Pourquoi les bâtiments intelligents devraient devenir vraiment intelligents
Alors que, dans le monde entier, la surface au sol réservée aux bâtiments continue de croître rapidement, une gestion efficace de ces derniers devient de plus en plus importante, pour le bien-être des habitants, un fonctionnement efficace et la protection de l’environnement.
Cet article examine la gamme de plus en plus sophistiquée de technologies électroniques utilisées pour améliorer l’efficacité opérationnelle des différentes fonctions employées dans un bâtiment et les intégrer dans une seule entité à gestion intelligente qui peut être visualisée et gérée de manière intégrale.
En raison de la croissance démographique et de l’urbanisation grandissante, dans le monde entier, la surface au sol réservée aux bâtiments devrait doubler d’ici 2060 : cela équivaut à construire une ville supplémentaire de la taille de New York tous les mois pendant 40 ans. Cette tendance, accompagnée d’implications sur l’impact des bâtiments sur les populations de plus en plus importantes, souligne le besoin de plus en plus urgent d’optimiser les performances des bâtiments. Le bien-être et la prospérité des propriétaires et des occupants dépendent d’un environnement bâti bien géré, sûr et confortable pour travailler, efficace en termes d’entretien et de consommation d’énergie, et facilement adaptable à l’évolution des circonstances. De plus, à mesure que la dépendance vis-à-vis des systèmes de construction complexes qui rendent possibles ces environnements augmente, la sécurité et la protection des systèmes eux-mêmes deviennent de plus en plus critiques.
L’efficacité énergétique est particulièrement importante. Alors que les véhicules sont souvent considérés comme les principaux polluants et consommateurs d’énergie de la planète, les bâtiments ont en fait une part de culpabilité bien plus grande. La norme ISO 16745, récemment créée pour la surveillance du carbone et intitulée « Développement durable dans les bâtiments et les ouvrages de génie civil – Métrique du carbone dans les bâtiments existants pendant la phase opérationnelle, Parties 1 et 2 » a reconnu que les bâtiments sont responsables de plus de 40 % de l’énergie mondiale utilisée et jusqu’à un tiers des émissions mondiales de gaz à effet de serre (GES).
Le secteur du bâtiment bénéficie néanmoins du plus grand potentiel de réduction significative des GES par rapport aux autres grands émetteurs. Une grande contribution à cela peut être apportée par la mise à jour et l’ajout d’une technologie de gestion des bâtiments sur les sites plus anciens, car 90 % des bâtiments existants seront toujours debout d’ici 2050.
Mettre à jour un bâtiment à ses performances optimales dans tous ces aspects divers et nécessaires, et le maintenir ainsi, nécessite clairement l’engagement d’un grand nombre de spécialistes de fonctions et d’horizons différents, qui ont tous besoin de données en temps réel pour éclairer toute décision qu’ils prennent. C’est là que les bâtiments à gestion intelligente entrent en scène : un bâtiment intelligent utilise des capteurs pour créer des silos intelligents d’informations, alors qu’un bâtiment à gestion intelligente rassemble toutes les informations intelligentes dans un ou plusieurs portails.
Analog Devices pense que les bâtiments à gestion intelligente peuvent être créés par la numérisation des bâtiments, associée à des niveaux accrus de systèmes d’automatisation interconnectés, de capteurs en périphérie intelligents et d’actionneurs. Ensemble, ceux-ci permettent d’obtenir davantage d’efficacité opérationnelle qui apporte des améliorations durables à long terme dans la gestion des bâtiments. Des informations exploitables réduisent la consommation d’énergie, créent des environnements plus sûrs et augmentent le confort des occupants, ce qui conduit à une productivité plus élevée et à un avenir plus vert.
Les nœuds en périphérie surveillent, analysent et influencent l’environnement opérationnel physique du bâtiment à gestion intelligente. L’intelligence artificielle en périphérie et dans le cloud utilise les données pour optimiser les performances du système afin d’atteindre les résultats commerciaux et les objectifs environnementaux requis. Les données doivent pouvoir circuler sur des réseaux IT et OT traditionnellement cloisonnés, ce qui renforce la nécessité d’une convergence continue. Cette approche intégrale repose sur un cadre de communication sous-jacent qui relie les sous-systèmes d’automatisation du bâtiment au système de gestion du bâtiment. L’Ethernet en périphérie permet aux nœuds adressables par IP de communiquer via un câble à paire torsadée standard déjà existant, facilitant ainsi une mise à jour transparente des systèmes hérités.
