無線感測網路應用於建築物防火資訊系統之開發

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無線感測網路應用於建築物防火資訊系統之開發

研 究 生 ： 張 瀞 云 指 導 教 授 ： 洪 士 林 博 士

國 立 交 通 大 學 土木工程學系

摘要

資訊科技的日新月異，使日常生活與工作的環境變得更舒適、便利。因此，我們 開始追求智慧化的空間並促使以提升建築物功能與品質為目的的「智慧型建築」興 起。營運初期由於設備管理、系統操作與維護上等知識技能尚未健全，導致使用上、 管理上產生許多阻礙，故改善「智慧型建築」自動化與智慧化的軟硬體設備之應用與 系統的整合管理將是發展「智慧型建築」的重要課題之一。而台灣的「智慧型建築」 是以自動化系統來提供居住者更舒適、便利、安全、健康、節能、智慧化的環境，並 訂定了七大指標，其中又屬「安全防災指標」最為重要且有迫切的需求，因此，本研 究即以「智慧型建築」之建築自動化系統為主，提出應用無線感測網路來改善建築自 動監測系統的偵測功能，以提升系統的感測能力與智慧化程度。應用無線感測系統的 好處除了可偵測環境細微之變化外，還可透過感測器間的無線傳輸將訊號資料即時傳 送至 PC 端，提供使用者作後續之處理與應用。本研究之重點為：(1)如何有效利用無 線感測網路感測環境，以提升感測設備的感知能力與靈敏度，(2)開發一使用者網頁查 詢介面，以利使用者控制、管理與分析感測資訊，以達到如「智慧型建築」之「中央 監控系統」的效能，(3)由 e 化的查詢介面，提供更方便、更容易操作的系統，以利掌 握更多的資訊，並藉此提升使用者與系統間的互動。本論文稱此資訊整合系統為「無 線感測網路應用於建築之資訊系統」。系統主要架構是由無線感測系統與資訊系統所 構成。開發之重點在無線感測系統如何與資訊系統結合，並提供智慧化、人性化的資 訊查詢功能與自動化的警示及主動控制機制。本研究將系統應用於建築之防火系統 中，以發揮系統感測與反應災害之能力，防止災情擴大，進而提升建築之功能與品質， 使生活朝「智慧型建築」之安全、健康、節能、便利與舒適等理想邁進。 關鍵詞：無線感測、監測、防災、智慧型建築

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Development of Wireless Sensor Networks web based fire

information system in Buildings

Student: Ching-Yun Chang Advisor: Dr. Shih-Lin Hung

Department of Civil Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The information technology is change with each passing days, makes daily life and work space become more comfortable and convenient. In Taiwan, intelligent building provides live to be more comfortable, convenience, security, and health. This thesis proposes an intelligent wireless sensing system to improve the capability and intelligent degree of building. There are three main purposes of this system. (1) To use WSN to detect environment effectively and to promote the sensing capacityand sensitivity. (2) To develop a Wireless Sensor Networks web based information system in buildings (lets the user control, management and analysis to reach as control center of Intelligent Buildings). (3) The web based information system provides more convenient of controlling for user. This system aims at the fire proof system of building for responding the information of disaster. Via this system, the stage of the disaster, can be controlled, the casualties also can be reduced.

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致謝

能夠完成碩士學位，首先我要感謝的是洪老師於研究所學習期間所給予我的指導， 以及口試委員交大黃炯憲老師、林昌佑老師與高雄大學陳振華老師所給予的寶貴意見， 方使本論文修正的更趨完善，再來我要感謝的是我最敬愛的爸爸與媽媽，這一路來對我 無微不至得照顧與關懷。我的爸爸一直都很疼愛我，盡他所能的給予我一切實質的幫 助，給我最好得成長環境、最無後顧之憂的讀書環境，栽培我直到碩士；而我最愛的媽 媽，則是我勇敢的原動力，一直給予我精神上的鼓勵，讓我面對困難時還能有信心繼續 不斷的努力，我知道你會一直為我加油一直給我鼓勵，我真的很感激您，也很愛妳。真 的感謝您們所給予我的一切，在此我想要將這份榮譽獻給我最愛的爸爸與媽媽，感謝您 們，讓我享有這麼多采多姿的求學生崖。再者我要感謝的是兩個疼愛我的姐姐與像媽媽 般待我的乾媽，對我的愛護與包容以及幫我渡過很多難關的豆子。最後我要感謝這一年 來指導我研究的子軒學長，對於資質駑鈍的我不厭其煩的指導，你對研究的認真與專業 令我受益匪淺，感激您。還有我還要感謝這兩年來一直很幫助我的學長們、同學們與學 弟們，其中特別要感謝的是研究室的勇奇、心農、忠錦學長，正剛、巍贏同學以及怡廷、 世賢、承禹學弟對我的幫忙與照顧，讓我能夠充實且開心的渡過我研究所學習的生涯。 感謝在我生命中所有幫助過我的人，感謝你們讓我有機會順利的邁過每一個人生階 段。無限感激！未來我將會更加油、更努力的勇敢面對我往後的每一個旅程。

