1示出了根据本发明的一些实施例的示例性设备的部件的方框图；图2示出了根据本发明的一些实施例的可被图1的元件执行的操 作的流程图；图3示出了包括控制站的建筑物的顶层平面图，该控制站被配置 来执行根据本发明的特定实施例的方法；图4示出了包括根据本发明的实施例的设备的图3的建筑物的更 详细的片断顶层平面图；图5示出了可以在图4的设备中利用的微系统的示例性实施例，图6示出了可被图3和4的控制站所执行的示例性操作集的流程图；图7示出了可以被图3和4的控制站执行的另一示例性操作集的 流程图；以及图8示出了表示根据图3和4的实施例的示例性知识库的直观描 绘的图表。
具体实施方式
图l示出了根据本发明的示例性设备的部件的方框图。设备10包 括可以是HVAC系统、安防系统、消防系统、照明控制系统等的部分的 多个传感器12、执行器14和控制器16。设备IO也包括控制站18和 无线网络20。无线网络20被配置来(至少部分地)考虑到传感器12、 执行器14、控制器16和控制站18之中的通信。无线网络20可以包括 至少一些有线链路，但是至少在到传感器12的链路中和在传感器12 之间的链路中主要是无线的。传感器12合适地包括至少一些MEMS传感器，这些MEMS传感器感 测诸如温度、气流、空气质量(气体含量)、光的建筑物参数。然而， 根据本实施例，传感器12包括多种类型的传感器，这些传感器优选地 被布置为使得广泛测量建筑物操作的各个方面。例如，传感器12可以 包括感测建筑物的各个部分的电耗的霍尔效应传感器，并且可以包括 运动传感器等等。在一个实施例中，无线网络20由短程收发器来执行，这些短程收 发器被耦合到与传感器12、执行器14和/或控制器16相同的基板和/ 或被形成在该基板上。特别是，至少传感器12被形成为微系统，该微 系统包括能够以无线方式传送传感器测量结果或者其他数据的MEMS传 感器、处理电路和RF收发器。因为传感器12 (和执行器14以及控制 器16)遍及建筑物来放置，所以各种微系统可以被用来形成无线网状 网络20。例如，即使每个微系统传感器12使用短程RF通信，这些短 程RF通信不能覆盖整个建筑物，每个微系统传感器12可以在格状网 络或者网状网络中提供支路(leg)，该支路在任意两个节点(也就是 传感器12、执行器14、控制器16和控制站18)之间传递信息。在于 2003年1月28曰申请的、标题为"Building System with Reduced Wiring Requirements and Apparatus for Use Therein" 的、序歹'J号为10/353142的美国专利申请和于2003年9月26日申请的、标题 为 "Building Control System Using Integrated MEMS Device"的、 序列号为10/672, 527的美国专利申请中提供了这种网络、以及可被用 于通信以及感测、控制和执行的微系统的例子，这两篇美国专利申请 通过引用结合于此。
优选地，提供了大量传感器12,使得大量关于建筑物的操作和建 筑物中的情形的数据可以通过控制站18获得。这些信息可以包括舒适 信息、照明信息、占用信息和其他来自建筑物的每个区域的数据。另 外，传感器12可以提供在粒度规模上涉及每个耗能装置的能耗信息， 以及粒度温度或者光信息。
控制站18是通用计算机，该通用计算机具有足够的计算能力，以 处理来自不同传感器的数据和实现基于知识的操作，从而改进建筑物 的操作。举例来说，通用计算机可以使用专家系统或者人工智能来学 习和应用改变建筑物中的一个或者多个位置的情形的规则或者节能，
在一个实施例中，控制站18利用遗传算法，该遗传算法执行控制 条件的突变(mutation)或者置换并且观察这些结果以使建筑物控制 演变到更有效的操作。举例来说，控制站18可以略微改变到执行器中 的三个执行器的输出(例如改变通风孔的位置、关断灯等等)，以查 看在改变之后某些可接受的条件是否可以维持，而在功耗方面提供了 优点。控制站18演变这些变化并且观察这些结果，以确定哪些突变应 -故实现，而哪些突变不应被实现。
遗传算法是公知的。根据本发明的至少一个实施例，到算法的输 入包括来自传感器12、执行器14和/或控制器16的值，而输出可以合 适地被提供给执行器14和/或控制器16。输入提供关于建筑物当前状 态的粒度信息，而输出考虑到控制策略的突变和演变的实现。 一些突 变可以包含改变不同的控制器16中的局部化的(localized)控制程 序，而其他突变可以调整执行器操作。
控制站18优选地也提供一种有意义的方式来呈现这种数据，诸如 在可导航的在线建筑物图或者蓝图上呈现数据。控制站18优选地允许 用户通过视图上下导航建筑物的不同的缩放水平，这类似于因特网映 射程序，并且利用合适的传感器信息针对每个被观察的区域观察诸如 温度、功耗、气体含量等等的情形。可以被结合到本发明中的建模和观察技术的实例是在于2005年6月28日申请的、序列号为11/169278 的美国专利申请中所公开的内容，该美国专利申请通过引用结合于此。
图2示出了根据本发明的由控制装置执行的示例性操作集。举例 来说，图2的操作可被控制站18执行来根据本发明操纵全局情形，或 者被单独的控制器16执行来操纵其局部情形。例如，控制站18可以 调整整个送风(supply air)温度设定点、新鲜空气含量或者空气处 理单元流率设定点，其影响建筑物的所有空间内的加热、制冷和通风， 在不同的例子中，每个单独的控制器16可以调整室温设定点、照明、 VAV操作和/或其他元件和执行器。