Pour prendre des décisions éclairées, les données de nombreux équipements doivent être collectées et interprétées. En décentralisant l’intelligence, ces données peuvent être analysées localement pour des prises de décision plus rapides, car seul le résultat est communiqué à la couche de contrôle. Avec des nœuds plus accessibles, il est nécessaire de protéger la périphérie. L’authentification et le démarrage sécurisé sont quelques-unes des fonctionnalités nécessaires pour sécuriser les nœuds en périphérie contre les cyberattaques potentielles.
Figure 1 : un nœud de capteur numérique sans fil numérique contribue à la richesse des données disponibles en périphérie
Dans les nouveaux bâtiments, les espaces doivent être adaptables, avec la possibilité d’être reconfigurés pour des cas d’utilisation nouveaux ou étendus. Dans les bâtiments anciens, une détection et un contrôle supplémentaires doivent être intégrés aux contrôleurs d’E/S et au câblage existants, afin qu’ils puissent se développer de manière organique à mesure que l’investissement augmente et que le retour sur investissement est obtenu. Une solution d’E/S logicielle configurable offre la flexibilité nécessaire dans les bâtiments neufs et anciens, permettant aux propriétaires de maximiser le retour sur leurs investissements en actifs.
Au fur et à mesure que le bâtiment connecté intégralement devient plus intelligent, il réagit automatiquement aux besoins de ses occupants pendant les heures de travail et en dehors. Le réglage automatisé de l’éclairage, de la température, de la ventilation et des volets des pièces en fonction de l’occupation et des conditions météorologiques extérieures crée un environnement plus confortable et productif pour les travailleurs, tout en permettant des réductions significatives de la consommation d’énergie et des coûts pour l’entreprise.
Les systèmes de gestion des bâtiments entièrement intégrés peuvent apporter des économies d’énergie importantes grâce aux processus de séquençage, à l’optimisation de l’environnement en fonction des modèles d’occupation, et à la détection et au diagnostic de l’efficacité de fonctionnement des équipements. Des économies peuvent également être réalisées avec la conception du système de base. Pour cela, il est nécessaire d’avoir un partenaire de développement qui comprend les compromis et peut fournir les solutions requises pour une conception avec une consommation d’énergie efficace.
La partie suivante de l’article examine de plus près certaines des technologies sous-jacentes aux systèmes de construction numérisés qui rendent tout cela possible.
Les moteurs électriques représentent environ 38 % de l’électricité utilisée dans les bâtiments commerciaux. La consommation d’énergie dans les systèmes CVC peut être optimisée en surveillant les vibrations et la qualité de l’alimentation. Le modèle ADXL359 d’ADI permet de surveiller l’état des actifs en temps réel, permettant un diagnostic précoce des défauts mécaniques et des équipements défaillants. Le modèle de surveillance de la qualité de l’alimentation ADE9430 et la pile logicielle qui l’accompagne offrent un moyen rentable de surveiller l’état de l’alimentation du moteur afin que l’utilisateur puisse effectuer une maintenance préventive et de préserver la santé du moteur lui-même.
L’ADXL359 à sortie numérique est un accéléromètre MEMS (système microélectromécanique) à faible densité de bruit, à faible dérive de décalage de 0g, à faible consommation d’énergie et à 3 axes avec des plages de mesure sélectionnables. L’ADXL359 prend en charge les plages ±10g, ±20g et ±40g. L’ADXL359 offre un bruit de pointe, une dérive de décalage minimale sur la plage de température et une stabilité à long terme, rendant possibles des applications de précision avec un étalonnage minimal.
Figure 2 : carte d’évaluation EVAL-ADXL359Z. L’EVAL-ADXL359Z est idéale pour évaluer le modèle ADXL359 dans un système existant, car la rigidité et la petite taille de l’EVAL-ADXL359Z minimisent l’effet de la carte sur les mesures du système et de l’accélération
L’ADE9430 est un équipement de surveillance de la consommation d’énergie et de la qualité de l’alimentation polyphasé, très précis et entièrement intégré. Des performances analogiques supérieures et un noyau de traitement des signaux numériques (DSP) permettent une surveillance précise de la consommation d’énergie sur une large plage dynamique. Une référence haut de gamme intégrée garantit une faible dérive sur la plage de température avec une dérive combinée inférieure à ±25ppm/°C au maximum pour l’ensemble du canal, avec un amplificateur à gain programmable (PGA) et un convertisseur analogique-numérique (ADC).