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目錄

摘要 ··· i Abstract ··· ii 致謝 ··· iii 目錄 ··· iv 表目錄 ··· vii 圖目錄 ··· ix 第 1 章 緒論... 1 1.1 研究動機與目的 ... 1  1.1.1  研究動機 ... 1  1.1.2  研究目的 ... 2  1.2 研究範圍與內容 ... 2  1.2.1  研究範圍 ... 2  1.2.2  研究內容 ... 3  1.3 研究步驟、方法及流程 ... 4  1.3.1  研究步驟 ... 4  1.3.2  研究方法 ... 5  1.3.3  研究流程 ... 6  1.4 論文架構 ... 7  第 2 章 文獻回顧 ... 8 2.1 智慧型建築 ... 8  2.1.1  智慧型建築之概述與背景 ... 9  2.1.2  智慧型建築之定義與基本架構 ... 10  2.1.3  智慧型建築自動化系統 ... 14 

v 2.1.4  智慧型建築之標章 ... 21  2.1.5  智慧型建築未來之展望 ... 28  2.2 無線感測網路概述 ... 29  2.2.1  起源與概念 ... 29  2.2.2  無線感測網路的硬體架構 ... 32  2.2.2.1  感測器的硬體設計 ... 34  2.2.2.2 Gateway ... 36  2.2.3  無線感測網路嵌入式作業系統 TinyOS ... 38  2.2.4  無線感測網路之應用 ... 39  2.3 建築物防火系統概述 ... 41  2.3.1  火災發生的原因、特性與危害 ... 41  2.3.2  建築物之防火系統－火警自動警報系統 ... 45  2.3.3  智慧型建築之防火系統 ... 58  2.3.4  無線感測網路於防火系統之運用 ... 62  2.4 網頁資料庫系統概述 ... 66  2.4.1  網頁資料庫系統之基本概念 ... 67  2.4.2  網頁資料庫系統之技術 ... 69  2.4.2.1  資料庫系統 ... 69  2.4.2.2  伺服端之應用程式 ... 74  2.4.2.3  使用者網頁介面 ... 75  2.4.3  網頁資料庫系統的應用 ... 76  第 3 章 無線感測網路應用於建築物防火資訊系統 ... 78 3.1 系統介紹 ... 79  3.1.1  系統目標 ... 79 

vi 3.1.2  系統特色 ... 79  3.2 系統架構與環境 ... 80  3.2.1  系統架構 ... 80  3.2.2  系統環境 ... 82  3.2.2.1  無線感測網路 ... 82  3.2.2.2  資訊系統 ... 86  3.2.3  系統開發之流程 ... 92  3.3 系統規劃與設計 ... 93  3.3.1  系統功能 ... 93  3.3.2  系統規劃 ... 95  3.3.3  系統設計 ... 96  3.3.3.1  防火機制之設計 ... 97  3.3.3.2  資訊系統之設計 ... 102  第 4 章 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」展示與驗證 ... 107 4.1 資訊系統功能展示與驗證 ... 107  4.1.1  系統使用者介面之介紹 ... 107  4.1.2  系統功能展示與驗證 ... 108  4.2 效益評估 ... 116  第 5 章 結論與建議 ... 118 參考文獻 ... 121

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表目錄

  表 2‐1 各國智慧建築之定義 ... 11  表 2‐2 建築物自動化系統之機能分類 ... 16  表 2‐3 安全防災指標評估項目及其意義表 ... 26  表 2‐4 暴露於有毒氣體中危險濃度的允許值 ... 43  表 2‐5 火警自動警報設備之功能 ... 46  表 2‐6 火警自動警報設備之系統構成 ... 46  表 2‐7 各類探測器之動作原理 ... 48  表 2‐8 探測器之靈敏度與動作相關規定 ... 50  表 2‐9 偵煙式探測器設置之有效探測範圍 ... 54  表 2‐10 差動式、補償式與定溫局限型之有效探測範圍 ... 55  表 2‐11 智慧建築「防火系統」之評分基準表 ... 60  表 2‐12 防火系統之設備與內容 ... 62  表 2‐13 資料庫軟體之比較表 ... 72  表 3‐1 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之無線感測網路設備 ... 84  表 3‐2 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之無線感測網路設備 ... 85  表 3‐3 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之無線感測網路設備 ... 86 

viii 表 3‐4 「智慧型建築之無線感測網路防火資訊系統」系統開發之工具 ... 87  表 3‐5 POSTGRESQL 之特點 ... 89  表 3‐6 智慧型建築防火系統之評估基準與「無線感測網路應用於建築物防火資訊系 統」‐ 系統功能對照表 ... 93  表 3‐7 感測器之動作原理 ... 100  表 3‐8 複合式感測器 MTS‐400 之資料表型式 ... 103  表 3‐9 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之資料表形式 ... 103  表 3‐10 歷時資訊查詢之方法 ... 105 

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圖目錄

  圖 2‐1 「智慧型建築」構成的基本要素 ... 12  圖 2‐2 智慧型建築的基本機能系統圖 ... 13  圖 2‐3 建築自動化系統基本架構示意圖 ... 14  圖 2‐4 智慧型建築的建築自動化系統之機能 ... 16  圖 2‐5 建築自動化系統之控制架構圖 ... 19  圖 2‐6 智慧型建築模擬實驗室基礎系統之架構圖 ... 21  圖 2‐7 建築智慧化的目標 ... 22  圖 2‐8 智慧建築標章評估指標架構圖 ... 23  圖 2‐9 安全防災指標之指標項目 ... 25  圖 2-10 安全防災整合系統示意圖 ... 27  圖 2‐11 無線感測網路系統組成與傳輸模式概念圖 ... 30  圖 2‐12 無線感測系統的硬體架構 ... 33  圖 2‐13 無線感測系統之感測端 ... 33  圖 2‐14 無線感測系統之接收端 ... 34  圖 2‐15 無線感測器架構圖 ... 36  圖 2‐16 基地台(GATEWAY)－MIB510 ... 37 