现在参照图2，在步骤202，控制电路(也就是控制器16或者控 制站18)从多个传感器12获得数据。在控制电路负责影响多个空间的 装置(也就是控制站18或者控制空气处理单元的控制器16等)的实 施例中，在步骤202，控制电路从遍布建筑物的多个空间或者房间的多 个传感器12获得数据。在控制电路是用于被限定的空间或者房间的局 部化的控制器16的实施例中，控制电路从空间中的多个传感器获得数 据，202。
传感器数据可以包括代表温度、照明、运动、气流、气体含量等 的信息。另外，在图1的实施例中，传感器数据也可以包括每个房间 的能耗或者特定装置的能耗。这种传感器数据可以从附着到电气线路 和/或出口的传感器获得。
在步骤204，控制电路以将传感器数据关联到当前系统参数的方式
将传感器数据存储在知识库中。这些参数可以包括相关控制输出和/或 其他被感测的变量，这些变量诸如室外温度和湿度。传感器数据以允 许量化针对给定输出集的系统特性的方式被关联到当前系统参数。例 如，许多房间或者空间的针对温度和湿度的传感器数据可以以与能耗 相关的方式被存储。另外，许多房间的实际温度和湿度可以与整个建 筑物的通风空气的温度和流率相关联。如以下将要讨论的那样，这样 的信息、特别是具有更多变量和更复杂的信息可以被用来确定动作的 最佳过程，以在某些条件下实现希望的结果。例如，通风空气(也就 是送风)温度和流率可以被调整到某点，以试图利用相对低的能量量 来实现某个室温和湿度。理想情况下，知识库将包括被关联到所感测 的数据集(系统条件、能耗)的、随着时间的过去所累积的输出集(系统参数).步骤204利用当前的输出和所感测到的数据来增加知识库。 应该理解的是，每个房间控制器16可以具有自己的知识库，并且控制 站18也可以具有其自己的知识库。
在步骤206，控制电路使第一系统输出变化。该系统输出可以合适 的是温度设定点、照明设定点、气流设定点等。如果控制电路可搮作 来调整空气处理单元的操作，则该系统输出可以是送风温度设定点或 者新鲜空气含量设定点。如果控制电路可操作来调整遍及建筑物的一 个或者多个空间的照明水平，则变化的第 一 系统输出可以是照明设定 点。
此后，在步骤208，控制电路以类似于步骤202的方式从多个传感 器获得新的传感器数据。所获得的传感器数据将反映第一系统输出的 改变对该系统的影响。因为大量的无线传感器被利用，所以第一系统 输出的改变的影响可通过传感器数据在粒度水平上被观察。例如，可 以确定该变化在对居住者维持充分的舒适水平的同时是否具有减小的 能耗。
在步骤210，控制电路以将传感器数据关联到系统参数(包括改变 过的系统输出)的方式将新的传感器数据存储在知识库中。
随后，在步骤212，控制电路使用被存储在知识库中的信息来执行 控制操作。因此，随着时间的过去，控制电路获得控制系统在不同条 件下的设置的知识库和最终对建筑物控制系统操作的影响。步骤206 产生突变，所述突变允许该系统"学习，，不同的变化如何影响系统操 作。因此，控制系统使用所学习到的信息来更有效地控制该系统。因 此，控制系统至少部分基于由系统自动学习到的以前的经验来进行控 制。
图3-8更为详细地示出了本发明的示例性实施例。图3的实施例 被配置来使用知识库，以控制建筑物控制系统的多个方面，该知识库 至少部分地通过自动突变而生成。在图3-8中所示的例子中，该系统 的目标是在使整个建筑物的功耗最小化的同时至少实现室内环境质量 ("IEQ")的阈值水平。应该理解的是，本发明可以被用来实现或者 接近其他系统目标，这些目标诸如是基本上到处一致的舒适水平或者 IEQ水平、接近一致的气流分布等等。
现在参照图3,建筑物300的顶层平面图包括多个空间，例如#_示为房间304. 1、 304. 2、 304. 3和走廊304. 4。建筑物300的每个空间都 具有一组建筑物控制装置(未在图3中示出)，这些建筑物控制装置 被用来监控和影响空间内的环境条件。建筑物也包括至少一个控制站 318，该至少一个控制站318可操作地被耦合来交换关于不同空间 304.1、 304. 2等内的环境条件的数据。
控制站318可以合适的是通用计算机，包括如本领域所公知的数 据处理装置318a和用户接口装置318b，该通用计算机被配置来执行在 此所述的操作。控制站318还包括一个或者多个标准存储装置318c， 在这些标准存储装置中可以存储知识库的数据。然而，可替换地，知 识库可被存储在其他装置中，包括分布式地被存储在下面结合图4所 述的微系统中。在任何情况下，控制站318都可以合适的是INSIGHTTM 工作站或者其他建筑物系统控制站计算机，这些工作站或者计算机被 编程和/或以其他方式被修改来执行属于如在此所述的控制站318的操 作。
图4更为详细地示出了示意图3的建筑物300的多个部分的组合 楼面平面图/方框图。图4示出了房间304. 1、 304. 2、部分走廊304.4 和控制站318。如上所讨论的那样，每个房间或者空间都具有一组装置， 这些装置合作来允许监控和/或控制房间或者空间内的环境条件。建筑 物300的每个房间可以类似于如图4中所示的房间304. 1和304. 2地
