發布日期：2022-05-20 點擊率：38
隨著社會成熟度與經濟規模的演進與網路的普及，使得數位化或智慧化的生活環境逐漸成為可能。智慧家電與感測模組在智慧生活的應用范圍亦隨之擴展，人們有機會與建筑物產生不同于以往的互動關系、建筑物本身與周遭環境無害地共存。本文將盡量不談技術細節，試著討論在未來智慧居住空間潮流下RFID在建筑物中的幾個應用案例。
智慧建筑
智慧建筑必須對著環境條件與使用者需求等不同型態的作動態改變。 1990以前“智慧型建筑”議題針對建筑物的保全監控、物理環境及建筑設備…等進行，以建筑硬體管理及自動控制為主。 1990以后ICT產業及網路發展使今日的住家環境能透過網路聯結對內及對外的聯系，利用資訊科技進行運算。住家中也包含各種智慧家電設備，提供屋內屋外的資訊互動，進而具備預知能力暨回應居住者對舒適、便利、安全、娛樂等方面的需求。
對于智慧化居住空間的定義有眾多的解釋，筆者在此試著引用：借著應用智慧的方案（包含了智慧材料與資訊科技），讓居住者與所處的空間環境可以產生互動。這個空間可以呼應居住者的各式需求：包括具備提供居住者舒適空間的調控能力、隨時隨地提供居住者所需的各式資訊、使得居住其中的使用者因具有與掌握環境與各式資訊的能力，改善居住于此空間中的經驗。在成就智慧建筑或是智慧化的居住空間時，經常討論到利用“無所不在的運算”(Ubiquitous Computing)與“空間涵構察覺”(Context-Aware)來達成智慧化居住空間的定義。無所不在的運算—是指系指設備以各種外在形貌存在、感測裝置無所不在、輸入與輸出的訊號種類繁多，并可整合運算、通訊、感測于真實物質世界中。空間涵構察覺—指的是一種設置于空間中的運算系統，可感測到使用者在現有空間范圍中各種可能相關利用的環境要素，并回應使用者的需求。
智慧建筑物中的感測需求
為了達到建筑物具備回應居住者需求的能力，建筑物必須具備感測的能力。建筑物的感測需求大致可分類為以下幾個項目：
1.建物與個人的保全與安全：門禁、有害氣體偵測、火災警報、緊急通報….
2.居住者的健康照護：生理參數、人身定位….
3.能源管理：燈光、空調、家電….
4.便利舒適：影音娛樂、室內空氣品質、溫濕度控制….
RFID應用
RFID當然可以呼應上述的部分感應需求。從RFID的技術屬性來看，具備ID身分識別的標簽該是平價且易于被辨識讀取。標簽ID所代表的意義，端看標簽的使用對象與其資料庫所賦予的標簽定義。 RFID技術的使用上重點則在于確保ID標簽的正確讀取與如何使用定義ID資料庫中的資料。
RFID技術在建筑與居住空間的應用，從時間軸線看大概區分為1.建筑物本體的營造期間與2.營造結束后對人或物件管理兩個階段。營造期使用RFID通常在于建材與營造工程的管理。如大型建筑中的鋼骨構建管理，利用RFID標簽定義建筑構件的分類符號及流水號，可以精確管理每一鋼骨建材是屬于哪一棟、哪一樓層、哪一種構件類型、哪一柱線或序號別。此外，營造工程的管理可以對于工程類別(鋼骨上梁、水泥預鑄/灌漿)、施工組別或團隊、施工日期記載與追蹤等等，營建管理階層可以掌控建材倉儲、調度與工期，甚至作為日后驗收時厘清責任歸屬的依據。 RFID技術的引進實為減少大量人力抄寫紀錄作業，提高工作效率、資料正確性與降低人力成本。不過，目前的RFID標簽的使用尚不屬于永久留置于建材構件中。通常在建材構件就定位或施作工程告一段落，完成驗收后便將RFID標簽取下，重復使用在未完成的建材構件與下階段的工程管控上。
完成后的建物，RFID標簽若與加速度計、扭力計、水壓計等感測器結合。便可以在建筑本體重要的梁柱或主體結構內留置RFID標簽與感測器，透過無線傳輸技術將感測值讀出紀錄，定期追蹤梁柱的位移量、形變量或地下水位狀況，提供評估梁柱安全或地震發生時對建筑物的影響時的評估依據。
就對象而言，一為人(寵物)、二為物；在人(寵物)的應用有：1.門禁管制、2.個人化設定、3.人身定位·導覽、4.寵物晶片等等。在物品管理上則有：1.藥物管理、2.食物管理、3.圖書管理、4.包裹·物流、5.衣物管理等等。