L’ADE9430 et la bibliothèque logicielle associée offrent une capacité complète de surveillance de la qualité de l’alimentation, conforme à la norme IEC61000-4-30 Classe S, en fournissant des mesures sur les creux, les houles, les interruptions, le scintillement et les harmoniques et interharmoniques de tension et de courant, ainsi que des mesures plus basiques telles l’énergie totale et fondamentale
Une autre approche de la surveillance de l’état des moteurs électriques est proposée par le capteur de moteur intelligent (SMS) OtoSense d’ADI. Cette solution matérielle et logicielle clé en main basée sur l’IA pour la surveillance de l’état contrôle l’état des moteurs électriques en combinant les technologies de détection avec l’analyse des données. Le SMS OtoSense d’ADI détecte les anomalies et les défauts des équipements, permettant aux utilisateurs de prévoir les cycles de maintenance et d’éviter les temps d’arrêt imprévus.
Indépendamment du type de moteur, le SMS OtoSense d’ADI couvre les diagnostics les plus critiques, traduisant les données en informations exploitables. Le capteur de moteur intelligent permet une surveillance 24 h/24 et 7 j/7 basée sur l’état de tous les moteurs électriques à basse tension d’un bâtiment. Il présente les informations de manière claire, révélant à la fois quel est le problème et comment le résoudre.
OtoSense rend possible la mise en place des stratégies de maintenance prédictive, qui permettent de révéler et de corriger les anomalies avant qu’elles ne provoquent des pannes et des temps d’arrêt coûteux. Cela peut réduire les coûts de maintenance jusqu’à 10 % et augmenter la productivité jusqu’à 25 %.
Figure 3 : capteur de moteur intelligent OtoSense d’ADI : solution matérielle et logicielle pour la surveillance de l’état
Une connectivité transparente aux capteurs et actionneurs des nœuds en périphérie se traduit par une efficacité d’exploitation substantielle des bâtiments. Analog Devices propose une gamme de produits permettant d’apporter la connectivité Ethernet à tous les niveaux d’un système d’automatisation de bâtiment. Des couches physiques (PHY) Ethernet sont disponibles pour connecter des contrôleurs sur des liaisons Ethernet standard de 10/100/1 000Mbps (10BASE-T/100BASE-T/1000BASE-T). Les produits Ethernet à paire unique (ADIN1100/ADIN1110/ADIN2111) compatibles avec la norme 10BASE-T1L apportent une connectivité Ethernet aux contrôleurs de salle et aux nœuds en périphérie dans des configurations de réseau point à point, en anneau et en ligne. Le modèle ADIN2111 à 2 ports intègre un commutateur de faible complexité qui facilite la création de topologies en ligne et en anneau pour que plusieurs équipements communiquent avec une simple interface SPI avec le microcontrôleur hôte du contrôleur de la pièce.
L’émetteur-récepteur ADIN1110 est un modèle 10BASE-T1L à port unique et à ultra-basse consommation conçu pour les applications Ethernet industrielles et conforme à la norme Ethernet IEEE® 802.3cg-2019™ pour une longue portée Ethernet à paire unique (SPE) 10Mbps. Doté d’une interface de contrôle d’accès au support (MAC) intégrée, l’ADIN1110 permet une connectivité directe avec une variété de contrôleurs hôtes via une interface périphérique en série (SPI) à 4 fils. Cette SPI permet d’utiliser des processeurs à faible consommation d’énergie sans MAC intégré, ce qui permet la consommation d’énergie globale la plus faible au niveau du système. La SPI peut être configurée pour utiliser le protocole SPI Open Alliance ou un protocole SPI générique.
L’ADIN1110 dispose d’un circuit intégré de surveillance de l’alimentation en tension et de réinitialisation à la mise sous tension (POR) pour améliorer la robustesse au niveau du système.
Figure 4 : schéma fonctionnel du modèle MAC-PHY Ethernet ADIN1110 10BASE-T1L robuste, industriel et à basse consommation
L’intégration de capteurs et de commandes de pointe dans la plupart des bâtiments commerciaux peut permettre d’économiser jusqu’à 29 % sur la consommation d’énergie du site. L’intégration de l’intelligence et de l’adaptabilité dans les équipements en périphérie nécessite des entrées et des sorties aux performances élevées.
Des capteurs de température de précision tels que le MAX31825 et l’ADT7420 peuvent fournir des informations en temps réel sur la température ambiante, tandis que le TMC5130A est un driver de moteur pas-à-pas silencieux aux performances élevées, permettant un fonctionnement efficace et silencieux des vannes de chauffage (TRV) et des unités de débit d’air.