被配置。
具体参照图4,房间304. 1包括多个微系统406. 1 - 406. 5和变风 量("VAV" ， variable air volume)单元418。微系统406. 1-406. 5 是无线传感器和通信装置，这些无线传感器和通信装置具有测量多个 IEQ相关的值的能力，这些值优选地包括诸如总挥发性有机化合物的一 个或者多个非传统HVAC值、C02、 C0、光或声。在此所述的实施例中， 微系统406. 1-406. 5可以测量温度、湿度、TV0C、 C02、 C0、光和气流。 如上所讨论的那样，用于组合多个MEMS类型传感器的技术在本领域是 公知的。
应该理解的是，其他微系统(未示出)可以被放置在每个房间的 电路处并且被配置来测量能耗。在其他实施例中，标准的能量测量装 置可以在更小粒度的规模上被使用。通常，诸如控制站318的控制电 路可以从这样的微系统或者能量测量装置获得能耗信息。再次参照微系统406.x，图5示出了可被用作微系统406. 1-406. 5 的微系统的示例性配置。参照图5，微系统的当前现有技术足以引起微 系统可操作来测量和/或监控IEQ参数，这些IEQ参数诸如是总挥发性 有机化合物(TVOC)、温度、平均辐射温度、空气流率、CO、 C02、相 对湿度、亮度级以及甚至是声音。每个微系统406. x因此包括测量这 些值中的某些或者所有值的MEMS传感器520。微系统406. x也可以并 入处理电路522、以及射频传输电路524。具有处理电路和RF能力的 MEMS装置的通常的例子在于2003年1月28日申请的、标题为 "Building System with Reduced Wiring Requirements and Apparatus for Use Therein"的、序列号为10/353, 142的美国专利 申请和于2003年9月26日申请的、标题为"Building Control System Using Integrated MEMS Device"的、序列号为10/672， 527的美国专 利申请中被讨论，这两篇美国专利申请通过引用结合于此。其他这种 装置是已知的。
在一个实施例中，处理电路522被编程或者以其他方式被配置来 基于由MEMS传感器520所获得的各种信息生成IEQ指数，并且使RF 电路524将该指数以无线方式传送给建筑物中的无线网状网络上的其 他装置，或者传送给连接到有线网络的装置。(参见图4)。在其他实 施例中，处理电路522并没有生成IEQ指数，而是获得传感器值并且 将(优选地带有某些低通滤波的)那些值提供给RF电路524，以传输 到网络上。RF电路524可以合适地使用蓝牙或者其他短程RF传输技术。 微系统406.x还可以包括电池(未示出)，以给操作供电。
再次参照图4， VAV单元418是本领域公知的装置，该装置被用来 控制从通风井430进入空间304. 1的空气流，仅在图4中示意性示出。 从通风井430流出的空气可以被加热过或者变冷，并且由在建筑物内 的远处的空气处理单元428提供，如本领域所公知的那样。通常，空 气处理单元428是本领域公知的系统，该系统以受控空气流率为通风 井430提供"送风"，该"送风"具有受控温度并且包括新鲜(外部) 空气与循环空气的受控比率。因此，典型的空气处理单元428可操作 来提供具有更高或更低已知温度、流率和新鲜空气含量的送风。
在房间水平上，VAV单元418可以通过增加或者减小送风流来改变 房间304. 1的温度。VAV单元418也可以包括加热或者冷却线圏，这些线團能够局部地改变流入房间304.1的空气的温度。如本领域已公知 的那样，VAV单元418还包括执行器(未单独示出)，该执行器可操作 来将控制信号转换成机械阻尼器的运动，机械阻尼器的运动增加或者 减小进入房间304. 1的空气流。
每个微系统406.1-406.5可操作来以无线方式与邻近定位的现场 控制器412形式的网络装置通信。现场控制器412可以采用市场上可 得到的建筑物自动化系统现场面板中的控制装置的通用形式，其已被 修改来包括短程无线通信能力，用于与微系统进行通信。然而，在一 些实施例中，现场控制器412可以简单地包括其他无线微系统装置， 诸如在序列号为10/353142和10/672527的美国专利申请中所公开的 系统中的情况那样，这两篇美国专利申请通过引用结合于此。在该实 施例中，现场控制器412可以合适的是无线微系统，该无线微系统至 少包括处理和RF电路。
现场控制器412也可操作地被耦合来控制VAV单元418的操作。 通常，现场控制器412可操作来生成针对VAV单元418的控制信号， 以便控制空间314内的温度和/或其他环境条件。根据本发明的多个方 面，现场控制器412也可操作来生成关于房间304. 1的室内环境质量 (IEQ)的度量。现场控制器412也可操作地被配置来经由网络426与 控制站318进行通信。
类似于房间304. l，房间304.2包括多个微系统408.1-408. 4和 VAV单元420。微系统408. 1-408. 4是无线传感器和通信装置，这些无 线传感器和通信装置优选地与微系统406. 1-406.5相同，并且因此具 有测量类似的与IEQ相关的值集的能力。VAV单元420优选地在设计和 能力方面类似于VAV单元418。