門禁應用
RFID技術首先進入到我們的生活之中的應該就是從門禁的管制上開始。如幾乎已經成為臺北市民日常生活中必備的捷運悠游卡(逐漸轉型為小額付款的電子錢包)、一般辦公室進出的識別證、或是小學生的到校簽到的學生證等皆是。這類的應用流程大致如圖一所示：比對ID是否為授權范圍的人?若是啟動后續授權指令(開啟門禁)或作動反應(悠游卡記載進入或離開捷運站名、時間、扣款等動作)并將辨識發生時間寫入資料庫。
圖1、常見RFID辨識處理流程
當門禁應用導入住家環境中除了當作鑰匙使用之外，將家用設備的個人化使用設定、居家安全照護等也逐漸成為RFID的應用領域。
個人化設定
以個人化設定的情境為例：圖2為個人使用的臥房，建置其中的設定可能有空調、多功能顯示器等等，當經由RFID標簽辨識到進入者的身分時，系統可以回應進入者所偏好的溫度設定、燈光照明模式、當日自選股票組合行情、當日行程行事歷、或播放習慣收視之節目或廣播。
圖2、臥室的智慧化與個人化設定情境
個人設定已經不是僅止于情境發想，去年(民97)生產力建設公司在臺中所推出的“似水年華”建案中的浴室，只要使用者進入浴室，透過鏡子與觸控式平面顯示器的結合，在每天使用的鏡子里顯示個人化的訊息、喜好音樂的播放，以及浴室內的情境照明，同時控制影音資料的播放，及體重的量測等等。只是考量浴室的使用習慣，不便在退卻衣物時還要考量RFID標簽的隨身攜帶，因此“似水年華”系以指紋辨識取代RFID作為身分的確認。
RFID在居住空間中健康照護與廚房的應用
以下筆者利用兩個參與開發的實驗案例介紹RFID技術在建筑空間中健康照護及廚房中的應用實例。
機構式智慧藥柜(用藥提醒)
這是一個與社福機構合作的健康照護示范建置案。用藥提醒為導入健康照護示范應用的一部分。該社福機構約有9個床位來照護身心健康的高齡長者。長者行動無虞且能自行照顧生活起居，多數人每日有服用長期處方簽藥物的需要。通常由機構照護者追蹤長者的用藥狀況。計畫的執行系依據長者現有的用藥習慣(即不按日分時段預先分藥與撿藥，僅在服用時間到時，自醫院領回的藥袋中撿取該用的藥物與數量服用)客制此一開放式藥柜(如圖3)。也由于長者不習慣資通訊設備，因此藥柜這端的介面僅有LED燈號與提醒用的喇叭。該藥柜則是每一床位配置一只。藥柜內的RFID天線為垂直直立于藥柜后端，感應柜內任意置放的多個藥袋RFID標簽。 RFID讀取器則透過網路后送標簽讀取資料至中控電腦。
圖3、RFID藥柜內建RFID天線、Reader、喇叭與LED燈號，收納含RFID標簽之藥袋
這是一個與社福機構合作的健康照護示范建置案。用藥提醒為導入健康照護示范應用的一部分。該社福機構約有9個床位來照護身心健康的高齡長者。長者行動無虞且能自行照顧生活起居，多數人每日有服用長期處方簽藥物的需要。通常由機構照護者追蹤長者的用藥狀況。計畫的執行系依據長者現有的用藥習慣(即不按日分時段預先分藥與撿藥，僅在服用時間到時，自醫院領回的藥袋中撿取該用的藥物與數量服用)客制此一開放式藥柜(如圖3)。也由于長者不習慣資通訊設備，因此藥柜這端的介面僅有LED燈號與提醒用的喇叭。該藥柜則是每一床位配置一只。藥柜內的RFID天線為垂直直立于藥柜后端，感應柜內任意置放的多個藥袋RFID標簽。 RFID讀取器則透過網路后送標簽讀取資料至中控電腦。
用藥提醒的系統架構如圖4。
圖4、機構式用藥提醒系統架構圖
將每一床位的藥柜被視為客戶端，由一部主機與伺服器管理、偵測、提醒、與記錄這9個床位的用藥情形。每一個藥柜內建RFID天線、Reader、喇叭與LED燈號。在設定服藥的時間到時經由喇叭(歌仔戲樂音)及對應藥種燈號(每一種藥物的藥袋賦予某一個顏色的RFID標簽，來對應藥柜上相同顏色的燈號)提醒住戶用藥，并偵測是否取錯藥物。平時每一長者所使用的藥物皆放置于藥柜內，因此這里RFID的偵測機制系為確認在非用藥時間期間每一個RFID標簽皆在藥柜內。而在用藥時間時，則偵測消失的RFID標簽們是否為應該取用的藥物。中控電腦端包含利用各人的用藥資訊，登錄建立每人各個藥袋的對應RFID tag的藥物管理系統。以及顯示各床用藥狀況的人機介面(圖5)。本系統亦包含用藥逾時時的簡訊通知聯絡系統(通知照護人員或長者的親友)，與網頁式的用藥紀錄(獲授權者)查詢。
