義守大學土木系 林國良 Building automation (intelligent building system) Building automation describes the functionality provided by the control system of a building. The Building Automation system (BAS) is a computerized, intelligent network of electronic devices, designed to monitor and control the mechanical and lighting systems in a building. The BAS functionality reduces building energy and maintenance costs when compared to a non-controlled building. The primary and secondary bus can be BACnet, optical fiber, ethernet, ARCNET (an acronym from Attached Resource Computer NETwork) , RS-232, RS-485 or a wireless network. BACnet was designed to allow communication of building automation and control systems for applications such as heating, ventilating, and airconditioning control, lighting control, access control, and fire detection systems and their associated equipment. LonTalk is a protocol created by Echelon Corporation for networking devices. The BACnet protocol provides mechanisms for computerized building automation devices to exchange information, regardless of the particular building service they perform. Analog inputs are used to read a variable measurement. Analog outputs control the speed or position of a device, such as a variable frequency drive or a valve or damper actuator. A digital input indicates if a device is turned on or not. Digital outputs are used to open and close relays and switches. Infrastructure • Controllers are essentially small, purpose-built computers with input and output capabilities. • Inputs allow a controller to read temperatures, humidity, pressure, current flow, air flow, and other essential factors. The outputs allow the controller to send command and control signals to slave devices, and to other parts of the system. • Controllers used for building automation can be grouped in 3 categories. Programmable Logic Controllers (PLCs), System/Network controllers, and Terminal Unit controllers. PLC's provide the most responsiveness and processing power. System/Network controllers may be applied to control one or more mechanical systems such as an Air Handler Unit (AHU), boiler, chiller, etc. Terminal Unit controllers usually are suited for control of lighting and/or simpler devices such as a package rooftop unit, heat pump, VAV box, or fan coil, etc. Occupancy (Operating Mode) • Occupancy is one of 2 or more operating modes for a building automation system. Unoccupied, Morning Warm up, and Night-time Setback are other common modes. In Occupancy mode, the BAS aims to provides a comfortable climate and adequate lighting. Some buildings rely on occupancy sensors to activate lighting and/or climate conditioning. • The BAS often factors in outdoor conditions and historical experience. An override is a manuallyinitiated command to the BAS. Lighting