每个微系统408. 1-408.4可操作来以无线方式与邻近定位的现场 控制器412通信。现场控制器412也可操作地^皮耦合来控制VAV单元 420的操作。如同VAV单元418 —样，现场控制器412可操作来生成针 对VAV单元420的控制信号，以控制空间304. 2内的温度和/或其他环 境条件。根据本发明的方面，现场控制器412也可操作来生成关于房 间304. 2的室内环境质量(IEQ)的度量。
因此，在该实施例中，现场控制器412被房间304. 1和304. 2共 享。通常，现场控制器412通常将生成针对一个或者多个房间的VAV单元(或者其他装置)的控制信号。然而，现场控制器412将通常不 控制建筑物300内的大量空间或者房间。在此所述的实施例中，诸如 现场控制器412的每个现场控制器可合适地与一个或者两个房间相关 联，或者与大约1000平方英尺的大开阔场地相关联，以便限制与每个 房间的微系统的无线通信必须发生的距离。换言之，如果现场控制器 412曾与大量房间相关联，则现场控制器412可以相对远离一些房间。 在这样的情况下，远的房间的微系统可以要求更多的功率来执行必需 的通信。更高的传输功率的要求是不希望的，因为这加重微系统上的 有限能量资源的负担。然而，可能的是每个房间可以具有单个中枢微 系统单元，该中枢微系统单元具有有线功率(wired power)，该中枢 微系统单元充当每个房间的无线微系统与现场控制器412之间的中继。
在一些实施例中，对于各种无线微系统有利的是形成任何单独的 无线微系统与现场控制器412之间的无线链路的网络。在这些可替换 的情况下，现场控制器可以被用来控制多于两个的房间。
走廊空间304. 4也可以包括与在房间304. 1和304. 2中所找到的 哪些装置类似的一组装置。例如，图4中所示的部分走廊空间304.4 包括多个微系统410. 1-410. 3和VAV单元422。微系统410. 1-410. 3 是无线传感器和通信装置，这些无线传感器和通信装置优选地与微系 统406. 1-406. 5相同并且因此具有测量类似的与IEQ有关的值集的能 力。VAV单元422可以合适地在设计和能力方面类似于VAV单元418， 尽管可以构成更适于走廊的模型，如对于本领域的普通技术人员而言 已是公知的那样。微系统410.1-410.3中的每一个可操作来与不同的 现场控制器416以无线方式通信。
现场控制器416可以合适地具有与现场控制器412类似的设计， 并且可操作地被耦合来控制VAV单元422的操作。现场控制器416可 操作来产生针对VAV单元422的控制信号，以控制图4中所示的部分 走廊空间304. 4内的温度和/或其他环境条件。根据本发明的多个方面， 现场控制器416也可操作来生成关于走廊空间304.4的室内环境质量 (IEQ)的度量。
因此，现场控制器416与现场控制器412分开，现场控制器412 控制/监控房间304. 1和304. 2的环境。
现场控制器412和416都可操作地被连接到网络426。网络426允许现场控制器412和416相互通信，以及与控制站318进行通信。在 该实施例中，网络426是无线网状网络。因此，现场控制器412和416 优选地包括RF收发器，该RF收发器能够在诸如在序列号为10/353142
的美国专利申请中所描述的无线网络那样的无线网络上进行通信，该 美国专利申请的公开内容通过引用结合于此。在序列号为10/353142
的美国专利申请中所描述的任何无线网络都可以适合地被用作网络 426。
如上所讨论的那样，控制站318可以合适的是通用计算机，该通 用计算机被配置来执行在此所述的操作。通常，控制站318提供集中 式位置，在该位置处，技术员或者操作员可以经由现场控制器412、 416 监控和/或控制空间304. 1、 304. 2和304. 4(以及其他空间)中的情形。 在该实施例中，控制站318也可操作来改变空气处理单元428的操作 参数。特别地，控制站318优选地能够向空气处理单元428提供送风 温度设定点乙、送风气流设定点FI^和新鲜空气含量设定点FARsa。如 在本领域所公知的那样，空气处理单元428具有相对应的控制装置、 阻尼器和传感器，这些装置合作来使空气处理单元428根据控制站318
所提供的设定点乙、FLsa、 FARsa产生送风。
在操作中，图4中的各种装置操作来控制区域304.1、 304.2和 304. 4的环境条件。为此，现场控制器412和416控制VAV单元418、 420和422的操作，以控制房间304.1、 304. 2和304. 4中的至少某些 条件。另外，现场控制器412也可以被配置来激活照明开关或者其他 环境相关的装置(未示出)。在一些实施例中，现场控制器412利用 可控制的镇流器在可变范围上控制照明水平。
参考房间304. l，现场控制器412包括逻辑，该逻辑执行控制操作 来控制进入房间304.1的被加热的或者变冷的空气流，以试图将温度 维持在所希望的水平。所希望的温度水平是设定点值，该设定点值可 以由操作员经由中央控制站318来设置，在现场控制器412处输入， 由房间304.1内的温度调节装置(未示出)设置，或者以其他方式被 提供给现场控制器412。现场控制器412将从各种微系统406. 1-406. 5 接收到的温度信息与设定点值相比较。如果温度信息指示房间温度相 对于设定点过低，则现场控制器412提供输出信号，根据可用气流是 变冷的空气流还是被加热的空气流，该输出信号使VAV单元418减小进入房间304. 1内的变冷的空气流，或使VAV单元418增加进入房间 304. 1内的被加热的空气流。