L’AD74412R est une solution d’entrée/sortie configurable par logiciel à quatre canaux pour les applications de contrôle des bâtiments et des processus. L’équipement contient des fonctionnalités permettant de mesurer la sortie analogique 4-20mA ou 0-10V, l’entrée analogique et l’entrée numérique, et de détecteur de température à résistance (RTD) intégrées dans une solution à puce unique ayant une interface compatible avec l’interface de port en série (SPI). L’équipement comprend un convertisseur analogique-numérique (ADC) Σ-∆ 16bits et quatre convertisseurs numérique-analogique (DAC) 13bits configurables pour fournir quatre canaux d’entrée/sortie configurables et une suite de fonctions de diagnostic.
L’AD74412R prend en charge plusieurs modes. Ces modes sont la sortie de tension, la sortie de courant, l’entrée de tension, l’entrée de courant alimentée en externe, l’entrée de courant alimentée en boucle, la mesure RTD externe, la logique d’entrée numérique et l’entrée numérique alimentée en boucle. Si les ADC ou DAC standards sont préférés,
La sécurité des bâtiments fait partie intégrante d’un système global de gestion des bâtiments. Le modèle
ADPD188BI
est une solution complète de détection de la fumée d’Analog Devices qui permet des conceptions plus petites et des alarmes intempestives réduites tout en respectant les normes internationales de sécurité incendie les plus récentes et les plus strictes. Il est essentiel de faire la distinction entre les sources de fumée potentiellement mortelles et non mortelles. La conception de référence du CN0537 contient un algorithme de détection intelligent, entièrement vérifié selon les normes UL 217 et EN 14604, qui peut faire cette distinction.
Les caméras compatibles avec l’IA offrent une protection aux personnes et aux infrastructures, ainsi que des informations sur la productivité des détaillants, des fabricants et des urbanistes. L’augmentation de la résolution et la détection supplémentaire, comme le radar et l’audio, permettent aux caméras de voir et d’entendre plus, avec une plus grande clarté et dans toutes les conditions.
Les caméras doivent également cibler rapidement les événements, puis suivre et enregistrer sans saccades, même lorsqu’elles sont exposées à des vibrations. Que vous utilisiez un moteur pas à pas ou un moteur DC sans balais plus complexe, les solutions de commande de moteur Trinamic™ d’ADI et les capteurs de position multitours simplifient la conception des caméras, améliorent l’efficacité et permettent des mouvements précis.
Pour en savoir plus sur les technologies de caméras de surveillance intelligentes et les solutions disponibles chez Analog Devices, téléchargez notre article : « Utiliser des caméras intelligentes pour une sécurité et une surveillance renforcées ».
L’utilisation du contrôle d’accès facial et audio avec l’IA devient désormais monnaie courante. Sécurisez votre bâtiment contre les menaces externes et internes avec une multitude de technologies fournies par ADI, notamment des solutions de cybersécurité et de traitement activées par l’IA. De l’accès aux portes à la commande vocale des volets, le microcontrôleur IA MAX78000 est conçu pour permettre aux réseaux de neurones de s’exécuter avec une très faible consommation d’énergie et en périphérie intelligente.
Pour la sécurité à la périphérie, le coprocesseur cryptographique DeepCover® DS28S60 s’intègre facilement dans les systèmes embarqués, rendant possibles la confidentialité, l’authentification et l’intégrité des informations. Avec un ensemble de commandes fixes et aucun développement de micrologiciel au niveau de l’équipement requis, le DS28S60 permet de mettre en œuvre rapidement et facilement une sécurité complète pour les équipements IoT. Le contrôleur cryptographique MAXQ1065 à ultra-basse consommation offre des solutions de contrôle d’accès, fournissant des fonctions cryptographiques clé en main pour la racine de confiance, l’authentification mutuelle, la confidentialité et l’intégrité des données.
Figure 5 : implémentation de la PUF ChipDNA™
Pour en savoir plus sur la manière dont l’IA facilite la reconnaissance faciale et sur la manière dont la mise en œuvre de la technologie PUF brevetée ChipDNA™ d’Analog Devices (le coprocesseur cryptographique DS28S60 DeepCover® et le contrôleur cryptographique MAXQ1065) protège contre les attaques de sécurité au niveau de l’équipement, téléchargez notre article :« Les défis modernes de la reconnaissance d’images et de la reconnaissance faciale – et comment l’IA facilite les solutions compétitives de petite taille en périphérie ».
La présence des personnes sur un site peut également être gérée par des systèmes de reconnaissance vocale optimisés par l’IA qui reconnaissent qui sont les gens, et des systèmes de reconnaissance de la parole qui comprennent ce qu’ils disent. Pour obtenir plus d’informations sur ces systèmes audio, consultez notre « Comment l’IA et la technologie en périphérie contribuent à l’évolution des systèmes de reconnaissance vocale, de reconnaissance de la parole et de reconnaissance sonore ».
