RFID与智慧建筑

　　随着社会成熟度与经济规模的演进与网路的普及，使得数位化或智慧化的生活环境逐渐成为可能。智慧家电与感测模组在智慧生活的应用范围亦随之扩展，人们有机会与建筑物产生不同于以往的互动关系、建筑物本身与周遭环境无害地共存。本文将尽量不谈技术细节，试着讨论在未来智慧居住空间潮流下RFID在建筑物中的几个应用案例。 

　　智慧建筑 

　　智慧建筑必须对着环境条件与使用者需求等不同型态的作动态改变。 1990以前“智慧型建筑”议题针对建筑物的保全监控、物理环境及建筑设备…等进行，以建筑硬体管理及自动控制为主。 1990以后ICT产业及网路发展使今日的住家环境能透过网路联结对内及对外的联系，利用资讯科技进行运算。住家中也包含各种智慧家电设备，提供屋内屋外的资讯互动，进而具备预知能力暨回应居住者对舒适、便利、安全、娱乐等方面的需求。 

　　对于智慧化居住空间的定义有众多的解释，笔者在此试着引用：借着应用智慧的方案（包含了智慧材料与资讯科技），让居住者与所处的空间环境可以产生互动。这个空间可以呼应居住者的各式需求：包括具备提供居住者舒适空间的调控能力、随时随地提供居住者所需的各式资讯、使得居住其中的使用者因具有与掌握环境与各式资讯的能力，改善居住于此空间中的经验。在成就智慧建筑或是智慧化的居住空间时，经常讨论到利用“无所不在的运算”(Ubiquitous Computing)与“空间涵构察觉”(Context-Aware)来达成智慧化居住空间的定义。无所不在的运算—是指系指设备以各种外在形貌存在、感测装置无所不在、输入与输出的讯号种类繁多，并可整合运算、通讯、感测于真实物质世界中。空间涵构察觉—指的是一种设置于空间中的运算系统，可感测到使用者在现有空间范围中各种可能相关利用的环境要素，并回应使用者的需求。 

　　智慧建筑物中的感测需求 

　　为了达到建筑物具备回应居住者需求的能力，建筑物必须具备感测的能力。建筑物的感测需求大致可分类为以下几个项目： 

　　1.建物与个人的保全与安全：门禁、有害气体侦测、火灾警报、紧急通报…. 
　　2.居住者的健康照护：生理参数、人身定位…. 
　　3.能源管理：灯光、空调、家电…. 
　　4.便利舒适：影音娱乐、室内空气品质、温湿度控制…. 

　　RFID应用 

　　RFID当然可以呼应上述的部分感应需求。从RFID的技术属性来看，具备ID身分识别的标签该是平价且易于被辨识读取。标签ID所代表的意义，端看标签的使用对象与其资料库所赋予的标签定义。 RFID技术的使用上重点则在于确保ID标签的正确读取与如何使用定义ID资料库中的资料。 

　　RFID技术在建筑与居住空间的应用，从时间轴线看大概区分为1.建筑物本体的营造期间与2.营造结束后对人或物件管理两个阶段。营造期使用RFID通常在于建材与营造工程的管理。如大型建筑中的钢骨构建管理，利用RFID标签定义建筑构件的分类符号及流水号，可以精确管理每一钢骨建材是属于哪一栋、哪一楼层、哪一种构件类型、哪一柱线或序号别。此外，营造工程的管理可以对于工程类别(钢骨上梁、水泥預鑄/灌浆)、施工组别或团队、施工日期记载与追踪等等，营建管理阶层可以掌控建材仓储、调度与工期，甚至作为日后验收时厘清责任归属的依据。 RFID技术的引进实为减少大量人力抄写纪录作业，提高工作效率、资料正确性与降低人力成本。不过，目前的RFID标签的使用尚不属于永久留置于建材构件中。通常在建材构件就定位或施作工程告一段落，完成验收后便将RFID标签取下，重复使用在未完成的建材构件与下阶段的工程管控上。 

　　完成后的建物，RFID标签若与加速度计、扭力计、水压计等感测器结合。便可以在建筑本体重要的梁柱或主体结构内留置RFID标签与感测器，透过无线传输技术将感测值读出纪录，定期追踪梁柱的位移量、形变量或地下水位状况，提供评估梁柱安全或地震发生时对建筑物的影响时的评估依据。 

　　就对象而言，一为人(宠物)、二为物；在人(宠物)的应用有：1.门禁管制、2.个人化设定、3.人身定位·导览、4.宠物晶片等等。在物品管理上则有：1.药物管理、2.食物管理、3.图书管理、4.包裹·物流、5.衣物管理等等。 