x 圖 2‐17 TINYOS 層級架構圖，[24] ... 39  圖 2‐18 可視度隨火災成長時間變化之情形 ... 44  圖 2‐19 火警自動警報系統作業之流程圖 ... 57  圖 2‐20 火警自動警報設備設計流程圖 ... 58  圖 2‐21 智慧型建築之防火系統‐評估基準 ... 59  圖 2‐22 無線感測網路應用於隧道之感測節點佈設規劃 ... 65  圖 2‐23 網頁資料庫系統之軟體系統架構示意圖 ... 68  圖 2‐24 使用者與網頁資料庫系統的關係圖 ... 68  圖 2‐25 資料庫管理系統中之資料庫實體檔案存放位置 ... 70  圖 2‐26 資料表形式 ... 72  圖 2‐27 CGI 應用程式之架構 ... 75  圖 2‐28 「台灣地區颱風預報輔助系統」之網頁介面 ... 76  圖 2‐29 「行政院環保署環境資料庫系統」之網頁介面 ... 77  圖 3‐1 無線感測網路應用於建築物防火資訊系統 ... 80  圖 3‐2 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之系統架構圖 ... 81  圖 3‐3 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」系統運作的架構示意圖 ... 82  圖 3‐4 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」須有之感測能力示意圖 ... 83  圖 3‐5 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」系統軟體環境關係圖 ... 87 

xi 圖 3‐6   POSTGRESQL 系統概念架構圖 ... 88  圖 3‐7   ASP 與網頁資料庫系統之關係圖 ... 91  圖 3‐8 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」‐系統建置之流程圖 ... 92  圖 3‐9 系統功能說明–以防火為例 ... 96  圖 3‐10 防火系統設計之流程 ... 97  圖 3‐11 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」系統運作之流程圖 ... 98  圖 3‐12 無線感測系統之佈設與分區 ... 99  圖 3‐13 「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之防火設計流程圖 ... 101  圖 3‐14 系統火災判斷之流程圖－溫度 ... 101  圖 3‐15 系統火災判斷之流程圖－含煙量 ... 102  圖 3‐16 「無線感測網路資訊系統」使用者網頁介面之架構 ... 104  圖 4‐1 「智慧建築標章」之安全防災指標之介紹 ... 109  圖 4‐2 顯示即時資訊之介面 ... 111  圖 4‐3 顯示即時資訊之介面－感測到火災之發生 ... 111  圖 4‐4 依感測目的查詢－溫度 ... 112  圖 4‐5 依感測區域查詢 ... 113  圖 4‐6 依感測區域查詢即時資訊圖 ... 114  圖 4‐7 警報系統之查詢介面 ... 115 

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圖 4‐8 偵測資訊圖之查詢介面 ... 116 

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第1章 緒論

1.1 研究動機與目的

1.1.1 研究動機

隨著科技與資訊的發展，人類的生活變的便利與舒適，這也使得我們更加依賴這些 人性化、自動化的科技產品，而資訊化的科技也逐漸影響到我們的生活空間，促使我們 開始追求智慧化的居住空間，因而有了「智慧型建築」的誕生。早在二十年前美國 Connecticut 州 Hartford 市就已經提出了以自動化科技產品來改善居住環境的硬體設施， 在當時創造了建築新視野也造就了「智慧型建築」這個建築新名詞。但「智慧型建築」 營運之初並不順利，因為在設備上仍有設計不周全、使用不方便和維護上等等的問題， 導致推行上有所阻礙。直至今日，高科技電子業與資訊業的蓬勃發展，建設「智慧型建 築」已成為國家推動經濟與資訊化的基礎建設。近年來，各國亦紛紛以「智慧型建築」 之數量作為都市資訊化之指標，因為「智慧型建築」的發展不僅能夠改善人類欲追求更 好的生活環境之理念，更能進ㄧ步達到節約能源之功效，有助於將舒適、便利、安全與 健康的環境擴散至整個地球，故今日我國政府與相關團體也都積極的推動「智慧型建築」 發展的可能性與多元化，因此「智慧型建築」將會是未來建築發展的重要趨勢。 「智慧型建築」的設計概念是以自動化系統來提昇建築物之功能與品質，使建築物 達到安全、健康、節能、便利與舒適之目的。而檢討過去「智慧型建築」窒礙難行的主 要因素，主要是設備開發的技術面問題與管理維護上的問題。因此，要將使未來「智慧 型建築」可以更順利的於建築產業中發展，改善「智慧型建築」自動化與智慧化的軟硬 體設備之應用與系統的整合管理將是發展「智慧型建築」的重要課題之一。因此本論文 研究的動機為： 1. 討論以無線感測網路導入於建築中，作為建築物自動化監測系統之硬體設施的 可能性、應用性與功能性。 2. 針對無線感測網路於建築物的應用，開發結合無線感測網路技術的網頁資料庫 系統作為「無線感測網路」技術整合的資訊平台。

2 3. 應用「網頁資料庫系統」之技術提供「無線感測網路」感測資料後處理的平台 與使用者查詢以及管理控制的介面，並提供相當於「智慧型建築」自動化系 統處理異常狀況與災害問題的反應機制。

1.1.2 研究目的

為達到如「智慧型建築」自動化、智慧化的軟硬體設備之功效與系統整合之管理， 本研究將以「網頁資料庫系統」之技術，開發「無線感測網路應用於建築之資訊系統」 來整合建築與「無線感測網路」的設備管理與系統整合等等之相關問題，並達到智慧化 之目的與功能。因此本研究的目的為： 1. 以「無線感測網路」的技術取代一般建築物中之建築自動化偵測系統的設備功 能。 2. 開發具有自動化的監測與智慧化之「無線感測網路資訊系統」並能達到如「智 慧型建築」之「中央監控系統」的功效與能力。 3. 提供資訊化的服務平台，讓使用者與管理者更容易操作與使用「無線感測網路」 的相關設備與服務功能，以提升建築之監測設備與系統間之管理與運用上的 便利性。並藉由資訊化、e 化的操作介面提供一個更完善、方便且無時差、 無距離的環境監控與資訊查詢之管理平台，使其更切合建築物智慧化的目的。

