Miten valmiin ratkaisun avulla voidaan nopeuttaa sofistikoituneiden henkilömäärän monitorointituotteiden kehittämistä?

Henkilömäärän monitorointi on avainroolissa rakennusautomaatiossa sekä terveys-, turvallisuus- ja tietoturvakysymyksissä. Vaikka kehittäjät voivat koota saatavilla olevista komponenteista sopivia henkilölaskentaratkaisuja ja kehittää tarvittavia algoritmeja, tämä vie aikaa vievää ja se on kallista. Samalla kun odotukset entistä sofistikoituneempia ja ajantasaisempia ominaisuuksia (joihin kuuluu tuki sosiaaliseen etäisyyteen liittyville vaatimuksille) sisältävien ratkaisujen nopeammasta toimituksesta ovat kasvaneet, tarvitaan yksinkertaisempaa ja nopeampaa lähestymistapaa.

Tässä artikkelissa käsitellään henkilömäärän monitorointia ja sitä, miksi siitä on tullut niin tärkeää. Sen jälkeen artikkelissa esitellään miten aloittaa kokonaisratkaisun tarjoavan Analog Devices -henkilölaskentasarjan käyttö. Sarjaa käyttämällä suunnittelijat voivat täyttää henkilömäärän monitorointitoimintoon perustuvien sofistikoituneiden sovellusten vaatimukset. Tällaisten sovellusten määrä kasvaa koko ajan.

Miksi henkilömäärän monitorointi on tärkeää

Henkilöiden määrän, sijainnin ja liikkumisen monitoroinnista rakennuksen sisällä on tullut yhä tärkeämpää monissa sovelluksissa. Automaattisissa rakennushallintajärjestelmissä (BMS) mahdollisuus seurata huoneiden käyttöä ja henkilöiden liikkeitä on erittäin tärkeää, jotta toimistoja, kokoushuoneita ja muita yhteisiä tiloja voidaan hyödyntää täysmääräisesti. Pandemian aikana tämä auttaa varmistetaan, että henkilöt voivat pysyä sisätiloissa turvallisesti riittävän kaukana toisistaan.

Silloinkin kun ihmiset palaavat toimistorakennuksiin, kyky monitoroida huoneiden henkilömäärää auttaa yrityksiä rajoittamaan energiantuhlausta rakennusten sellaisissa tiloissa, jotka eivät ole käytössä. Tällaisia tiloja voi olla paljon. Toimistojen henkilömäärät, jotka olivat laskeneet noin 68 prosenttiin jo vuonna 2019 [a], romahtivat pandemian aikana ja palasivat vain noin 32 prosenttiin vuoden 2021 puolivälissä [b].

Rakennustilojen käytön optimoinnin ja sosiaalisen etäisyyden tukemisen lisäksi henkilömäärän aktiivisesta mittaamisesta on tullut olennaisen tärkeää kiihtyvän energiankulutuksen hillitsemiseksi. World Green Building Councilin [1] mukaan rakennukset ja rakentaminen aiheuttavat 39 prosenttia kaikista hiilidioksidipäästöistä maailmanlaajuisesti. Tarkemmin sanottuna rakennusten valaisemiseen, lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen käytetyn energian osuus maailman hiilidioksidipäästöistä on 28 prosenttia. (Loput 11 prosenttia liittyvät rakennuksen elinkaaren aikaisiin materiaalien ja rakentamisen hiilikustannuksiin.)

Rakennuksiin liittyvät hiilidioksidipäästöt pysyivät ennallaan suurimman osan viime vuosikymmenestä, mutta vuonna 2019 ne nousivat ennätyskorkealle tasolle äärimmäisten sääolojen aiheuttaman lisääntyneen energiankysynnän vuoksi. Vuosi 2019 osoittautui itse asiassa kuumimmaksi vuodeksi sitten vuoden 2016, jolloin maailmanlaajuiset säämallit ja nousevat lämpötilat yhdistyivät ”täydelliseksi epätavallisen lämpimän sään myrskyksi”.