为了实现这样的温度控制，现场控制器412可以合适地使用多种 已知的控制算法(PI、 PID)中的任何控制算法来根据测量到的温度和 设定点温度控制VAV单元418。因为存在多个关于房间内的温度的数据 点(每个微系统406. 1-406. 5 —个数据点)，所以现场控制器412可 以合适地采用平均或者中值测量温度值作为用于VAV单元418的PI或 者PID控制的值。如本领域所公知的那样，现场控制器412周期地从 微系统406. 1-406. 5接收温度信息，并且基于此周期地更新控制计算。
另外，现场控制器412也从每个微系统406. 1-406. 5获得IEQ指 数值。IEQ指数值是每个微系统406. 1-406. 5测量到的各种被感测的条 件的综合指数。例如，IEQ指数值可以由值的组合形成，每个值都表示 测量到的值与对人体舒适的理想值之间的相关性(或者方差)。如上 所讨论的那样，微系统406. 1-406. 5测量TV0C、 C02、 C0、光、温度、 湿度和气流。IEQ指数可以合适的是F ( VAR—、 VARhu" VARtv。e、 VARC02、 VAR。。、 VAR先、VAR气流)，其中VAR,值是值x与理想值或者范围的方差。
举例来说，VAR—的值可以是温度与68° F至74。 F的范围的方差 的标准化的量度，VAR^的值可以是湿度与40%至70%的范围的方差 的标准化方差。VAR"。。的值可以合适的是代表测量到的大于零的总挥发 性有机化合物的标准化值。类似地，VARw和VAR。。的值分别可以是代 表测量到的0)2和C0的量的标准化值。VAR *和VAR气流的值可以合适的 是测量到的光和气流值分别与其理想值的方差。因为房间内的灯在房 间未被占用时可以关断，所以如果明显房间未被占用，则VAR先的值可 以被设置为零。为此， 一个或者多个微系统可以具有运动传感器或者 其他类似占用的(occupancy-like)传感器。
应该理解的是，存在多种方式来确定IEQ，包括基于室内空气质量 标准和在ASHRAE标准55和62中列出的定义的那些IEQ，这些标准通 过引用结合于此。ASHRAE标准也提供了关于什么构成"理想的"或者 各种IEQ参数的至少健康的水平的信息。有利地可以测量其他污染物， 诸如颗粒、生物化合物、无机化合物等等。也应该理解的是，对于与 理想条件的任何特定方差给出的权重可以取决于该系统被实现的建筑 物的需求和目标。在任何情况下，利用合适的标准化，由每个微系统提供的复合IEQ 值表示总计的温度、湿度、光、气流、TV0C、 0)2和C0条件相对人类 的理想条件变化多少。如果来自微系统的复合IEQ值相对低，则房间 304.1内的环境条件被认为是高标准的，因为条件是接近理想的。如果 IEQ指数相对高，则房间304.1内的环境条件被认为是达不到标准的。 应该理解的是，反向尺度可以被使用使得高IEQ指数表示良好的环境 而低的IEQ指数表示差的环境。
IEQ指数是有用的，因为即使没有单个被监控的条件是特别差的， 该IEQ指数也能够检测到环境质量的问题。例如，虽然温度变化、低 气流、湿度变化和其他条件通常可以通过标准的HVAC操作来控制，但 是可能的是总计中这些参数中的低于正常的条件可以产生相对差的环 境质量，尽管没有单个因素是特别差的。因此，可能的是，HVAC系统 和照明系统正在两个不同的房间的正常极限内操作，但是这两个房间 的总计的IEQ是非常不同的。
在此所描述的至少一些实施例的IEQ测量能力的一个方面涉及在 每个房间(诸如房间304.1 )内放置多个传感器装置。在房间304.1 中使用多个微系统传感器装置406. 1-406. 5考虑到设施内的IEQ的粒 度更大的测量。可能的是，房间通常具有良好的环境，但是房间或者 空间的多个部分并没有良好的环境。通过在每个房间中设置多个测量 装置，这个实施例的粒度方面获得房间的每个部分的信息。在每个空 间或者房间中使用多个微系统装置也克服了单点测量的问题，其中房 间的单个传感器被放置在并没有真正代表房间情形的"热点"或者"冷 点"。这样的"热点"或者"冷点"可以涉及温度、气流、湿度、光、 挥发性化合物含量、C0或者C02。通过在每个房间使用多个微系统，极 大地影响建筑物情形评估的异常测量的机会显著地减小。该粒度也考 虑到更迅速地检测到并且更容易地鉴别的问题。
涉及在每个房间中使用多个微系统的问题起因于以下事实光测 量可能受到与环境质量并不相关的事物的影响。例如，如果微系统 406. 1位于随后被书柜遮挡的墙壁上，则尽管空间304. 1通常可以具有 足够的光量这一事实，微系统406.1仍可以检测到很少的或者没有检 测到光。可以人为地避免低光测量结果的一种预防是在微系统406. x、 408. x和410. x中包括运动传感器。微系统406.x、 408.x和410. x的运动传感器可以被用来确定诸如微系统406. 1的特定微系统是否被遮 挡或者被遮掩。例如，如果微系统406.1的运动传感器在预定的时间 周期(多天或者多个月)上检测到很少的运动或者没有检测到运动， 而相同房间304. 1内的其他微系统406. 2-406. 5检测到显著的运动量， 则表示特定微系统406. 1被遮挡或者被遮掩。在这样的情况下，检测 很少的运动或者没有检测到运动的微系统406.1的光测量可以被舍弃 或者至少给予很小的权重。