1.2 研究範圍與內容

1.2.1 研究範圍

「智慧型建築」於 2002 年訂定了「智慧建築標章」[1]以提供業界作為評定「智 慧型建築」之依據。其中評估指標必須包含:建築自動化系統裝置、建築使用空間、建 築運轉管理制度等三大部分，以涵蓋建築物之硬體設備與使用管理之整合。而根據「智 慧建築標章」評估體系之架構，研訂「智慧型建築」建築物智慧化之標準應包括:「資 訊通信」、「安全防災」、「健康舒適」、「設備節能」、「綜合佈線」、「系統整 合」及「設施管理」等七大項指標。其中又以「設施管理」、「系統整合」作為申請

3 智慧建築標章之門檻值。故為了開發應用於建築之系統，本研究之「無線感測網路應 用於建築之資訊系統」，必須先了解「無線感測網路」應用於建築的範疇與可提供之 效能，並以「智慧型建築」之規範做為系統開發之整體架構。了解可應用的範疇後方 能進一步依照偵測的目的與需求作細部的設備規劃和資訊系統服務功能之設計，而本 研究以「安全防災」指標中之「防火系統」為主要開發的設計對象，最後再結合網頁 資料庫系統之技術以提供有意義的資訊與智慧化的服務功能。 故本論文研究的範圍主要為: 1. 以建置「無線感測網路資訊系統」為目的，初期先提出可應用的範圍與架構， 再以「智慧型建築」之「安全防災」指標中的「防火系統」為主要開發對象。 2. 討論「無線感測網路」應用於「智慧型建築」之防火系統的相關研究與應用。 3. 研究「無線感測網路」與「網頁資料庫系統」之技術的結合與應用，所能提供 之功能與貢獻，以及如何實踐「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」 之開發。

1.2.2 研究內容

本研究是為了建置智慧化的「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」而作的相 關研究，故研究與討論的內容包括:「智慧型建築」、「無線感測網路」、「建築物防火 系統」與「網頁資料庫系統」四大領域。首先討論「智慧型建築」智慧化、自動化設備 之規範與需求，再討論導入「無線感測網路」之技術於建築的應用面與可行性，作為開 發「無線感測網路運用於建築之資訊系統」的依據與方針。而由於「智慧型建築」涵蓋 之範圍相當廣泛，故建置「無線感測網路運用於建築之資訊系統」初期先提出可應用的 範圍與架構，再以「智慧型建築」之「安全防災」指標中的「防火系統」為主要開發對 象。故本研究之重點乃為「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」的開發，所以必 須對「建築物防火系統」之智慧化規定有更進一步的研究與了解，以利於「無線感測網 路」設備的選擇與建置以及「網頁資料庫系統」功能的開發與細部規劃之設計。 因此，本論文主要研究的內容將有以下幾個領域: 1. 研究「智慧型建築」智慧化與建築物自動化系統之設備與需求。

4 2. 研究「無線感測網路」的系統架構和模組的選擇與規劃以及相關之應用。 3. 研究「智慧型建築」與建築物之防火系統的相關規範與現行系統的使用概況以 及「無線感測網路」於防火領域之相關應用。 4. 研究網頁資料庫系統之技術與應用。首先須研究如何結合無線感測系統之訊號 資料，進而開發一個能即時擷取無線感測訊號並提供有意義之資訊和互動式的 查詢介面與異常狀況之警示、通報及主動式控制之資訊平台，最後再結合資料 庫系統可 E 化之功能，使本系統除了具有處理龐大資料量的基本資料存取能力 外還能使資料成為有意義的資訊並透過網路使網頁資料庫系統的查詢與管 理，讓系統變得更智慧與方便。

1.3 研究步驟、方法及流程

1.3.1 研究步驟

研究過程中我們必須先了解「智慧型建築」之定義與需求，再將無線感測網路的技 術適切的導入於建築中，使其達成智慧化偵測系統之功效。首先我們必須先知道建築需 要哪些感測設施，再依據感測目的選擇無線感測器與相關之設備方能依照實際環境作佈 設之規劃。確立建築主體即感測目標，並設定無線感測網路扮演的角色與功能即感測目 的後便可將無線感測器適當的佈設於建築物中，以發揮其感測的功效。再來是整合無線 感測網路系統與網頁資料庫系統的應用，以開發資料庫系統並建置網頁介面來實踐，即 可完成「無線感測網路應用於建築之資訊系統」的設備佈設與系統建置。本論文以實作 防火系統之部分為例，並透過火災情境的模擬以驗證「無線感測網路應用於建築物防火 資訊系統」的可行性與正確性。因此，步驟可為:1.選擇具火災感測能力之感測器、2.適 當的佈設於建築空間中、3.模擬火災發生之可能狀況並偵測之、4. 收集感測訊號並將資 料儲存至資料庫系統中、5.透過網頁資料庫系統進行存取、分析、查詢與判斷的資料處 理程序、6.即可做出適當的決策與控制動作，以達到建築防火的功能，同時也可驗證「無 線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之無線感測網路具有準確之偵測能力，且資訊 系統能有效的運作、正確的判斷異常狀況的發生並發出即時、適切的警告訊息與主動控 制行為。

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1.3.2 研究方法

1. 文獻回顧研究法:研究「智慧型建築」、「無線感測網路」、「建築物防火系統」 與「網頁資料庫系統」之相關知識背景，以建立無線感測網路應用於智慧型 建築之防火系統的可行性與方式。 2. 實際建置「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」之網頁資料庫系統以提 供系統的服務功能。 3. 以情境模擬的方式驗證系統的可行性。使用具有火災感測能力之無線感測器對 火災可能發生之狀況作偵測，並收集相關之數據，透過資訊系統的運作以驗 證系統之查詢、判斷與決策功能均可正常運作，且可提供正確之資訊與適當 的防災處理機制。 透過文獻回顧可建立相關的知識背景並使無線感測網路於智慧型建築之防火系統 的運用性成立，再透過實際環境的偵測以驗證本研究所開發之「無線感測網路應用於建 築物防火資訊系統」的可行性與效益，以實踐改善建築之防火系統的目的。