Tämä lämpimämmän sään trendi on jatkunut, ja vuosi 2020 osoittautui lämpimämmäksi kuin vuosi 2019. Näin ollen kolme kaikkein lämpimintä vuotta tähän mennessä ovat Yhdysvaltain kansallisen valtameri- ja ilmakehäviraston (NOAA) mukaan 2016 (1.), 2020 (2.) ja 2019 (3.) [2]. Suuntaus jatkuu, ja heinäkuu 2021 oli maailmanlaajuisesti kaikkien aikojen kuumin mitattu kuukausi [3]. Koska neljä heinäkuuta edeltävää kuukautta ovat kukin sijoittuneet kymmenen kaikkein lämpimimmän mitatun kuukauden joukkoon [4], NOAA ennakoi, että vuodesta 2021 tulee todennäköisesti yksi kymmenestä lämpimimmästä kautta aikojen mitatusta vuodesta maailmanlaajuisessa mittakaavassa.

Ilmastoon vaikuttavien hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen pyrkivissä kansallisissa strategioissa rakennusten tehokkaampi energiankäyttö on maailmanlaajuisesti keskeinen osa suunnittelua. Energiankulutuksen vähentäminen tuo suoria hyötyjä yksittäisten yritysten taloudelliseen tulokseen ja työntekijöiden hyvinvointiin.

Vaikka henkilömäärää koskevan perusdatan merkitys energiankäytön minimoinnissa kasvaa, useimmat yritykset luottavat kulkulupakortin käyttödataan tai visuaaliseen havainnointiin. Kumpikaan niistä ei pysty tarjoamaan tarkkaa ja ajantasaista tietoa tilojen käytöstä, jota tarvitaan rakennusten tehokkaaseen energianhallintaan. Tarvitaan tehokkaampi tapa mitata tilojen henkilömäärää.

Henkilömäärän mittausratkaisun toteuttaminen

Automaattisen henkilömäärän mittausratkaisun suunnittelu ja toteutus edellyttää asiantuntemusta useilta eri aloilta, jotta anturit, vähävirtaiset prosessorit ja yhteydet tarkkojen henkilölaskenta-algoritmien kanssa voidaan yhdistää valmiiksi sovelluksiksi, jotka pystyvät reagoimaan välittömästi ihmisten astuessa sisätiloihin ja poistuessa niistä. Tällainen kehittäminen ja tuki syö aikaa ja resursseja. Analog Devices tarjoaa yksinkertaisemman ratkaisun: ADSW4000 EagleEye on täydellinen 2D-näköanturiin perustuva, vähävirtainen, pienen kaistanleveyden valmis alusta, joka on suunniteltu erityisesti tarjoamaan ajantasaista tietoa tilankäytön optimointia ja energiankulutuksen minimointia varten.

Sarja sisältää valmistajan (Analog Devices) oman People Count -algoritmin, jota suoritetaan yhdessä Analog Devices ADSP-BF707 -sarjaan kuuluvassa digitaalisessa Blackfin-signaaliprosessorissa (DSP). ADSW4000 EagleEye tuottaa käyttödataa erillisistä sisätiloista. Niiden avulla yritykset voivat tasapainottaa toimistotilojen käyttöä ja energiankulutusta maksimaalisen hyödyn saavuttamiseksi.

Koska EagleEye-algoritmi suorittaa kuva-analyysin ja henkilölaskennan yksinomaan Blackfin-prosessorilla, tämä varmistaa, että kaikki kuvat pysyvät ADSW4000-alustalla. Näin tunnistettavissa olevat henkilötiedot eivät koskaan poistu alustalta, mikä on yhä useampien maailmanlaajuisten tietosuojasäännösten mukaista. Blackfin-prosessorin tuottamat tulokset rajoittuvat datapakettiin, joka sisältää monitoroidulla kiinnostavalla alueella (ROI) olevan henkilömäärän, heidän x,y-sijaintinsa kyseisellä alueella ja tiedon siitä, ovatko he liikkeellä vai eivät.

Nopeuttaakseen korkeatasoisen henkilömäärän monitorointisovellusten kehittämistä Analog Devices integroi ADSW4000 EagleEye People Count -alustan EVAL-ADSW4000KTZ EagleEye -kokeilusarjaansa. Kokeilusarja on EagleEye-algoritmin täydellinen ja käyttövalmis anturista-pilveen-toteutus. Sen avulla käyttäjät voivat aloittaa välittömästi henkilömäärän monitoroinnin käytön sovelluksen ja pilvipohjaisen verkko-ohjauspaneelin avulla. Vaihtoehtoisesti sarja voi toimia asiakaskohtaisten järjestelmien perustana, jolloin kehittäjät voivat keskittyä korkeampitasoisiin sovelluksiinsa hukkaamatta aikaa omien henkilölaskentamenetelmien toteuttamiseen liittyviin yksityiskohtiin.