　　门禁应用 

　　RFID技术首先进入到我们的生活之中的应该就是从门禁的管制上开始。如几乎已经成为台北市民日常生活中必备的捷运悠游卡(逐渐转型为小额付款的电子钱包)、一般办公室进出的识别证、或是小学生的到校签到的学生证等皆是。这类的应用流程大致如图一所示：比对ID是否为授权范围的人?若是启动后续授权指令(开启门禁)或作动反应(悠游卡记载进入或离开捷运站名、时间、扣款等动作)并将辨识发生时间写入资料库。 

图1、常见RFID辨识处理流程 

　　当门禁应用导入住家环境中除了当作钥匙使用之外，将家用设备的个人化使用设定、居家安全照护等也逐渐成为RFID的应用领域。  

　　个人化设定 

　　以个人化设定的情境为例：图2为个人使用的卧房，建置其中的设定可能有空调、多功能显示器等等，当经由RFID标签辨识到进入者的身分时，系统可以回应进入者所偏好的温度设定、灯光照明模式、当日自选股票组合行情、当日行程行事历、或播放习惯收视之节目或广播。 

图2、卧室的智慧化与个人化设定情境  

　　个人设定已经不是仅止于情境发想，去年(民97)生产力建设公司在台中所推出的“似水年华”建案中的浴室，只要使用者进入浴室，透过镜子与触控式平面显示器的结合，在每天使用的镜子里显示个人化的讯息、喜好音乐的播放，以及浴室内的情境照明，同时控制影音资料的播放，及体重的量测等等。只是考量浴室的使用习惯，不便在退却衣物时还要考量RFID标签的随身携带，因此“似水年华”系以指纹辨识取代RFID作为身分的确认。 

　　RFID在居住空间中健康照护与厨房的应用 

　　以下笔者利用两个参与开发的实验案例介绍RFID技术在建筑空间中健康照护及厨房中的应用实例。 

　　机构式智慧药柜(用药提醒) 

　　这是一个与社福机构合作的健康照护示范建置案。用药提醒为导入健康照护示范应用的一部分。该社福机构约有9个床位来照护身心健康的高龄长者。长者行动无虞且能自行照顾生活起居，多数人每日有服用长期处方签药物的需要。通常由机构照护者追踪长者的用药状况。计画的执行系依据长者现有的用药习惯(即不按日分时段预先分药与捡药，仅在服用时间到时，自医院领回的药袋中捡取该用的药物与数量服用)客制此一开放式药柜(如图3)。也由于长者不习惯资通讯设备，因此药柜这端的介面仅有LED灯号与提醒用的喇叭。该药柜则是每一床位配置一只。药柜内的RFID天线为垂直直立于药柜后端，感应柜内任意置放的多个药袋RFID标签。 RFID读取器则透过网路后送标签读取资料至中控电脑。 

图3、RFID药柜内建RFID天线、Reader、喇叭与LED灯号，收纳含RFID标签之药袋

　　这是一个与社福机构合作的健康照护示范建置案。用药提醒为导入健康照护示范应用的一部分。该社福机构约有9个床位来照护身心健康的高龄长者。长者行动无虞且能自行照顾生活起居，多数人每日有服用长期处方签药物的需要。通常由机构照护者追踪长者的用药状况。计画的执行系依据长者现有的用药习惯(即不按日分时段预先分药与捡药，仅在服用时间到时，自医院领回的药袋中捡取该用的药物与数量服用)客制此一开放式药柜(如图3)。也由于长者不习惯资通讯设备，因此药柜这端的介面仅有LED灯号与提醒用的喇叭。该药柜则是每一床位配置一只。药柜内的RFID天线为垂直直立于药柜后端，感应柜内任意置放的多个药袋RFID标签。 RFID读取器则透过网路后送标签读取资料至中控电脑。  

　　用药提醒的系统架构如图4。 

图4、机构式用药提醒系统架构图  

　　将每一床位的药柜被视为客户端，由一部主机与伺服器管理、侦测、提醒、与记录这9个床位的用药情形。每一个药柜内建RFID天线、Reader、喇叭与LED灯号。在设定服药的时间到时经由喇叭(歌仔戏乐音)及对应药种灯号(每一种药物的药袋赋予某一个颜色的RFID标签，来对应药柜上相同颜色的灯号)提醒住户用药，并侦测是否取错药物。平时每一长者所使用的药物皆放置于药柜内，因此这里RFID的侦测机制系为确认在非用药时间期间每一个RFID标签皆在药柜内。而在用药时间时，则侦测消失的RFID标签们是否为应该取用的药物。中控电脑端包含利用各人的用药资讯，登录建立每人各个药袋的对应RFID tag的药物管理系统。以及显示各床用药状况的人机介面(图5)。本系统亦包含用药逾时时的简讯通知联络系统(通知照护人员或长者的亲友)，与网页式的用药纪录(获授权者)查询。 