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1.3.3 研究流程

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1.4 論文架構

本論文之內容將分為五章，各章節內容如下: 第一章 緒論: 說明本論文之研究動機與目的、研究內容與範圍、研究步驟、方法及 流程與各章節架構之概述。 第二章 文獻回顧: 主要分為四個部份，分別為智慧型建築、無線感測網路、建築物 防火系統與網頁資料庫系統，並分別針對這四個部份的發展、源起、應用做研究與討論。 第三章 「無線感測網路應用於建築之資訊系統」架構介紹: 本論文主要是為了提升 建築的智慧能力，故提出了以無線感測器取代傳統的感測技術並且開發以「智慧型建築」 之智慧化需求為主的資訊系統，以提供使用者更方便使用與操控之資訊平台。本章之重 點在於:1. 介紹系統之目標與特色、2.系統之架構和系統開發之設備與環境之介紹、3. 介 紹系統之規劃與設計，其中包括：系統功能、系統規劃與系統設計之介紹。 第四章 系統驗證: 模擬發生火災可能產生之情況，設計火場情境，透過情境模擬， 將偵測的結果收集至資料庫，以提供資訊系統對訊號作資料分析與處理作為決策時之依 據。透過情境模擬的偵測以驗證本研究之「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」 的可行性與正確性。 第五章 結論: 結論與未來展望，針對開發「無線感測網路應用於建築物防火資訊系 統」過程中所碰到的問題與防火系統的運用，提出建議與改進之方式以改善系統之缺點 並強化系統之功能性，以提升整性的「無線感測網路應用於建築之資訊系統」之應用性， 進而將應用範圍拓及至整個建築架構中，甚至是土木業或任何需要感測系統之環境的應 用。

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第2章 文獻回顧

人類嚮往舒適、便利與安全的環境，卻也同時為環境帶來了負面效應，如環境汙染、 溫室效應等。因此，如何減少對環境的破壞，追求安全、舒適、健康、省能及環保生活 環境的智慧型建築將是現在與未來建築設計的趨勢。而隨著科技與資訊的發展，以人性 化、智慧化為設計概念的科技產品不斷推陳出新，也將我們的生活推向更舒適、便利與 智慧的目標。智慧型建築是以建築物智慧化與自動化為目的，最初是以建築物的設備監 控為主。隨著電子高科技儀器的蓬勃發展，追求自動化與智慧化的智慧型建築已逐漸與 高科技、高度資訊化的技術結合，以符合現代人對環境舒適性、健康性、便利性與安全 性之訴求。而以偵測為目的「無線感測」技術就是最新的科技產物，其具有無線傳輸與 自組網路型態的能力，輕巧又容易佈設，因此其可應用的領域相當廣泛，以土木建築為 例，有應用於結構物健康監測、有應用於隧道的環境偵測以及建築物防災、防火的感測 等等的研究，故探討無線感測網路應用於建築並使其智慧化的可能性與可行性將是本論 文研究的重點之一，而本論文的另一項研究重點與貢獻將是開發能結合無線感測網路之 技術的網頁資料庫系統。本系統之目的是將無線感測網路的資訊化、e 化，以提供使用 者或管理者感測環境的資訊與狀況，透過網頁資料庫的分析與決策，亦能提供相關的主 動控制機制或互動式查詢等功能，希望透過本系統將能整合無線感測網路與建築物的偵 測，使系統能與感測設備和感測環境有良好的互動與管理效果，進一步提升建築智慧化 的程度，以符合人類對居住環境之安全性、健康性、舒適性與人性化的訴求與期待。 本論文是以開發「無線感測網路應用於建築物防火資訊系統」為目的，因此本章文 獻回顧的範圍將以「智慧型建築」、「無線感測網路」、「防火系統」與「網頁資料庫 系統」為主。分別概述四個領域的相關背景與知識，研究四個領域結合的可能性與優勢， 以及整合的方式、可提供的服務與貢獻。

2.1 智慧型建築

隨著科技突飛猛進，人性化的智慧型商品設備，平易近人，自動化的科技產品所打 造出來的便利與舒適亦不再是夢幻的電影情節，故以設備自動化來提升建築物之功能與 品質，並創造安全、健康、節能、便利與舒適之活空間的智慧型建築新趨勢其發展亦指 日可待。以下為智慧型建築之介紹：