Yksittäiset alijärjestelmät nopeuttavat toteutusta

EagleEye-kokeilusarja koostuu kahdesta alijärjestelmästä. Toinen niistä on Blackfin DSP -prosessoriin perustuva alijärjestelmä, joka tuottaa henkilölaskentadataa, ja toinen Analog Devices ADuCM4050 -mikrokontrolleriyksikköön (MCU) perustuva alijärjestelmä, joka huolehtii yhteyksistä ja korkeamman tason sovellustoiminnoista (kuva 1). Kuten edellä mainittiin, kriittinen henkilölaskentatoiminto sijaitsee kokeilusarjan EagleEye DSP -alijärjestelmässä, joka suorittaa ADSW4000 EagleEye -algoritmia.

Kuva 1: Analog Devices EagleEye -kokeilusarjassa DSP-alijärjestelmä kerää ja käsittelee kuvia käyttämällä ADSW4000 EagleEye PeopleCount -algoritmia, jota suoritetaan yhdessä Analog Devices ADSP-BF707 Blackfin DSP -sarjan laitteessa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Alijärjestelmä hankkii kohdealueelta kuvia 2D-näköanturimoduulilla, joka perustuu onsemi ASX340AT3C00XPED0-DPBR CMOS -digitaalikuvajärjestelmäpiiriin (SoC) ja infrapunasuodattimeen (IR). Analog Devices EagleEye -alustapalveluiden kanssa käytettävää EagleEye PeopleCount ADSW4000 -algoritmia suoritetaan ADSP-BF707 Blackfin DSP -prosessorilla. Tämä tarjoaa 512 megabittiä (Mbit) flash-sarjamuistia ISSI IS25LP512M ja 1 gigabitin (Gbit) vähävirtaista, Double Data Rate (DDR) Synchronous Dynamic Random (SDRAM) -muistia Micron Technology MT46H64M16LF.

ADSP-BF707 Blackfin DSP soveltuu tässä alijärjestelmässä hyvin henkilölaskennassa tarvittavien kompleksisten kuvien hankinta- ja prosessointitehtävien suorittamiseen. Sen signaalinprosessointiliukuhihna käsittää useita MAC-laitteistoyksiköitä (Multiply Accumulate) sekä SIMD-ominaisuudet (Single Instruction, Multiple Data).

ADSP-BF707 Blackfin -prosessorilla suoritettava ADSW4000 ADI EagleEye PeopleCount -algoritmi saavuttaa jopa 90 prosentin laskentatarkkuuden kohdealueella. Yhtä tärkeää on se, että alijärjestelmä tarjoaa tulokset nopeasti. Alijärjestelmä esimerkiksi tarvitsee vain 300 millisekuntia (ms) aikaa hetkestä, jolloin henkilö astuu ROI-alueelle, sen tunnistamiseen, että alueen tila on muuttunut tyhjästä käytössä-tilaan. Aika, joka kuluu ROI-tilan muutokseen varatusta vapaaksi, on käyttäjän määritettävissä. Oletusasetus on viisi minuuttia.

Henkilömäärä- ja sijaintidatan tuottamiseen liittyvä viive on samoin alhainen. Algoritmi tuottaa päivitetyt henkilömäärä- ja sijaintitiedot 1,5 sekunnin kuluessa siitä, kun henkilö on liikkunut käyttäjän jollekin käyttöönottovaiheessa määrittelemälle alueelle. Henkilön havaitsemisen jälkeen algoritmi tarvitsee vain 113 ms päivitetyn laskenta- ja sijaintidatan tuottamiseen.

Kuten edellä todettiin, Analog Devices EagleEye -alusta ei lähetä otettuja kuvia. Sen sijaan DSP käyttää UART-porttia (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) push-tilassa henkilömäärän metadatan lähetykseen. Tämä JSON-muodossa lähetettävä metadatapaketti sisältää käyttötilan (käytössä tai tyhjä), henkilöiden lukumäärän, henkilöiden sijainnin x,y-koordinaatteina sekä muita tietoja (taulukko 1).