在可替换的实施例中(或者另外)，微系统406.x、 408.x和410. x 可以被放置在天花板上，以避免被遮挡。此外，如果遍布房间利用大 量微系统，则来自被掩盖的传感器的异常光测量结果可以以统计学方 式通过平均或者利用中值被滤出。
在任何情况下，如上所讨论的那样，根据来自房间304. l和304. 2 中的传感器微系统的信息，现场控制器412由每个控制器406. 1-406. 5 和408. 1-408. 4计算IEQ值，或者可替换地或者附加地针对房间304. 1 和304. 2来计算IEQ值。现场控制器412将每个房间304. 1和304. 2 的IEQ值传送给控制站318。
在此所讨论的实施例中，现场控制器412也被配置来生成报警消 息或者信号，以响应于任何测量到的值(温度、湿度、C02、 CO、 TVOC 等等)的超出边界值。举例来说，现场控制器412可以将任何这样的 报警消息提供给控制站318或者提供给另一网络节点(也就是诸如控 制器416的其他现场控制器)。在建筑物控制系统中处理和使用报警 消息在本领域是公知的。另外，现场控制器412被配置来基于微系统 或者微系统集的IEQ值生成报警消息，即使没有单独参数(例如温度、 湿度、C02、 CO、气流、TVOC等等)超过正常边界。例如，所有参数都 可以在低于正常的范围内，使得没有单个值超过范围。然而，在所有 条件都在低于正常的范围中的情况下，环境的整个质量相对低，由此 触发警报。如果一个或者多个单独的环境参数超出范围，则现场控制 器412当然也被配置来基于IEQ值生成报警消息。
通常，如同IEQ值本身一样，现场控制器412将任何IEQ报警信 息/消息提供给控制站318。控制站318可以适当地以类似于基于温度 或者湿度的报警消息的方式处理基于IEQ值的报警消息。处理这样的 警报将因系统的不同而变化，处理的细节在此被忽略。通常，每个系统将提供报警条件的主动的和正则进行中的通知，直到报警条件被操 作员手动确认。
这种类型的警报可以警告系统操作员房间或者空间中的贡献于差 的整体质量的条件组合，而不管特定条件是否超出了正常边界。差的 环境质量可以导致减小的生产力和/或降低工作在该建筑物内的人的
健康，这两者都是不希望的。IEQ相关的警报允许早期检测到这种情形， 并且不延迟通知差的条件，直到各个参数之一提高到引起警报的水平。 上述实施例的其他优点是粒度和/或房间水平IEQ信息的可用性， 该可用性可以被控制站318 (或者其他节点)用于基于建筑物范围
(building-wide)或者系统范围对室内环境质量进行监控、验证和/ 或控制.如以下将结合图6、 7和8更为详细地讨论的那样，IEQ信息
(或者由此导出的值)可以被存储在与系统输出和天气条件以及功耗 相关的知识库中。这种知识库可以被用来更有效地控制建筑物系统。
例如，可能改变诸如空气处理单元428的空气处理单元的操作中 的多个参数，以实现建筑物内的空间的适当的IEQ指数。当然，可以 存在新鲜空气含量、送风温度和送风气流的数种组合，这些组合可以 提供每个房间304. 1、 304.2和304. 4内的适当的舒适性和/或适当的 IEQ。然而，那些组合中的一些可以比其他组合有更高的能量效率。此 外，天气的变化不仅可以改变哪些组合合适，而且甚至改变哪些组合 最有效。
例如，如果室外温度为72° ，而相对湿度为50%，则合适地可以 在送风中包括大百分比的新鲜空气含量，因为新鲜空气相对冷和干。 也可以合适地在送风中包括非常少的室外空气，并且相反依赖于另外 冷却循环空气。然而，后一解决方案可能会因为增加的冷却要求而要 求更多的能量。相反，如果室外温度为72° ，而相对湿度为90%，则 该解决方案的效率可以改变。例如，如果送风包含大量新鲜空气，则 送风会要求额外冷却，以反对新鲜空气内的增加的湿度的不利影响。 然而，如果送风包括减少的新鲜空气量，则较少的冷却可以是必需的， 因为减少的新鲜空气在建筑物内并没有产生同样多的酷热指数(heat index)。在该实例中，当减小新鲜空气含量时，要求较少的能量。
这些简化的实例说明了，如果效率是该解决方案的目标，则天气 条件的简单变化如何要求非常不同的解决方案。图6、 7和8示出了空气处理单元428在不同天气条件下的操作条 件的知识库(和IEQ信息一起)如何被用来增加空气处理单元的操作 的能量效率的筒化实例。
图6示出了知识库被用在基于室外空气条件控制空气处理单元 428的过程。应该理解的是，该例子出于图解说明的目的而必需被简化， 并且许多其他因素也可以在空气处理单元428的控制中被考虑。此外， 控制除了空气处理单元428之外的方面的更多操作参数可以利用类似 方法来控制。图6和7的操作在此可以通过控制站318的处理电路318a 来执行。
在步骤602，控制站318获得天气信息，诸如室外温度和相对湿度。 (在其他实施例中，日光量、污染指数和花粉指数也可以被监控)。 在任何情况下，处理电路获得关于可被增加到送风的"新鲜空气，，的 信息。