图5、用药提醒管理介面  

　　用药提醒系统功能如下： 

　　在用户端 

　　■该用药而未服药时发出语音，药柜上亮灯提醒患者服用该药 
　　■发送取药时间至管理端 
　　■侦测是否取错药物 

　　在管理端 

　　■建立住户用药、用药资料，方便往后查询以及修正用药 
　　■记录所有忘记服药以及服药的时间 
　　■显示患者忘记用药次数以及时间点等相关资讯 
　　■纪录用药习惯于资料库 
　　■用药周期及更替提醒 

　　智慧厨具 

　　从技术开发的观点来看，笔者参与的这个计画并没有开发全新的技术，而是透过通讯技术将次系统与模组与电脑整合，透过简明的人机介面将所有系统设定的功能发挥出来。尽管如此，开发实用、有别于现况的厨具才是计划原点。 

　　智慧厨具的“标的族群”为：我国国民(核心家庭或顶客族)、日常厨房使用率高、收入稳定、对资通讯产品接收度高。厨具开发出来后希冀能1.符合我国民情与居住空间的现况。 2.对于使用的族群在使用上没有太多的学习障碍。 3.同时将本厨具视为“资讯提供”的载具，除提供给使用者有用的烹调资讯外并与具备与其他厅室资讯互联的能力。 

　　有了标的族群与厨具的实际的功能收敛后整合下列次系统与技术(表1)： 

　　表1、智慧厨具功能设定与技术整合列表 

　　厨具的设计概念如图6所示，分别为炉具（烹煮区）、料理台（调理区）、及水槽（洗涤区）。图7则为实际开发完成后之外观。 

图6、厨具主体设计概念

 

图7、完成后之厨具外观  

　　厨具整体的技术架构大致包含以下几个部分： 

图8、智慧厨具的硬体通讯与资料传输架构图  

　　可以大致呈现本厨具的软硬体架构：图中左半部为硬体设备有：升降马达、RFID Reader模组、电子磅秤、无线温湿度模组、电脑；右半部则为软体部分有：应用程式、资料库、计时器、计算机工具程式与人机介面，通讯部分则有：序列埠通讯(RS-232)、网际网路(TCP/IP)、与有线电视(Cable)，利用这三种通讯协定来完成厨具上各次系统与电脑联结；网路电话、电视之通讯与收视、及有线电视节目的播放。 

　　以下仅介绍本智慧厨具利用RFID技术所提供的功能—利用RFID天线与电子磅秤的总成将食物标签与重量一次读取写入资料库。该总成系统能够提供下列几项功能的基础。 

　　仓储系统 
　　入库 

　　将食材上之RFID标签资料与电子磅秤量测到的重量一并记录在资料库中。 RFID标签中定义了食物名称、食物分类、购买日期、保存期限等资料。萤幕介面上可以随选输入食材的价格，便可以将价格写入该食材在资料库中的纪录。进而提供每月在食材开销统计（统计于使用之中）。图9为入库之操作介面。

图9、入库之操作介面  

　　使用 

　　应用程式将资料库中原始食材资料作整理后呈现 

　　1.食材用凿前使用记录—将未用完的食材重新放回电子磅秤与RFID总成作记录，在萤幕介面上会显示该食材在用凿前每次的使用时间与重量。 
　　2.提供当月/当年使用的食材在六大类食材中的总重量与花费统计。提供一个食材食用是否均衡的总量概念以及显示食物类花费总计。如图10所示。 

　　完整智慧厨具之人机介面配置如图11所示。 

图10、使用之操作介面

　　图说：左上为单一食材用凿前使用记录，右上为食材六大类每月的食用总重量，右下为食材六大类每月的花费纪录。

图11、智慧厨具之人机介面配置 

　　图说：各项服务与工具的图示排列于简明的系统首页。提醒使用者食材新鲜度的相关日期资讯亦在此首页显示。 

　　厨具其他的功能则整理列于表2 。提供参考。 

　　表2、智慧厨具之功能总表 

　　小结 

　　在建筑物的应用中RFID还有更多的应用情境。笔者在此野人献曝地提出几项应用，希望能有抛砖引玉的效果。进引发更多建筑物内外的应用及商业化产品，早日达到我国智慧化居住空间的境地。

　　（文/工业技术研究院材料与化工研究所微感测器研究室  李彬州 工程师）