Plus d’une décennie après le début de la transformation des LED, l’éclairage reste l’une des trois principales activités consommatrices d’énergie dans les bâtiments commerciaux. Aussi efficaces que soient les LED, elles devront toujours être surveillées, mesurées et contrôlées pour que les bâtiments fonctionnent efficacement. Avec des microcontrôleurs ajoutant de l’intelligence aux pilotes de luminaires, aux interrupteurs muraux et aux détecteurs de présence montés au plafond, les alimentations régulées et la protection contre les surtensions et les sous-tensions comme le MAX15062 et le LTC4368 sont essentielles pour garantir la fiabilité et minimiser la consommation d’énergie. Améliorer le bien-être des occupants nécessite de mesurer et de contrôler avec précision les longueurs d’onde exactes de la lumière naturelle et artificielle dans un espace avec des composants comme l’ADA4937 et le LT3795. Des technologies comme mSure dans des composants comme l’ADE9153A permettent aux systèmes de contrôle de surveiller des schémas de contrôle d’éclairage complexes, en garantissant toujours que les impacts énergétiques sont mesurés
La faible consommation d’énergie et la durabilité sont des objectifs clés pour tout bâtiment à gestion intelligente. Il est donc primordial de créer des solutions technologiques d’alimentation capables d’aider à atteindre ces objectifs. En permettant un environnement local personnalisable et confortable, les occupants du bâtiment bénéficient d’une meilleure expérience utilisateur avec une productivité accrue.
Avec de nombreux équipements et de nombreux circuits d’alimentation convertissant l’AC en DC, à plusieurs niveaux de puissance dans un bâtiment, une conversion efficace à faible perte d’énergie est nécessaire. Les équipements alimentés en courant continu permettent une transition croissante vers des bâtiments plus efficaces, durables et personnalisables.
Analog Devices propose un large éventail de solutions d’alimentation pour les technologies de bâtiment, à la pointe de l’industrie, telles que l’alimentation par Ethernet (PoE), qui permet de connecter des équipements tels que l’éclairage, les thermostats ou les volets dans l’ensemble d’un bâtiment pour une expérience avec un niveau de contrôle plus important au niveau local.
Ensemble de puces PoE LTC®4291-1/LTC4292 d’Analog Devices : l’ensemble de puces LTC®4291-1/LTC4292 est un contrôleur d’équipement d’alimentation électrique (PSE) à 4 ports conçu pour être utilisé dans les systèmes Power over Ethernet (PoE) conformes à la norme IEEE 802.3bt Type 3 et 4. Le LTC4291-1/LTC4292 est conçu pour alimenter des équipements alimentés conformes aux normes 802.3af, 802.3at et 802.3bt. L’ensemble de puces LTC4291-1/LTC4292 offre la dissipation thermique la plus faible de l’industrie en utilisant des MOSFET externes à faible RDS(ON) et une résistance de détection de 0,15Ω par canal d’alimentation. Un protocole de communication isolé par transformateur remplace les optocoupleurs coûteux et l’alimentation 3,3V isolée complexe, ce qui permet de réaliser d’importantes économies sur les coûts de nomenclature.
Figure 7 : le contrôleur d’équipement d’alimentation électrique (PSE) à 4 ports avec l’ensemble de puces LTC®4291-1/LTC4292
Analog Devices est également la première entreprise à proposer des solutions Power Over Ethernet à paire unique conformes à la norme 802.3cg avec un PSE à 5 ports, le LTC4296-1 et un PD à 1 port, le LTC9111.
La conception et la gestion d’un bâtiment vraiment intelligent nécessitent des couches de technologie combinées en un seul macrosystème homogène. Au niveau inférieur se trouvent les divers systèmes de gestion des services publics et de l’environnement, et au-dessus se trouvent les systèmes de communication qui déplacent les données depuis la périphérie, à travers les silos et vers les systèmes de gestion centraux et les tableaux de bord qui permettent une visibilité et un contrôle globaux aux parties prenantes qui en ont besoin.
Le succès de la mise en œuvre de systèmes aussi complexes et intégrés dépend de la collaboration avec des fabricants comme Analog Devices : leur gamme complète de technologies couvre toutes les opérations du bâtiment à tous les niveaux. Cela garantit non seulement une mise en œuvre efficace et rentable des fonctions individuelles, mais également leur interopérabilité réussie, des communications de niveau supérieur et un contrôle à l’échelle du bâtiment.
Cette capacité est complétée par l’étendue et la profondeur du stock de composants et de systèmes d’Analog Devices proposé par Farnell, et la disponibilité de leurs experts qui peuvent vous conseiller sur l’optimisation de la sélection de composants pour des projets spécifiques.
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