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2.1.1 智慧型建築之概述與背景

首座舉世公認的智慧型建築（Intelligent Building）興起於西元 1984 年，美國 Connecticut 州 Hartford 市－City Place，其為一棟出租行的辦公大樓。City Place 建造之 初 並 非 刻 意 塑 造 成 智 慧 型 建 築 ， 真 正 引 領 City Place 走 向 智 慧 建 築 的 是 United Technologies Building Syistem(UTBS) ， 其 為 該 大 樓 的 住 戶 之 一 ， 並 為 United Technologies(UT)公司的關係企業。UTBS 承包了 City Place 大樓的空調、電梯及防災設 備等工程，並且以電腦與資訊、通訊設備的連線，提供大樓中其他的住戶，可以得到廉 價的服務。而由於擁有了區域網路（LAN）電腦以及數位交換機(Digital)連線的關係， 使大樓內的建築設備能予以統合及自動化。City Place 大樓當時採用最新型的空調、防 災設備及電梯等系統之技術，以提高節約能源的效益與達到綜合性安全為目標，更首度 創造住戶分享服務系統的制度(Share Hare Tenant Service），使住戶可以不必花大筆經費 購置各種昂貴的設備，即可以低廉的租金享受高效率的通訊與資訊設施，體驗通訊及辦 公室自動化的服務。另外還有文字處理、電子傳遞及科技性計算機等資訊服務。在建築 物安全設備上與資訊通訊上以及辦公室三方面大步跨出自動化的步伐，也因此創造出智 慧型建築這個名稱[1, 2]。 智慧型建築之所以有發展的潛能，歸究其因可能為資訊科技發展急速，使得人們對 於高科技的產品要求越來越高，更促成了周邊軟硬體設備不斷推層出新，以應需求，技 術提升的同時功能也越來越強大而精密，運用範圍廣泛就連建築業也受惠不少；再者， 由於資訊通信自由化，結合電腦設備使得商業資訊的傳遞更為便捷，更促成了經濟成 長。而建築智慧化不僅可以提升機能上的使用性，更可以為建築物與使用者增加居住的 安全性，總總原因都為建築本身帶來相當大的競爭力，是吸引人投資或使用的原因之一。 第一座智慧型建築的出現，帶領建築業跨向智慧化與資訊科技化的領域。與電腦設 備、資訊通訊技術與自動化控制技術整合促使建築物高層化、大規模化、智慧化與人性 化。因此配合數位化、網路化之時代潮流，推動電子商務化的同時，智慧型建築之建設 也成為國家推動資訊化之基礎建設之一。近年來，各國亦紛紛的將智慧型建築的數量作 為都市資訊化之指標。高資訊科技化的社會，人們的生活型態、居住與辦公的型態已漸 漸的改變了，生活空間與環境對電子化、資訊科技化、E 化、人性化的訴求越來越強烈， 因此打造智慧化的建築、住宅是現在與未來積極推動的目標之一 [3]。1989 年我國引進 智慧型建築之觀念，受到建築業高度的關心與重視，隨著建築物自動化理念的推動，各 相關產業也隨之活絡，一時之間「智慧型建築」謂為風潮，同時亦出現「高科技智慧型 辦公大樓」、「智慧型住宅」[4]、「網路住宅」等之名詞。但於當時建築物智慧化的理 念與程度，往往因成本的高低而大打折扣。由[5]的調查中可知建設智慧型建築往往是為

10 了提昇企業形象，提高建築附加價值，進而提高出租或售價之價值，但對於智慧型建築 之高度資訊通信機能、環境控制與節約能源效益、以及高效率使用管理等之概念就被忽 視了。智慧型建築中智慧化與自動化之設施與系統規劃於早期多仰賴國外之技術，但由 於我國於之法令制度、建築管理以及氣候環境的條件都與國外有所差別，導致推動智慧 型建築上產生困難[6]。 1992 年內政部建築研究所制定了台灣版之「智慧型建築指標與基準」[7]其主要乃 參考日本之「高度資訊化建築物整備事業融資推薦基準」。期間透過智慧型建築的現況 調查及研究，溫琇玲等人於 1996 年「智慧型公寓大廈自動化系統設計準則研究」[8]中 針對台灣提出智慧型建築物的定義，為「智慧型建築係指建築物及其基地設置建築自動 化系統 (BuildingAutomation System ，BAS)，配合建築空間輿建築體元件，從人體工學、 物理環境、作業型態及管理型態角度整合，將建築物內之電氣、電信、給排水、空調、 防災、防盜及輸送等設備系統與空間使用之運轉、維護管理予以自動化，使建築物功能 與品質提昇，以達到建築之安全、健康、節能、便利與舒適等目的」；又定義「智慧型 建築」基本之構成耍素需包括：(1) 建築自動化系統裝置 (2) 建築使用空間 (3) 建築運 轉管理制度，三部分。 2002 年內政部建築研究所委託溫琇玲教授等人，完成『「智慧建築標章」[3]之相 關作業要點暨評估系統之建立』的研究。2003 年「智慧建築標章」之相關作業要點之評 估方式已有可量化之指標評定基準。2003 年後，對於「智慧型建築」的評估準則與指標 操作之解說都可以透過「智慧建築標章」來評估。2003 年「智慧建築標章」的制定進ㄧ 步推動我國擁有屬於自己本土性的「智慧型建築」系統，而其主要設置的目的則為：(1) 智慧建築之建設乃是 21 世紀都市資訊化之標竿，透過智慧建築標章之推廣，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。(2) 透過智慧建築標 章之宣導與推廣，直接可提高我國建築之品質，間接更可提升國家競爭力。

2.1.2 智慧型建築之定義與基本架構

「智慧型建築」對美國而言是將結構、系統、服務、營運及其它性能作相互聯繫， 以達到高效率、高功能與高舒適性等之最佳化的組合。對日本而言，智慧型建築是有效 地利用現代資訊與通信設備，並採用建築自動化技術，使其成為具有高度綜合化管理功 能的大樓。對於台灣而言，1996 溫琇玲教授對智慧型建築的定義說明為「建築物及其基 地設置建築自動化系統（BAS），配合建築空間與建築體元件，從人體工學、物理環境、 作業型態及管理型態角度整合，將建築物內之電氣、電信、給排水、空調、防災、防盜