在步骤604，控制站318试图利用知识库来识别针对空气处理单元 428的一组操作参数，这些操作参数在帮助实现每个房间304. 1、 304. 2 和304.4的令人满意的IEQ指数时特别有效，并且这具有高的效率。 特别地，图8示出了图解说明知识库中的"点"的图表。每个点802 -810表示一组操作参数(例如送风温度、送风气流、新鲜空气含量或 者(Tsa、 FLsa、 FAU )。这些点表示多组操作参数(Tsa、 FLsa、 FARsa)， 其中已找到合适的整个建筑物的IEQ指数。这些点通过室外酷热指数 来以被编入索引的方式(indexed)示出，该室外酷热指数是温度和相 对湿度的组合。这些点相对于IEQ与能耗的比率而被绘制。系统的目 标是使IEQ与能耗(EC)比最大化。
因此，例如，点802和804表示空气处理单元428在几乎相同的 酷热指数条件下的不同的两组操作参数(Tsa、 FLsa、 FARJ。然而，对应 于点804的该组参数具有较高的IEQ/EC比，并且因此对于天气条件的 特定集更有效。图8中的图表的点通过学习处理电路的操作来获得， 这些操作将在下面结合步骤610和图7来讨论。
再次参照步骤604，处理电路选择具有相对应的酷热指数值的多个 点，这些酷热指数值相对接近于当前的室外天气条件。例如，再次参 照图8，如果室外酷热指数值是点812处的值，则点806和810是最接 近的。换言之，与点806和810相关联的酷热指数比图表中的其他点更接近812处的实际酷热指数值。
在步骤606，控制电路318在基于IEQ/EC比而在步骤604所识别 的点中进行选择。因此，在图8中所示的例子中，处理电路会选择点 806之上的点810，因为该点810具有更高的IEQ/EC比。
应该理解的是，更复杂的算法可以被用来选择图表的点。例如， 算法可以考虑对应于酷热指数的点，如果这些点具有极高的IEQ/EC比， 则这些点更远。例如，算法能够选择图8中的点808，因为该点略微靠 近酷热指数812并且具有极高的IEQ/EC比。也应该理解的是，例如仅 仅提供温度和湿度的组合酷热指数的使用。在其他实施例中，图8的 "图表"可以合适地被具有温度、湿度和甚至是光、污染水平和/或花 粉含量的独立指数的多维阵列来替换。甚至利用多维阵列，控制站318 会在(相对于温度、湿度、光、污染和/或花粉)最靠近的点中寻找并 且选择具有最高IEQ/EC的点。
在任何情况下，在606之后，控制站318已选择点，这意味着已 标识空气处理单元428的一组相对有效的操作参数。因此，在步骤608， 控制站318获得了与从知识库中选择的点相关联的参数(乙、FLsa、 FARJ，并且因此控制了空气处理单元428。因此，控制站318的处理 单元可以合适地将值Tsa、 FLsa、 FARsa作为针对空气处理单元操作的新 设定点而发送。
一旦操作参数已被采用，则在步骤610，处理电路从事学习操作， 在该学习操作中，系统参数(例如，Tsa、 FLsa、 FARsa)变异并且观察结 果。利用微系统传感器406.x、 408.x、 410.x的无线网络，改变该系 统的大尺度粒度测量可以被获得，并且相对便利地被提供给控制站 318。这种学习过程有助于增加知识库，这可以被看作将点增加到图8 的图表。
图7更为详细地示出了与图6的步骤610的突变和知识库学习操 作结合的控制站318的操作。
在步骤702，控制站318获得建筑物的IEQ信息、能耗(EC)信息 和室外环境条件(例如酷热指数)。该信息提供对于提供图8的图表 上的点必需的信息。
应该理解的是，将IEQ用作建筑物内的环境的可接受性的量度提 供了其他实施例并不具有的优点。特别地，如上所讨论的那样，不同的因素使工作环境舒适和健康。可能的是，不同条件下的不同控制参
数以不同的方式影响IEQ，从而实现健康的环境。在知识库的这个实施 例中，控制站寻求最有效的方式来实现可接受的环境，而不必单独集 中在诸如温度的单个变量上。然而，其他实施例可以简单地使用温度 和湿度的指数、或者元素的某个其他子集和IEQ指数。
在任何情况下，在步骤702假设以下当前条件系统已稳定，并 且针对建筑物内的空间已实现了最小的可接受的IEQ指数。所得到的 IBQ量度、EC值(可以是空气处理单元428本身的能耗，该能耗通过 能耗表来测量)和室外天气条件于是被存储为知识库的部分。
在步骤704，控制站318将参数之一 Tsa、 FLm或者FAl优选地改 变相对小的量。变型的目的是试图变异或者演变到更有效的操作。因 此，控制站可以使得空气处理单元428将其温度设定点改变到略微高 的值。在一些情况下，多个参数可以被改变。例如，控制站可以使得 空气处理单元428略微增加送风气流，并且略微减少新鲜空气含量。 选择哪个参数或者那些参数变化优选地随机进行。每个变化的量应该
是微小的。
在任何情况下，在步骤706，控制站318获得建筑物的新的IEQ信 息和新的能耗(EC)信息，这些信息由变化的参数得到。在该系统已 稳定并且IEQ指数对于建筑物是适当的之后，该信息再次被获得。出 于完整起见，由于那些条件将随着时间的过去变化，所以室外环境条 件(例如酷热指数)也可以被获得。如果室外环境条件的变化大于微 量允许(deminimus)量，则控制站318离开图8并且进行到图6的步 骤602。