Lighting can be turned on and off with a building automation system based on time of day, or on occupancy sensors, photosensors and timers. A photocell placed outside a building can sense darkness, and the time of day, and modulate lights in outer offices and the parking lot. Alarms and security Many building automation systems have alarm capabilities. If an alarm is detected, it can be programmed to notify someone. Notification can be through a computer, pager, cellular phone, or audible alarm. Common temperature alarms Differential pressure switches on the filter to determine if it is dirty. Status alarms. This can indicate a mechanical failure. Carbon monoxide and carbon dioxide sensors Current sensors & Refrigerant sensors Some sites are programmed so that critical alarms are automatically re-sent at varying intervals, if power failures. A repeating critical alarm (of a uninterruptible power supply in 'by pass') might resound at 10 minutes, 30 minutes, and every 2 to 4 hours there after until the alarms are resolved. Security systems can be interlocked to a building automation system. Fire and smoke alarm systems can be hardwired to override building automation. 數位建築、智慧建築、X代宅 「高科技智慧型辦公大樓」、「智慧型住 宅」、「網路住宅」、「二代宅」 Smart Home 智慧住宅(Smart Home)結合電腦、通訊、 消費性電子產品、控制系統及建材等不同 領域，藉由電腦控制系統自動判讀居住情 況，將空調、照明或能源調整至最佳狀態， 亦可從戶外進行室內操控或監視，作為安 全監控、門禁管理，以提供居住者安全安 心、舒適便利、節能環保、健康照護的生 活品質。 智慧住宅的概念 (1/2) 智慧住宅像是有個具有思考、判斷、決策能力的大腦， 能夠與使用者互 動，依據使用者的需求控制與調整環境， 長久以來代表一種對未來生活 的想像，思考如何藉由科 技的輔助帶來更舒適便利的居家生活。 概念的演進 1930年代 -- 「家庭自動化 (home automation)」 便是經常被探索的概念， 很多當時 提出的 未來家庭自動化設備，如 洗碗機、中央空調、電視機、 遙控 車庫門等，現今都已經是每個家庭 常見的設備。 1950年代 -- 無線遙控技術開始進入家庭 環境，使用者可以遙控家中 各 項設施及家電產品，對居 住環境的控制更為便利 1980年代 -- “Smart House Project” 建立的智慧 住宅，將電力系統、電 話線、有線 電視線路，以及所有電燈和電器用 品的監控線路整合成一條 電纜，主 要著眼點是住宅的安全性 智慧住宅的概念 (2/2) Aldrich[2003] 提出的五種智慧住宅功能： (1) 具有智能的設備 (2) 具有智能的通訊系統 (3) 遠距監控與資訊服務功能 (4) 記錄使用者喜好進而調整環境 (5) 利用現有資訊預測使用者行為 網際網路和資通訊科技的發展，開啟了居住者 (resident) 與外界資訊溝通 多元而寬廣的即時管 道，也讓居住者與智慧住宅之間的互動，從單 純室 內的無線遙控演進到遠距監控，並與居家 保全、健康管理、醫療服務等 結合，現代科技 提供了智慧住宅更豐富的可能性。 智慧住宅案例 (1/3) 美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)(Technology)建立的「在宅老化感應屋 (Aware Home for Aging in Place) 」，探討如何在家庭環境中感測、 追蹤居住高齡者的各項活動，從而提供所需服務，以提升 高齡者的生活品質和獨立生活的能力。 麻省理工學院(MIT) 建築系和媒體實驗室 (Media Lab) 合作 的 “House_n”計畫中建立一個模擬住宅 “PlaceLab PlaceLab”，研究如何使居住者輕鬆地控制環境、節省能源 使用、維持生理及心理活躍，並且保持健康。 除了各種智慧住宅研究計畫建置的模擬住宅之外，早已有 許多商業銷售的住宅也以智慧住宅作為銷售訴求，例如國 內有許多建案紛紛提出 “二代宅”的概念，強調數位生活、 遠端監控、遠距照護等應用，試圖定義住宅功能的新標準。 智慧住宅案例 (2/3) Big House 當今世界上最知名的智慧住宅應屬微軟(Microsoft) 總裁比 爾蓋茲 (Bill Gates) 花費 35 億元、以 7年時間打造，坐落 於西雅圖的科技豪宅 “Big House ”。 Big House預言未來居家生活中可能的科技應用： 用手機或是網路，就能遠端遙控Big House 中的各項設備，如調 節燈光明暗 度、開啟空調、將浴缸放滿熱水、基本的烹煮功能等。 住宅中可利用語音方式與系統溝通互動。 Big House會藉由每位訪客身上所配戴之「無線射頻識別 (Radio Frequency Identification, RFID) 」胸章，追蹤其在屋內之位置， 並記錄其所喜愛的燈光亮 度、音樂等，為每位訪客量身訂作客製 化空間。 