11 及輸送等設備系統與空間使用之運轉、維護管理予以自動化，使建築物功能與品質提 昇，以達到建築之安全、健康、節能、便利與舒適等目的。」，如表 2-1 所示；並定義 「智慧型建築」構成的基本要素包括：（1）建築自動化系統裝置（2）建築使用空間（3） 建築運轉管理制度[8]，如圖 2-1 所示，而建築自動化系統裝置的部分將於下一小節介紹 之。 表 2-1 各國智慧建築之定義 國家 智慧型建築之定義 美國 美國智慧建築學會(AIBI)定義智慧型建築乃是將結構、系統、服務、 營運及其相互聯繫全面綜合，並達到最佳組合，所獲得的高效率、高功能 與高舒適性的大樓。 日本 智慧型建築即是高功能大樓，是方便有效地利用現代資訊與通信設 備，採用建築自動化技術，使其具有高度綜合管理功能。並以追求經濟性、 機能性、可靠性與安全性為目的之建築物。 新加坡 智慧型建築必須具備3 個條件：第一具有保安、消防與環境控制等先 進的自動化控制系統，以及自動調節大廈內的溫度、溼度、燈光等參數的 各種設施，以創造舒適安全的環境；第二是具有良好的通信網絡設施，使 數據能在大廈內進行流通；第三是能提供足夠的對外通信設施與能力。 中國大陸 智慧型建築係指利用系統集成方法，將智慧型計算機技術、通信技 術、信息技術與建築藝術有機結合，通過對設備的自動監控、對信息資源 的管理和對使用者的信息服務及其與建築的優化組合，所獲得的投資合 理、適合信息社會需要並且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的建 築物。 台灣 是指建築物及其基地設置建築自動化系統（BAS），配合建築空間與 建築體元件，從人體工學、物理環境、作業型態及管理型態角度整合，將 建築物內之電氣、電信、給排水、空調、防災、防盜及輸送等設備系統與 空間使用之運轉、維護管理予以自動化，使建築物功能與品質提昇，以達 到建築之安全、健康、節能、便利與舒適等目的。

12 圖 2-1 「智慧型建築」構成的基本要素 「智慧型建築」的定義中我們可以知道構成「智慧型建築」的三個要素中以建築自 動化系統得設置最為重要，其目的是希望藉由自動化系統的設置來提升建築物的功能與 品質，進一步達到省能化、省工化，以符合「智慧型建築」追求環境的舒適性、安全性， 並且以最有效率安全的機能管理建築物。智慧型建築之基本機能之構成內容包括[9]：資 訊通信自動化（CA）、辦公室自動化（OA）、建築物自動化（BA）及建築環境對應機 能（AE）等四項機能，如圖 2-2 所示。而其內容包括： (1) 資訊通信自動化系統（Communication Automation，CA） 即通訊處理機能－ 目的是將建築物內所有電話串連成通訊網路，再透過數位交換 機（DPBX），構成整合式通訊網路，使建築物內外電話系統均可連接，藉此提供更多 整合式的服務功能，如：聲音、文書、影像、傳真郵遞等多樣化通訊傳輸功能，並提供 辦室、公司低價且高效率的通訊網絡、視訊會議和資料庫的連繫。 (2) 辦公室自動化系統（Office Automation，OA） 即辦公室自動化機能－ 利用區域網路（LAN）連接建築物內電話，個人電腦、工 作站、電腦中心等多種辦公設施，提供文書製作、輸出及保存、管理等機能；並且將個 人工作資訊傳遞至相關作業單位儲存，構成整體之工作網，以利辦公作業資訊的連續處

13 理，達到整合辦公室或全棟大樓的文書往返和資料處理工作，提昇工作環境的生產力及 管理水準。 (3) 建築自動化系統（Building Automation，BA） 即大樓管理控制機能－ 建築自動化系統是由大樓管理系統、安全系統以及省能源 系統等三要素所組成。為達到建築物的營運管理上的安全、省力、便利、經濟的功能前 提，藉由中央監控系統對於大樓內的空調、電氣衛生、電梯、消防、安全等各項設備， 執行監視、測試、控制解析、設定、維修、記錄、計測等作業；並對設備做的系統化控 制，同時室內分散設置的電子監控裝置，隨時感測室內環境的變化，並適時調整設備系 統的運轉來對應，在確保工作或居住環境的舒適性、安全性為原則下，有效率的管理設 備以節約能源。而本論文研究的範疇乃於「智慧型建築」防火系統的智慧化，故於 2.1.3 節與 2.3.3 節中將會對「智慧型建築」建築自動化系統與「智慧型建築」防火系統作一 番介紹。

(4) 建築環境整合系統（Architecture Environmental Integration，AE）

即建築環境對應機能－除上述自動化機能外，智慧型建築在規劃時，亦須對未來 長遠之擴充性、工作環境之舒適性，以及提高效率之支援服務等建築環境的整合做考 量。因此在建築環境對應方面，智慧型建築上所提供的機能可以分為建築空間、建築設 備、通訊設備三方面的對應機能。

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2.1.3 智慧型建築自動化系統

建築自動化系統(Building AutomationSystems，BAS)為「智慧型建築」基本機能中 最為重要的一部分。但自動化系統功能與種類則因建築物使用性質與需求不同的而有所 不同。建築自動化系統（BAS）基本技術必須包括三個部分：中央控制裝置、遠方控制 裝置以及終端裝置。通常由現場處理裝置、中央控制裝置、感測裝置、動作裝置與配線 構成，如圖 2-3 所示。基礎系統必須有一台電腦作為資料、數據收集以及分析、判斷並 發出控制動作能力的設備。而自動化系統之技術可視為整體化之統合技術與系統工程技 術，故必須具備下列所述之基本技術[10]： 圖 2-3 建築自動化系統基本架構示意圖 ( 資料來源：[7] ) (1) 感測器技術 利用感測器檢測室內的環境狀況，如溫度、濕度、風量、CO2 及冷、暖 流水量的計測等，以控制最佳環境狀況，並節約能源的消耗量。 (2) 控制技術 如：最適化控制、回饋控制及預測控制等。