圖5、用藥提醒管理介面
用藥提醒系統功能如下：
在用戶端
■該用藥而未服藥時發出語音，藥柜上亮燈提醒患者服用該藥
■發送取藥時間至管理端
■偵測是否取錯藥物
在管理端
■建立住戶用藥、用藥資料，方便往后查詢以及修正用藥
■記錄所有忘記服藥以及服藥的時間
■顯示患者忘記用藥次數以及時間點等相關資訊
■紀錄用藥習慣于資料庫
■用藥周期及更替提醒
智慧廚具
從技術開發的觀點來看，筆者參與的這個計畫并沒有開發全新的技術，而是透過通訊技術將次系統與模組與電腦整合，透過簡明的人機介面將所有系統設定的功能發揮出來。盡管如此，開發實用、有別于現況的廚具才是計劃原點。
智慧廚具的“標的族群”為：我國國民(核心家庭或頂客族)、日常廚房使用率高、收入穩定、對資通訊產品接收度高。廚具開發出來后希冀能1.符合我國民情與居住空間的現況。 2.對于使用的族群在使用上沒有太多的學習障礙。 3.同時將本廚具視為“資訊提供”的載具，除提供給使用者有用的烹調資訊外并與具備與其他廳室資訊互聯的能力。
有了標的族群與廚具的實際的功能收斂后整合下列次系統與技術(表1)：
表1、智慧廚具功能設定與技術整合列表
廚具的設計概念如圖6所示，分別為爐具（烹煮區）、料理臺（調理區）、及水槽（洗滌區）。圖7則為實際開發完成后之外觀。
圖6、廚具主體設計概念
圖7、完成后之廚具外觀
廚具整體的技術架構大致包含以下幾個部分：
圖8、智慧廚具的硬體通訊與資料傳輸架構圖
可以大致呈現本廚具的軟硬體架構：圖中左半部為硬體設備有：升降馬達、RFID Reader模組、電子磅秤、無線溫濕度模組、電腦；右半部則為軟體部分有：應用程式、資料庫、計時器、計算機工具程式與人機介面，通訊部分則有：序列埠通訊(RS-232)、網際網路(TCP/IP)、與有線電視(Cable)，利用這三種通訊協定來完成廚具上各次系統與電腦聯結；網路電話、電視之通訊與收視、及有線電視節目的播放。
以下僅介紹本智慧廚具利用RFID技術所提供的功能—利用RFID天線與電子磅秤的總成將食物標簽與重量一次讀取寫入資料庫。該總成系統能夠提供下列幾項功能的基礎。
倉儲系統
入庫
將食材上之RFID標簽資料與電子磅秤量測到的重量一并記錄在資料庫中。 RFID標簽中定義了食物名稱、食物分類、購買日期、保存期限等資料。螢幕介面上可以隨選輸入食材的價格，便可以將價格寫入該食材在資料庫中的紀錄。進而提供每月在食材開銷統計（統計于使用之中）。圖9為入庫之操作介面。
圖9、入庫之操作介面
使用
應用程式將資料庫中原始食材資料作整理后呈現
1.食材用鑿前使用記錄—將未用完的食材重新放回電子磅秤與RFID總成作記錄，在螢幕介面上會顯示該食材在用鑿前每次的使用時間與重量。
2.提供當月/當年使用的食材在六大類食材中的總重量與花費統計。提供一個食材食用是否均衡的總量概念以及顯示食物類花費總計。如圖10所示。
完整智慧廚具之人機介面配置如圖11所示。
圖10、使用之操作介面
圖說：左上為單一食材用鑿前使用記錄，右上為食材六大類每月的食用總重量，右下為食材六大類每月的花費紀錄。
圖11、智慧廚具之人機介面配置
圖說：各項服務與工具的圖示排列于簡明的系統首頁。提醒使用者食材新鮮度的相關日期資訊亦在此首頁顯示。
廚具其他的功能則整理列于表2 。提供參考。
表2、智慧廚具之功能總表
小結
在建筑物的應用中RFID還有更多的應用情境。筆者在此野人獻曝地提出幾項應用，希望能有拋磚引玉的效果。進引發更多建筑物內外的應用及商業化產品，早日達到我國智慧化居住空間的境地。
（文/工業技術研究院材料與化工研究所微感測器研究室 李彬州 工程師）
1
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： RFID技術行業應用經驗