RFID胸章也被應用在 Big House 保全功能，未配戴胸章之訪客會 被視為入侵者 而觸動警報。 Bill Gates House, Medina, Washington 1,000 Million US$，占地 6 萬 6 千平方英尺 (6,100 m2, 約2000坪) designed by James Cutler The house occupies 50,000 square feet on 5.15 acre land. Garage space and outbuildings occupy an additional 16,000 square feet A 17 × 60 foot (5.1 × 18.2 metre) swimming pool, which has an underwater music system and a fossil-motif floor Swimmers can dive under a glass wall and emerge outdoors by a terrace Lights automatically come on when you enter a room Speakers are hidden beneath the wallpaper to allow music to follow from room to room Visitors to the residence are surveyed and given a microchip upon entrance. This small chip sends signals throughout the house, and a given room’s temperature and other conditions will change according to preset user preferences grand staircase large private library with a domed reading room formal dining room exercise room outdoor sports courts Property records indicate eight bedrooms and four building levels Much of the Bill Gates house is built underground into the hill, so the house looks smaller than it actually is. The beach sand on the bank of the lake is not from Lake Washington, it is barged in annually from a tropical beach in St. Lucia The wood columns from main floor to roof in entry area are over 70 feet tall Some of the interior passage doors weigh over 800 lbs, but are balanced for easy use The roofing is stainless steel Hidden cameras are everywhere, including the interior stone walls Gates insisted on saving a 40 year old maple adjacent to the driveway. The tree is monitored electronically 24 hours per day via computer. If it seems dry, it gets just the right amount of water automatically delivered All woodwork is flawless. Much of the woodwork is of various rare types from all over the world - imported especially for this house The theater (underground in a concrete shell) is the most state of the art theatre in the world according to specialty contractor 智慧住宅案例 (3/3) HomNet :韓國家電大廠 LG 提出的 “HomNet”，HomNet ，定義了資訊交流、 健康監測、居家生活等三大類的功能。 智慧家電科技 (1/2) 智慧住宅的“大腦 ”並不一定是一個中控電腦，也可 能是分散在各項家庭裝置中能彼此互相溝通的微處理 器。 具有簡單智能的家電產品，已經廣泛應用在家庭生活 中： 模糊邏輯控制的洗衣機，可藉由各式感測器得知衣服重量 和質料、水量、污濁物質等參數，自動選擇最佳行程來洗 滌衣物。 智慧型的烘衣機會依據衣料與衣服重量決定適當的溫度與 烘乾時間。 冰箱除了冷藏食物的基本功能之外，LG 提出以冰箱作為家 庭的數位中心， 擁有上網、視訊電話、收發 e-mail 等功能， 更可以操控家中電視機、音響、 冷氣、微波爐、洗衣機等 家電。 智慧家電科技 (2/2) 吸塵器機器人的出現，在智慧家電科技上具有指標性的意 義。吸塵器機 器人擁有對環境障礙感知與自主行為的能力， 較高級的機種更能夠自動 導引充電、自動規畫路徑，許多 公司都已經有成熟且成功的商業產品 iRobot® Scooba® 380 Floor Washing Robot 環境障礙感知 iRobot Roomba® 580 Vacuum Cleaning Robot 自動導引充電 智慧住宅的科技應用層次 (1/9) 智慧住宅的科技應用範圍非常廣泛， Mann和 Milton[2005]將智慧住宅的 功能依其複雜程度分成八 個層次，有些已是現有成熟技術，有些則是智 慧住 宅未來可能功能的想像。 層次1：提供基本通訊功能 層次2：反應居住者從住宅內部或外部發出之簡單控制指令 層次3：家庭自動化功能 層次4：追蹤使用者在家中的位置、行為模式和健康指標 層次5：分析數據、做出決策、採取行動 層次分析數據、做出決策、 採取行動 層次6：為基本日常工作提供資訊和提醒 層次7：回答問題 層次8：家庭事務管理 智慧住宅的科技應用層次 (2/9) 層次1：提供基本通訊功能 通訊是智慧住宅最基本的功能，擁有基本的通訊功能， 居住者（特別是獨居的高齡者）才能夠和他人進行溝 通、尋求服務、排遣寂寞、甚至呼叫救援等。 