想象一下,当你工作了一整天,一进到家门里,家里的音响就自动播放你最喜欢的音乐。为了让你感受最舒适的环境,空调贴心地预 先开启,并调整到最适合你的温度。你拿着一杯你最喜欢的饮料坐了下来,不经意瞄了一下放在茶几上的电费账单,发现比去年同个月份又省了好多钱。大约估计一 下,这些省下来的电费可以让你吃好几顿的大餐了。坐在沙发上的你觉得非常的安心,因为你知道,在家里有个全年无休,24小时都在保护你的保全在你旁边。 在家中就如同贵族般地享受舒适安全的生活。你心里在想着:“嘿嘿,这样惬意的下班生活还真是不错呢。”
智慧建筑
以上这些对于居住环境的形容,我们或许曾在科幻电影中看过,而到今日这样的情境就快要出现在你我的眼前了。因人们对于居住质量愈来愈要求,建筑不再只是一个遮风挡雨,冰冷冷的水泥方块,更要能体会人的各种需求,提供优质舒适的居住空间。而智慧建筑之所以被称为智慧,便是能感知居住者的行为及室内外环境的变化,做出最适合的反应来因应不同的情境。就好比在建筑里装了一个大脑,透过这个聪明的脑袋,室内外一切大小事都可以自动完成。在智慧建筑里,举凡与环境变化有关的设备都是可以自动控制的,这些设备包括了气窗、百叶、风扇、空调等等。透过这些设备些除了可以智慧地控制各样建筑设备外,最重要的,建筑体能要先收集室内外各种环境信息,才能做出最好的判断与调控。就像散布在身体各处的神经,随时收集各样的信息反映给神经中枢。而无线感测网络的特性与优点,正好适合做为智慧建筑感测神经。
无线感测网络
无线感测网络最早是由美国国防部资助柏克莱大学所做的一项研究计划。这项计划的场景,是假定在一个战场里,当飞机飞过某一特定战区时,随意洒下像灰尘般大小 的传感器。这些传感器具备感测组件与无线通信模块,在落下后便可以自动收集区域的环境数据,最后再将数据传回供后方分析,不需要派士兵便可以得到战区的相关信息。能符合这样需求的传感器必须要体积小,用电少,成本够低廉之外,还需要有良好的通信架构,来确保数据可以正确完整的收集。这样的科技不单只限于应用在军事用途上,还可应用在许多民生相关的议题上,所以出现许多有关无线感测网络的相关研究与发想。麻省理工2003年技术评论将无线感测网络评选为最有潜力能快速改变人类生活的重要科技,可见这像技术受到相当的重视。
无线感测网络在民生的应用十分广泛,许多耗费大量人力及时间的工作都可以被这项科技来执行,而且更方便更有效率。如桥梁安全鉴定,土石流监测,还有室内人员的定位等等。智能建筑也是感测网络的重要应用之一。过去感测网络所感测的环境特性大多是温度、湿度、照度、声音或震动等物理特性。这类讯息信息量小,可以用较低速的无线传输方式传送,近年来为了更多元来感测环境,也逐渐发展影像相关的感测数据。而如何在低速的网络传输有用的影像数据,也成为重要的课题。
建筑与感测网络的结合
透过无线感测网络,建筑可以提供更多元完整的服务,也更能适切的满足使用者的需求。而这也正是智慧建筑远胜于传统建筑的地方。我们将建筑里的需求机能分成“舒适”、“节能”、“安全照顾”与“便利”四类。
舒适
以人的感官来看,我们可以把室内环境分为两种,分别是热环境及光环境。热环境的舒适传统上大都需要依靠空调来维持。我们可以利用ISO-7730标准所使用的热环境舒适评估指标,来衡量室内环境的热舒适度。影响热环境舒适的因素有温度、湿度、风速等等。而影响光环境的因素有自然天光,人工照明灯具等等。我们只要在适合的地方装设光传感器,就可以知道整体空间的光线明亮度为何。而温度、湿度、风速及亮度等物理量的传感器都已经发展的很成熟,不仅体积小,性能也十分稳定。这些感测量能提供给智慧建筑作为调整室内环境的依据,达到热环境与光环境舒适的目的。图一为温度湿度风速传感器的外观,感测零件与通讯模块均包含在一起,装设在建筑中不会破坏大楼壁面的美观。