Taulukko 1: Analog Devices EagleEye -algoritmi säilyttää käyttäjien yksityisyyden, koska se ei lähetä tunnistettavia henkilötietoja, vaan tuottaa sen sijaan tässä lueteltavan metadatan sisältävän paketin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

DSP-alijärjestelmän jälkeen ADuCM4050 MCU -alijärjestelmä toimii AWS FreeRTOS -ympäristössä ja tukee korkean tason EagleEye-sovellusta ja yhteyspalveluja, joita tarvitaan anturien käyttöönottoon ja kommunikointiin vastaavan Analog Devices -pilvipalvelun kanssa (kuva 2).

32-bittinen ADuCM4050 MCU tarjoaa kattavan prosessointiympäristön Analog Devices EagleEyen kaltaisille teollisen esineiden internetin (IIoT) sovelluksille. Kompleksisten teollisten sovellusten työkuormien tukemiseksi ADuCM4050 perustuu 52 megahertsin (MHz) Arm® Cortex®-M4F -prosessoriytimeen, johon kuuluu integroitu liukulukuyksikkö (FPU), muistinsuojausyksikkö (MPU), laitteistosalauskiihdytin ja suojattu avaintallennus.

Kuva 2: EagleEye-kokeilusarjan MCU-alijärjestelmä perustuu Analog Devices ADuCM4050 -prosessoriin ja se tukee korkeamman tason IIoT-sovellusta sekä tarjoaa yhteyspalveluja paikallisesti sekä sarjan ja pilven tai muiden rakennushallintajärjestelmien välillä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Toteutuksen virrankulutus voi olla hyvin alhainen integroitujen tehonhallintaominaisuuksien ansiosta, esimerkkinä erilaiset virransäästötilat ja kellojen käyttö. Tämän ansiosta MCU tarvitsee aktiivisessa tilassa vain 41 mikroampeeria megahertsiä kohti (μA/MHz) (tyypillisesti) ja horrostilassa 0,65 μA (tyypillisesti). Prosessori kuluttaa passiivisten jaksojen aikana vain 0,20 μA (tyypillisesti) nopeasti heräävässä sammutustilassa tai vain 50 nanoampeeria (nA) täydessä sammutustilassa.

Henkilölaskennan aloittaminen nopeasti

Analog Devices yhdistää kokeilusarjassa DSP- ja MCU-alijärjestelmät sekä kamera-anturin, objektiivin, ledit ja painikkeet yhdessä kompaktissa kotelossa (kuva 3).

Kuva 3: Analog Devices EagleEye -kokeilusarjan 2D-näköanturiyksikkö on suunniteltu siten, että se voidaan ottaa käyttöön nopeasti. Se voidaan asentaa helposti halutun alueen yläpuolelle henkilölaskentaa varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kehittäjät voivat ottaa henkilölaskennan käyttöön nopeasti ja yksinkertaisesti asentamalla anturiyksikön huoneeseen tai sisätilaan, suoraan halutun alueen yläpuolelle. Anturille voidaan syöttää virtaa useista eri lähteistä. Käyttäjät voivat liittää yksikön 5,5–36 voltin tasavirtalähteeseen kytkemällä johdon yksikön DC-liittimeen tai liittää sen USB-virtalähteeseen mikro-USB-kaapelilla tai aktiivisella USB-jatkojohdolla yli 1 metrin (m) etäisyyksiä varten.

Anturiyksikön asentamisen jälkeen käyttäjät voivat varmistaa visuaalisesti anturin sijainnin ja halutun näkökentän (FOV) käyttämällä EagleEye PeopleCount -lisäsovellusta, saatavana Apple App Storesta iOS-tableteille tai Google Playstä Android-tableteille (kuva 4).

Kuva 4: Analog Devices EagleEye PeopleCount -sovelluksella on helppo varmistaa anturiyksikön sijoitus ennen käyttöönottoa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kun käyttäjät ovat varmistaneet anturin näkökentän, he voivat suorittaa laitteen lyhyen käyttöönottoprosessin. Käyttöönoton aikana ja myöhemmin käyttövaiheessa käyttäjät voivat tarkkailla anturiyksikköön integroituja DSP- ja MCU-merkkivaloja ja seurata vastaavien alijärjestelmien senhetkistä tilaa (taulukko 2).