網際網路的普及使得通訊的形式也更加多元，從語音、 文字(e-mail) 、擴展到數位影像。 根據2007 年底資策會 FIND 公布的調查報告，我國目 前家戶連網普及率為71.3% ，都會地區如台北市家戶 連網普及率更高達 ，83.9%而在家戶連網，中有九成 六為寬頻網路，顯然大部分現代住宅都具備了智慧住 宅的基本條件。 智慧住宅的科技應用層次 (3/9) 層次2：能對居住者從住宅內部或外部發出 之簡單控制指令做出反應 此層次的功能是指住宅的各項設施，都能以遙控 的方式操作，如門窗、 電燈、窗簾和家電產品。 家電產品如電視、音響、冷氣使用的紅外線遙控 器，早已是家庭中基本 科技，然而理想上來說， 語音控制才是居住者從住宅內部控制各項設施 最 好的方式。 網際網路和手機的行動通訊網路技術發展，使得 遠端控制也成為智慧住 宅不可或缺的功能，利用 網際網路或手機控制家中燈光、空調、家電、 保 全等系統，或透過網路攝影機 (web camera) 即 時監看家中的狀況，都已 經是成熟的科技，且有 商品化產品。 智慧住宅的科技應用層次 (4/9) 層次3：家庭自動化功能 家庭自動化的功能，如空調系統的環境溫濕度控制、 燈光或防盜器的定 時開關、草坪定時灑水的設定 等，都已經是古老的技術；洗衣機、烘 衣機、乃 至於前一節中提到的吸塵器機器人等家電產品，已 將一般家事 工作大幅自動化。 許多研究進一步嘗試辨識住宅中居住者的身分和所 在位置，如 Big House 能自動依據每位居住者的喜 好調整屋內的音樂、燈光、溫度，量身打造 最舒 適的空間。 智慧住宅的科技應用層次 (5/9) 層次4：追蹤使用者在家中的位置、行為模式和健康指標 讓智慧住宅能夠辨識每位居住者，並且能夠追蹤居住者在住 宅內的位 置，才能夠自動依據其喜好量身打造最舒適的空間， 且適當地提供提醒 或警示訊息。 ○ 美國的 Oatfield Estates 是為高齡者所規畫的社區，每位居 民配有定位用的裝 置，電腦會利用紅外線與無線電技術追 蹤記錄居住者的位置 ○ Big House 利用 RFID 胸章，掌握住宅中居住者的位置和 活動情形。 ○ 影像辨識技術也可用來追蹤居住者在家中的位置與活動狀 況，而不需額外配 戴識別裝置，但影像辨識技術可能侵犯 居住者的隱私。 ○ 英國劍橋大學在地板下方布置力感測器，由感測地面反作 用力，追蹤住宅內 居住者的位置，並判別其正在進行的活 動（站立、坐下、步行等）。 ○ 除基本的辨識與位置追蹤之外，智慧住宅也可藉由居家環 境中的各種感測裝 置，記錄居住者在家中的活動、睡眠模 式以及健康狀況參數（如血壓、血 糖、體重）。 智慧住宅的科技應用層次 (6/9) 層次5：分析數據、做出決策、採取行動 此層次的智慧住宅才真正開始有”智慧”的 的功能， 例如前述Big House智慧住宅可以學習、瞭解每位 居住者對環境的喜好，自動量身打造最舒適的空間， 或 者判別住宅中的異常狀況，而主動調整環境，或 以文字、聲音、圖像的 方式提醒居住者。 LG HomNet 智慧住宅系統，更能分析、預測居住者 的 意圖並做出適當反應。 「健康智慧住宅 (health smart home) 」也是一個 重要的思考方向，智慧住宅可以追蹤居住者日常的 作息模式或重要的健康指標，當察覺與日常作息模 式有差異，或者健康指標超出正常範圍時，會主動 關切、提醒居住 者或遠端的照護者 智慧住宅的科技應用層次 (7/9) 層次6：為基本日常工作提供資訊和提醒 此層次的功能，是智慧住宅藉由網路資料的 提供，以擔任日常生活資訊 提供者的角色。 以下即為幾種可能的情境： ○ 早上出門前，智慧住宅可連上中央氣象局，提 供今日溫度、下雨機率等資 訊，顯示在門口的 顯示屏幕上提供參考。 ○ 烹煮晚餐時，廚房的顯示屏幕會連上網路下載 食譜，提供烹煮的步驟。 ○ 對於健忘的高齡者來說，智慧住宅更可以隨時 提醒如按時服藥等日常生活工 作。 智慧住宅的科技應用層次 (8/9) 層次7：回答問題 除了主動為居住者的基本日常生活提供資訊之外，在網 際網路或其他電 腦資料庫搜尋資訊的行為，也可經由適 當的人機介面設計，整合在智慧 住宅的功能裡，例如智 慧住宅以語音方式接受居住者的問題，搜尋答案 後回覆 給使用者。 使用者的問題可能有好幾個層次： ○ 基本的問題如「現在幾點？」「結婚紀念日是哪一天？」 「醫生的電話號 碼？」，智慧住宅可能需要在使用者建立 的基本資料庫中找答案。 ○ 使用者個人的問題如「今天早上吃藥了嗎？」智慧住宅可 能需要在記錄使用 者活動的資料庫內尋找答案。 ○ 更一般性的問題如「今天棒球賽的比數？」或「週末可以 去哪兒度假？」則 需要在網際網路上搜尋。 智慧住宅的科技應用層次 (9/9) 層次8：家庭事務管理 智慧住宅應該能自動做家庭事務的管理，像 是規畫家中設施維護和修理 的時間，追蹤冰 箱食物存量，規畫採購的時程或清單，甚至 協助準備餐 食，協助家中清潔工作等。 在此層次有許多功能，必須依賴服務型機器 人才能達成。 物業服務理念 「以人為核心」，將生活上的繁瑣變得簡單 服務項目 從旅館機位的訂票 情人節的玫瑰花束預約 小主人的轉學服務 全家人最愛的餐廳預定 家務服務 「人文智慧」的線上服務 社區基本資料 郵務登錄通知 訪客磁卡登錄 投票機制 電子公告及會議紀錄 公設預約 資產管理 生活商圈 社區共購 智慧建築標章 「高資訊科技化」與「人性化」 促使我國建築自動化之技術更快速的成長 與應用。 建築物之管理更具人性化與智慧化 進而延長建物之壽命 節省能源 節約人力 並降低建物日後之營運費用 評估指標項目 資訊通信指標－評估網路資訊及通信系統，提供資訊通信 服務能力。 安全防災指標－評估自動偵測系統與「建築防災」及「人 身安全」之防護設施。 健康舒適指標－評估「視、音、溫熱、安全、水」與電磁」 環境等維護健康、舒適之自動化對策。 設備節能指標－評估建築物之空調、照明與動力設備等系 統節約用電與省能的手法，與利用再生能源之效益。 綜合佈線指標－評估一建築物或建築群之傳輸網路，含語 音、數據和控制信號連結，架構智慧化建築神經系統。 系統整合指標－評估應用於建築物之各項控制系統之整合 作為、介面與整合技術，與平台性能。 設施管理指標－評估「使用管理」與「建築設備維護管理」 績效，服務品質與設施管理人員之表現。
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