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智能建筑居家行为分析
网多所专栏(15)

【作者: 宋經天】2010年03月16日 星期二

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在过去,分析居家行为往往是透过问卷调查的方式,但这样收集信息的方式不仅容易受到被访者主观认知所影响,同时所收集的信息也不够详细。所以必须要有一套客观并且详细的信息收集方法,才能作为有效设计居家科技的依据。此外,行为模型的建立也有赖于良好的分析技术,才能从数据中获取关键有用的信息。



无线感测网络 与智能建筑


分析居住行为与建立模型需要详尽客观的信息,这些信息的收集有赖于各式各样的感测装置,如动作传感器、温湿度计、电量计及水量计等等。透过分析这些感测数据可以形容出居住者的生活行为,使建筑设备提供出相对应的动作,来提升居住的生活质量。但这些传感器必须隐密地装设在居住环境中,这样才能降低用户的不舒适感,同时也需降低配线与装设的难度,如此才能降低建构感测环境的门坎与减少不便。也就是说,在建构感测环境时,传感器必须要体积小,安装方便,通讯效能稳定,以现有技术来看,布建无线感测网络来收集行为信息可以说是最佳的方法。无线感测网络最早是由美国国防部资助的一项研究计划,目的是在战场中侦测环境及敌军的动态,后来发展在民生用途上。由于无线感测网络的优点就是体积小、布建快速及省电稳定,所以极为适合用于收集居住行为的信息上。



配备了无线感测网络的建筑体,就像是具有感知神经的身体,能够知道建筑内外发生的事情。对于传统的建筑,并不具备有这样的感知能力,所以随着使用年限的增加及居住者的便多,建筑会慢慢老化,也慢慢的变得无法再提供良好的居住空间。在配备无线感测网络的建筑,能够感知居住环境的变化,透过智能系统的分析及判断,能适时提出警告及驱动相关的设备动作,这样的建筑称为智能建筑。而智能建筑可以确保居住环境的安全、照顾居住者的健康、提供生活便利性与舒适的室内环境,达到环保、省能及人性化优质的居住空间目标。



传统建筑升级之虞 也应顾虑隐私


建筑体与感测网络的结合是属于建筑资通讯领域的技术。这样技术需要有建筑与资通讯的领域相结合才能有正确的发展。而在智能建筑里的智能感控系统也需要各方面不同的领域的知识。不仅要提供方便的科技,也要兼顾用户的观感。居住者的行为信息可以拿来用在许多地方,但需要注意这些信息的安全性与居住者的隐私权。如何能广泛地取得感测数据,有效的利用在居住空间效能的提升,同时确保居住者的隐私,正是能推动传统建筑升级的关键。



在智能建筑中,居环境调控需要有智能的分析收集到的感测信息。过去在分析信息与最对应的设备调控,通常相互都是同性质的。举例来说,温度、湿度传感器用来控制空调,水量计与电量计分别表示用水及用电量。但除此之外,这些信息其实隐含着居住者的行为习惯。这些习惯中,有的能反映出居住者的健康状态,有的能找出节省电力的方法。有此可知,若是有效分析这 些信息,能加以利用的地方相当的广泛。



居家行为分析


得知居家行为可以增加居住环境的效益,但需要在环境中装设哪些种的传感器才能分析行为呢?其实这些需要的传感器大部分都以经常见于家庭环境中了。如温度传感器,水电瓦斯表等等。但这些感测的信息的取得并不方便,需要将无线感测网络的技术加进来,透过实时快速的收集数据,才能做出有关居住行为的分析。接下来,就来针对不同的感测信息来作介绍。



水表、电表


水表提供了居住环境的用水状态,最简单的提供了用水设备的状态,当漏水发生或不正常使用时,可以很快的从水表发现。而使用的水量 也表示了居住者身体及环境对于水的需求。这些水量的需求在正常的情况下应该是稳定较少变动。相对于水表,电表信息则隐含了更多意义。透过用电量与判断用户使用何种电器,系统可以更明确的描述出居住者正在作什么。



《图一 含 Zigbee 无线传输模块之电表》


温度、湿度


温湿度传感器最常应用于控制控调。而空调的耗能也是建筑中占最大的一部份,透过室内外气候传感器的信息,可以建构一套较为节能的温度调控策略。而环境温度的变化,也可以反应居住空间人数的多寡,进一步可以利用 这些信息调整环境的策略依据。



