Applications of smart thermal imaging in intelligent building systems

Abstract

Infrared thermography is a highly useful technology with many applications such as occupancy detection, comfort analysis, energy optimization, and fault detection and diagnostics. Using the newest smart thermal cameras as a part of intelligent building sensor infrastructure, these buildings can experience many useful advancements. With the ability to analyze and compress data independently, these thermal sensors can further the goals of automation in the built environment. The necessity of these improvements is also clear, as there exists a great need for more comfortable and energy-efficient buildings, which will only increase as populations grow, and urbanization keeps escalating further. The research in this literature review combines both older and more recent sources to provide a holistic view of thermal imaging and its uses in buildings. This paper contains plenty of example use cases, well tested methods, and newer, more experimental ideas. Generally, the future of thermal imaging is promising, though there are some issues and technical challenges due to the recency of these smart thermal sensors. Especially since much of the data analysis part relies on recent AI developments, which, due to their black box nature, can cause problems when trying to understand these systems. Privacy and ethics are also significant concerns, as well as the reliability of untested automation systems. This, however, only means that there are many more research possibilities which are yet to be tackled.

Älykkäiden rakennusten rooli tulevaisuuden yhteiskunnassa edustaa tärkeää kehitysaskelta, jolla todennäköisesti tulee olemaan vaikutus muun muassa ilmastonmuutokseen. Yhdistämällä antureita, data-analyysiä ja automatisaatiota voivat tulevaisuuden rakennukset helpottaa arkea sekä optimoida energiankulutusta säätelemällä ilmastointia, lämmitystä ja valaistusta. Näiden parannusten tarve on myös ilmeinen, sillä mukavampien ja energiatehokkaampien rakennusten kysyntä kasvaa jatkuvasti väestönkasvun ja kiihtyvän urbanisaation myötä. Älykkäät rakennukset kuitenkin vaativat toimiakseen antureita, jotka pystyvät tuottamaan tarvittavat määrät luotettavaa dataa. Infrapunakamerat saattavat pystyä täyttämään tämän roolin.

Infrapunakamerat, joita käytetään lämpökuvaukseen, pystyvät erottelemaan kuvattavalla alueella pieniäkin lämpöeroja ja esittämään nämä erot joko harmaasävyisenä tai väärävärikuvana. Lämpökuvaus pystyy lisäksi havaitsemaan infrapunasäteilyä jopa seinän takaa, eikä se myöskään tarvitse näkyvää valoa toimiakseen. Infrapunakameroiden pienentyessä ja materiaalikustannusten halventuessa ovat ne myös tulleet entistä enemmän jokapäiväiseen käyttöön.

Tämä kandidaatintyö käsittelee älykkäiden infrapunakameroiden käyttöä älykkäissä rakennusjärjestelmissä. Työ toteutetaan kirjallisuustutkimuksena, jossa selvitetään lämpökameroiden uusinta kehitystä, sekä niiden mahdollisia käyttökohteita älyrakennuksissa. Tutkimuksessa yhdistetään sekä vanhempia että uudempia lähteitä kokonaisvaltaisen näkemyksen tarjoamiseksi lämpökuvauksesta ja sen sovelluksista. Tutkimus sisältää runsaasti esimerkkitapauksia, testattuja menetelmiä sekä uudempia, kokeellisempia ideoita.

Tutkimuksessa selvisi, että viimeisimmät kehitykset tekoälyssä ja datan prosessoinnissa ovat tuottaneet uudenlaisia älykkäitä lämpökameroita, joilla on kyky analysoida ja käsitellä keräämäänsä kuvamateriaalia paikallisesti. Käyttämällä älykkäitä lämpökameroita osana älykkään rakennuksen anturijärjestelmää voidaan saavuttaa monia merkittäviä edistysaskeleita. Näiden lämpöanturien kyky analysoida ja pakata dataa itsenäisesti edistää rakennettuun ympäristöön liittyvää automaatiota.

Työssä myös havaittiin neljä erityistä käyttökohdetta lämpökameroille. Ensinnäkin läsnäolon havaitseminen pystyttiin toteuttamaan kaikkein luotettavimmin, verrattuna aiempiin menetelmiin, yhdistämällä koneoppimista ja lämpökameroita. Toiseksi rakennusten energiaoptimointi, joka on historiallisesti ollut yksi lämpökameroiden pääasiallisista käyttökohteista, havaittiin edelleen hyödylliseksi. Kolmanneksi lämpökameroiden avulla vikojen löytäminen ja diagnosoiminen esimerkiksi sähkölaitteissa on osoittautunut hyödylliseksi. Neljäntenä ja uusimpana käyttökohteena on tutkimuksissa todettu, että lämpökameroilla pystytään myös havaitsemaan ja arvioimaan ihmisten mukavuutta kasvojen lämpökäyrien perusteella.

Yleisesti ottaen lämpökuvauksen tulevaisuus näyttää valoisalta, vaikka älykkäisiin lämpöantureihin liittyykin vielä joitakin ongelmia ja teknisiä haasteita niiden uutuuden vuoksi. Erityisesti datan analysointi perustuu usein viimeaikaisiin tekoälyn kehityksiin, jotka mustalaatikko-luonteensa vuoksi voivat aiheuttaa vaikeuksia järjestelmien ymmärtämisessä. Myös yksityisyys ja eettiset kysymykset herättävät huolta, samoin kuin uusien, vielä testaamattomien automaatiojärjestelmien luotettavuus. Esimerkiksi ihmisten seurantajärjestelmien kehittyminen on huolestuttava kehityssuunta.

Työn kuitenkin osoittaa, että älykkäiden lämpökameroiden yhdistäminen älykkäiden rakennusten anturiverkkoihin sisältää paljon hyödyllisiä käyttökohteita. Vaikka teknologiassa on vielä kehitettävää tekniikan osalta, tämä tarkoittaa vain sitä, että tutkimukselle on olemassa vielä runsaasti uusia mahdollisuuksia, joita ei ole toistaiseksi selvitetty. Esimerkiksi ihmisen mukavuuden havaitseminen kasvojen lämpötilan avulla ansaitsisi lisää tutkimusta.