假设天气条件并未明显改变，则控制站318进行到步骤708。在步 骤708，控制站318确定新的IEQ/EC指数是否大于基于来自步骤702 的IEQ和EC的值确定的IEQ/EC指数。如果不是这样，则变化/突变并 不会看起来像是导致针对空气处理单元428的操作参数的更好的解决 方案。在这样的情况下，在步骤710，控制站根据生成针对空气处理单 元428的从最初的设置(也就是步骤702 )到在前设置{Tsa、 FLsa、 FARsa} 的不同的变化。在步骤710之后，控制站返回到步骤706，以观察那些 变4匕如何以上面所述的方式影响该系统。
再次参照步骤708，如果控制站318相反确定变化的参数集的IEQ/EC比大于最初的参数集的IEQ/EC比，则出现变化/突变导致空气 处理单元在当前天气条件下的操作的更好解决方案。在这样的情况下， 控制站318进行到步骤712。在步骤712，控制站将该组参数存储在知 识库中，通过天气条件和IEQ/EC比来编入索引(也就是产生图8的图 表上的新点)。控制站318也采用新的参数(乙、FLsa、 FARJ作为当前 参数并且返回到步骤704，以进行参数的另外的变化/突变。步骤712 因此有助于填充该系统的经验知识库。
上面所描述的操作示出了知识库(和针对建筑物300的粒度传感 器值的可用性一起)如何可以被用来在维持建筑物内的健康环境的同 时改进效率。本领域技术人员所识别的其他例子可以利用通过无线微 系统的测量和操作参数的突变来构建知识库的操作，并且使用这样的 知识库来至少辅助多变量过程的控制。
应该注意的是， 一些实施例并不要求现场控制器。例如，在可替 换的实施例中，微系统406.x、 408.x和410.x可以经由无线网络与控 制站进行通信。如上所讨论的那样，每个微系统406. x、 408. x和410. x 都具有无线通信能力。因为微系统406. x、 408.x和410. x的网络延伸 到整个建筑物300，所以路径可以通过微系统的菊花链连接而在任何微 系统406.x、 408.x和410. x到控制站318之间绘出，^使得没有单个微 系统要求远程RF通信能力。
权利要求
1.一种用于建筑物内的控制系统中的设备，所述设备包括多个传感器微系统(12，406，407，408)，所述传感器微系统被配置来获得关于建筑物内的多个区域的环境信息；处理电路(18，318，412，416)，所述处理电路可操作来获得代表关于建筑物内的多个区域在第一组操作参数值下的环境信息的数据；使得建筑物控制系统(14，16，418，420，422，428)在第二组操作参数值下操作，其中操作参数的第一参数具有改变的值；获得代表关于多个区域在第二组操作参数值下的环境信息的数据；将代表第二组操作参数值下的环境信息的数据存储在知识库(18，318)中；随后，利用知识库来调整操作参数值。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中，操作参数值包括代表建筑 物控制系统(428 )的送风温度的信息。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中，操作参数值包括建筑物控 制系统(14， 16, 418， 420， 422 )的照明设定点。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中，操作参数值包括涉及建筑 物控制系统(428 )的送风中的新鲜空气混合的信息。
5. 根据权利要求1所述的设备，还包括每个微系统(12， 406， 408， 410)与处理电路(16， 18， 318， 412， 416 )之间的通信链路(20, 426 )。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中，至少第一微系统(12)形 成第二微系统(12)与处理电路(18)之间的通信链路的部分。
7. 根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中，多个微系统 (12， 406， 408， 410)包才舌至少一个无线微系统(12， 406， 408， 410)。
8. 根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其中，多个微系统 (12, 406， 408， 410)中的每一个包括至少一个MEMS传感器(520 )。
全文摘要
一种用于建筑物内的控制系统中的设备包括多个传感器微系统(12，406，407，408)和处理电路(18，318，412，416)，所述传感器微系统被配置来获得关于建筑物内的多个区域的环境信息。处理电路可操作来获得代表关于建筑物内的多个区域在第一组操作参数值下的环境信息的数据。处理电路(18，318，412，416)还可操作来改变操作参数和获得代表关于多个区域在改变的一组操作参数值下的环境信息的数据。处理电路(18，318，412，416)也可操作来将代表在改变的操作参数值下的环境信息的数据存储在知识库中。随后，处理电路(18，318，412，416)利用该知识库来调整操作参数值。
文档编号G05B13/02GK101288031SQ200680032612
公开日2008年10月15日 申请日期2006年9月6日 优先权日2005年9月6日
发明者A·奥斯曼 申请人:西门子建筑技术公司