节能
除了舒适外,智慧建筑有一项非常诱人的特点就是节能。随着石油的短缺,能源变得越来越昂贵,也引发人们也对节能的议题的重视。由于智能建筑统合了建筑环境信息与自动控制,所以能更精准的掌握各项设备的使用状态。经由无线感测网络,我们可以收集到各种设备的用电状态。而这些设备的用电情况也与使用着行为有很大的关系。经由分析这些用电行为,就可以找出更节能的调控策略。举例来说,办公室计算机的用电情况,可以反应使用者是在工作,休息,或是离开的状态。在知道使用者的行为后,我们便可以调整该位置的照明设备。当工作时开启照明,休息时调暗亮度,在人离开后便自动关闭灯具电源来节省用电量。除这类设备的控制管理外,用电资料也可以用在大楼冷气的控制上。尤其在夏天的时候,实时的冷气用电量可以帮助使用者了解如何避免在尖峰时段,过度的使用空调,进而控制电费达到节能的目的。图二为在智慧建筑中实现节能策略的流程图。
安全
建筑的基本功能之一,便是要提供居住者安全的环境。以往建筑的安全多半是指有关灾害预防或阻挡恶劣气候的功能,而智能建筑更延伸安全需求的定义,不仅仅是一般基本的生命安全,还加入了生活上的安全照顾。由于无线感测网络易于布建,所以在收集声音或是影像相关的信息十分方便。而这些影音信息可以作为判断居住者是否安全的依据。在独居老人或有小孩的家庭中,这样的讯息便相当重要。除了生命与生活 的安全,智慧建筑也可以提供心理与健康的照顾。藉由身体配戴简易的传感器,便可以收集到人体健康的相关信息。这些资料可以与电器使用行为作对照分析,分析的结果可以提供健康相关的诊断与建议。
便利
智能建筑由于配备了感受环境信息的感测网络,所以能更了解人们的行为。进一步的分析这些行为的周期与特性,便能知道人们在什么样的时间需要什么样的服务。就如同本文开头所描述的情境,当用户回家时,系统会聪明地自动调节环境温度,播放音乐等。以往这样的功能都是靠手动,而在智能建筑中,可以很自动的完成这些事。除此之外,家中所需的民生用品,也可以透过感测网络来检查存量。当有需要时,可以自动请相关的服务提供商将所需的东西送到家中。不但节省时间,也大大地提升了生活质量。
挑战与展望
智慧建筑已慢慢成为新售建筑的卖点。建商不仅推出设计美观或结构安全的建筑,还特别强调建筑的智能来提升附加价值。而在既有建筑里,由于无线传感器的布建十分容易,也大大降低将升级旧有建筑成智慧建筑的困难。目前无线传感器的技术也越来越成熟,可以预期将来会有越来越多的产品出现在市面上。而无线感测网络收集完的数据,需要系统的整理与分析,才能做出最适合的判断。这些复杂事件的分析与处理技术还在持续发展中。
而关于智能建筑的挑战,便是在系统整合及跨领域的合作上。智能建筑的生成需要建筑业与资通讯产业的结合才能产生。建筑领域需要将资通讯的技术纳进建筑体的设计中,另一方面,资通讯领域也需将人性的因素考虑进来。过去这两个领域各自发展,现在要将这两者融合,成为建筑资通讯产业。在这新兴的产业中,发展出一个共通的平台为最重要的工作之一。发展共同的平台将有助于整个产业的发展。目前各种控制设备的规格不同,要彼此互通并不容易,共通平台可以让这些设备连在一起,减少各个设备厂重新开发的时间。这共通平台也可以容纳不同的系统服务,有限制的共享数据。在建筑中,许多相同的数据可以作为不同的用途。比如说,用电的行为与节能有关,也与安全有关。不同的服务可以透过这个平台来共享这些信息,创造出不同新服务价值。就产业面来说,这样也能降低开发系统的时间,加速商品研发的速度。