生理信息


透过配戴生理信息传感器,可以直接得知人体的生理信息。这些信息包含了,心跳,体温及脑波等等。这些信息常用于健康照顾及医疗行为上。这些信息如果和其他信息关连起来,就可以提供更多的行为讯息。但在这一方面,如何降低用户穿戴的不舒适感仍是待解决的重要课题。



声音、动作传感器


简单的声音与红外线传感器,可以描述出居住者外在的行为表现,如移动的频率,说话的大小声等等。加上对于声音情绪或异常的侦测,可以查验居住者的身心状态,甚至察觉重要的安全事件。声音传感器的部分需要注意个人隐私,通常需要知道感测声音的频率及音量的大小,对于声音的详细内容则需忽略。



门窗状态


门窗的状态可以用简单的磁簧开关作为回报。这类的信息可以用作为人员进出时间或气候调控的参考。在居住者外出时,也能直接拿来用作居家安全的基本配备。



居住者的行为能透过这些感测数据描述出来,但不同的感测数据如何融合成为一种行为,目前仍须依赖大量前置训练与分析。而分析的种类可以由多种传感器来判断一种行为特性,例如独居老人的身心状态。当声音传感器已经很久没有发现人的声音,水的使用量较平日减少许多,加上从门窗状态的传感器发现,居住者外出的次数减少,便可以判断居住者的身心状态需要关心。相对于用多种感测数据判断一种行为,另一型态是利用一种类型的感测数据判断多种状态。举电表为例,实时电表的信息可以透露,什么电器在什么时间被启动,而启动后的状态又是什么。若是在一个电表所连接的回路中,挂载两个以上的电器,则这些判断会更多样而复杂。根据电器在回路中的辨识结果,能更完善的描述居住者行为。举例来说,从办公室的计算机电表信息,便可以大致判断用户是否在位子上,因为计算机的用电量会因为工作的不同而有变化,所以监控计算机的用电量可以作为用户行为状态的参考。图二为计算机实际使用的电量纪录与分析。




《图二 电力数据分析》 - BigPic:699x466




居住者行为分析的功用


居住者行为经过分析后得到的结果,可以应用在许多地方,在这边列举几项。这些应用也正是发展智能建筑所期望达到的目的。



节能


近年来石油危机与地球暖化现象,使得大家持续关心节能减碳的相关议题。在用电行为上,居住行为分析可以提供平日省电的策略依据。例如晚 上经过分析电器用电状态后,发现灯具已经关闭,而且透过温度与生理信息传感器,可以确定居住者已经休息就寝,这是便可以完全关闭一些不要用的电器来节省电 力。也可以透过电力计监控电器设备,及早发现电器的效率变低的情况。



舒适


一般来说,舒适的环境需要耗费电能来达成,但在有些时候,空调设备与通风装置可以根据天然的环境来提供舒适条件。例如经由传感器察觉室内外的气候状态,调整空调使之能花最少功,即达到居住者人员舒适的程度。而透过动作传感器及电量耗费计算,能推测用户需要的气候环境为何,在尽量节省能源的情况,达到环境舒适的目的。



安全


建筑最大的功能之一,便是提供安全的居住环境。在建筑里,用电安全是大家常注意的。透过电表对电器使用的监控,可以预先发现电器的状态而事先提出警告,甚至采取预先断电等措施。另外透过用电行为分析,也能提供安全用电建议,降低事故发生的机率。



健康照顾


人体健康的状态包括身体健康与心理健康。透过收集居住行为,可以发现异常的情况。在经过授权条件下,可做为医生诊断的依据。而声音信息,出入及动作感测信息,可以判断居住者的社交生活是否正常,进而判断心理状态是否健康。



总结


智能建筑之所以称为智能,便是指建筑具备判断分析与控制的能力。在配备有无线感测网络的建筑中,可以快速实时的收集环境与居住者的各种信息,分析判断出居住者的行为。这些行为有些可以作为节能策略的依据,有些可以与其他信息结合,增加居住环境的质量。发展具居家行为分析能力的智能建筑已成为资通讯领域重要的发展方向。



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