Taulukko 2: Analog Devices EagleEye -kokeilusarjan anturiyksikössä sijaitsevat erilliset ledit kertovat koko ajan DSP- ja MCU-alijärjestelmien tilan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Sovellus opastaa käyttäjät anturin käyttöönottoon tarvittavan muutaman vaiheen läpi. Käyttäjät määrittävät tällöin, mitä alueita algoritmin tulisi valvoa näkökentän sisällä merkitsemällä joukon maskeja, kuten lattiamaskin (kuva 5, vasemmalla). Poissuljettavat alueet ovat yhtä tärkeitä tarkkojen lukemien kannalta. Käyttöönottoprosessin aikana käyttäjät voivat lisäsovelluksessa määrittää erilaisia poissulkevia maskeja, esimerkiksi ikkunat ja näytöt (kuva 5, oikealla).

Kuva 5: Käyttöönoton aikana käyttäjät määrittävät lisäsovelluksessa alueet, joita EagleEye PeopleCount -algoritmin tulisi seurata tai jättää huomiotta. Määritykseen käytetään sisällyttäviä maskeja, kuten lattiamaskia (vasemmalla), ja poissulkevia maskeja (oikealla) ikkunoille tai muille alueille, jotka heikentävät henkilölaskentatarkkuutta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kun anturiyksikkö on asennettu ja otettu käyttöön, se alkaa lähettää metadataa Analog Devices -pilvipalveluun. Käyttäjät voivat kirjautua pilvipalveluun rekisteröinnin yhteydessä annetuilla sisäänkirjautumistiedoilla ja pääsevät näkemään erilaisia graafisia esityksiä henkilömäärästä (kuva 6).

Kuva 6: Kun Analog Devices EagleEye -kokeilusarjan anturiyksikkö on asennettu ja otettu käyttöön, käyttäjät voivat kirjautua Analog Devices -pilvipalvelussa olevaan verkko-ohjauspaneeliin ja tarkastella reaaliaikaista henkilömäärädataa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analog Devices EagleEye PeopleCount -teknologia-alusta voidaan sulauttaa asiakaskohtaisiin ratkaisuihin, joissa käytetään sopivaa Blackfin-prosessoria ja ulkoista flash-muistia. Analog Devices tarjoaa lisäksi EagleEye-ohjelmistopaketin rekisteröityjen kokeilusarja-asiakkaiden käyttöön. Kehittäjät voivat lisätä MCU-alijärjestelmään enemmän toimintoja, kuten enemmän antureita. Tässä voidaan käyttää mitä tahansa järjestelmäalustaa, joka tukee EagleEye-anturirajapintaa ja tarjoaa tarvittavat yhteydet. Analog Devices EagleEye -kokeilusarja kuitenkin tarjoaa avaimet käteen -periaatteella toimivan anturista-pilveen-ratkaisun kehittäjille, jotka haluavat ottaa henkilölaskennan nopeasti käyttöön rakennushallintajärjestelmissään.

Yhteenveto

Koska yritykset maksavat paljon rakennusten energiankulutuksesta (toimistojen valaistus, lämmitys ja jäähdytys), usein tyhjinä seisovia toimistotiloja halutaan hallita tehokkaammin. Tämä vaatii tarkempaa henkilömäärädataa. ADSW4000KTZ-kokeilusarja perustuu pienitehoisella digitaalisella signaaliprosessorilla toimivaan valmistajakohtaiseen algoritmiin ja tarjoaa kattavan anturista-pilveen-alustan, jolla voidaan arvioida ja ottaa käyttöön henkilömäärän monitorointi. Lisäksi se pystyy tarjoamaan reaaliaikaista huonetason henkilömäärädataa, jota tarvitaan rakennusten tehokkaampaan energianhallintaan.

Lähteet

1. https://www.worldgbc.org/news-media/WorldGBC-embodied-carbon-report-published
2. https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/202107/supplemental/page-1
3. https://www.noaa.gov/news/its-official-july-2021-was-earths-hottest-month-on-record
4. https://www.noaa.gov/topic-tags/monthly-climate-report

1. https://www.us.jll.com/en/space-utilization
2. https://www.kastle.com/safety-wellness/getting-america-back-to-work/