15 (3) 軟體技術 如：自動化的專用作業系統、資料庫、程式語言、應用程式等，為提高自 動化系統的擴充性、可靠性、分散型作業系統、分散型控制程式和分散型資料 庫等軟體技術之必要技術。 (4) 通信技術 利用電腦通信、區域網路(LAN)及通訊迴路等構築，減少中央控制裝置和 遠方控制裝置間的配線量。 (5) 工程技術 為統合各設備系統及整合各項技術，必須具備良好的系統設計能力和現場 調整之工程技術，方能使自動化系統發揮最大效用。 以建築自動化系統的基本機能而言，建築物設置自動化系統的目的，是運用電腦等 科技技術，以整合建築物內的各項設備，使其運作與管理面都能達到省能、省力之目標， 並且提供使用者及居住者更舒適、安全、便利與具有效率的工作、居住環境。依機能而 言，可將自動化系統分為管理技術、機能分類與控制架構等三個層面，以下概述之： (1) 管理技術層面： 在管理技術層面，建築物自動監控系統必須包含機器狀態監視、機器的操 作控制及運轉記錄等三個技術層面。 (2) 機能分類層面： 於機能分類層面上，可將智慧型建築的建築自動化系統之機能概括分為三 類：大樓的管理機能、大樓的防災安全機能及大樓的省能源機能，如圖 2-4 所 示，其對應機能項目內容，如表 2-2。 (3) 控制架構層面：

建築自動化系統的基本控制架構包括 Input、Output 及 CPU。在 Input 部分則可包 含各種感測、攝影所取得的訊號、影像資料等；Output 部分則針對 Input 輸送進來的資

16 料，經訊號處理後產生反應，進而可啟動警鈴、自動警報器等動作，如圖 2-5 所示。而 在 CPU 部分則可包含各種資料庫、安全管理、能源管理、通訊資料庫等管理系統[11]。 圖 2-4 智慧型建築的建築自動化系統之機能 表 2-2 建築物自動化系統之機能分類 大樓管理系統 防災安全系統 省能源系統 1.設備機器最適起動控制 1.整合管理系統 1.照明設備的最適控制 (1)空調機器的最佳起動控制 (2)熱源機器的最適起動控制 (3)溫濕度的自動調整 (4)外氣量的最量控制 (5)設備機器小規模區域運轉控 制 (6)設備機器的預程運轉控制 (7)設備機器的設定值變更控制 (8)停復電的對應控制 (1)中央監控室 (2) 對 子 系 統 之 監 測 與 控制 (3)系統運轉控制 (1)自動調光控制 (2)自動點滅控制 (3)百葉窗簾的集中控制

17 大樓管理系統 防災安全系統 省能源系統 2.電梯群管理系統 2.防盜系統 2.電力設備的效率化運轉控 制 (1)防盜警報系統 (2)門禁管制系統 (3)人車監視系統 (4)電視對講系統 (5)停車管制系統 (1)契約容量控制 (2)變壓器的台數控制 (3)功率因數改善 3.設備狀態監視系統 3.滅火、防火控制系統 3.省能源空調系統 (1)電力設備的狀態監視 (2)衛生設備的狀態監視 (3)空調設備的狀態監視 (4)機械設備的狀態監視 (5)能源計劃 (1)火災感知警報系統 (2)自動防火點檢系統 (3)自動滅火系統 (1)熱回收空調 (2)蓄熱槽利用系統 (3)熱運搬動力的節省 (4)外氣冷房運轉控制 (5)冷媒自然循環空系統 4.建築設備資訊計測系統 4.電梯防範系統 4.太陽能利用的熱水系統 (1)設備資訊的記錄、分析機能 (2)維護資訊的計測機能 (3)設備機器的更改計劃機能 (4)機器備品的儲備及調派機能 (1) 火 災 時 的 管 制 運 轉 控制 (2) 地 震 時 的 管 制 運 轉 控制 (3) 停 電 時 的 管 制 運 轉 控制 (4)聲音應答的引導

18 大樓管理系統 防災安全系統 省能源系統 5.停車場管理系統 5.防災監視系統 5.省水系統 (1)瓦斯漏氣偵測控制 (2)漏氣偵測系統 (3)漏水偵測控制 (4)排煙控制 (5) 避 難 時 的 自 動 引 導 系統 (6)緊急時對應控制 (1)中水道設備 (2)省水型自動清洗 (3)排水控制 6.垃圾集中管理系統 6.防振系統 (1)耐震對策 (2)減振技術應用 (3)設備與管線耐振性 (4) 結 構 安 全 監 測 與 顯 示狀態 7.防水系統 8.防毒系統 (1)有毒氣體偵測、排除 及抑制擴散 (2)管材防洩阻斷裝置

19 大樓管理系統 防災安全系統 省能源系統 9.防爆系統 (1)爆裂物偵測系統 (2)防爆監控系統 ( 資料來源：[10] ) 圖 2-5 建築自動化系統之控制架構圖 ( 資料來源：[11] ) 而建築自動化系統之設備因應技術又可分為監視、控制、記錄及管理等四項機能。 建築自動化系統之大樓管理、大樓防災安全與大樓省能源之三項機能又可透過電腦整合 的功能，對建築物進行各項設備的管理，以達到大樓管理控制的效能[10]。

20 (1) 大樓管理系統方面： 有關建築物之機電及公共設備，包括設備控制系統（如照明、空調、衛生、給排水 等）、電梯管理系統、設備計測系統、停車場管理系統(停車空間的出入管制)及垃圾集 中管理系統等均納入。 (2) 防災安全系統方面 主要提供大樓的防盜、防災及電梯乘坐的安全監視。包括整合管理系統、防盜系統、 滅火、防火控制系統、電梯防範系統、防災監視系統、防震系統、防水系統、防毒系統、 防爆系統等。 (3) 省能源系統方面 以節約能源為目的，主要控制大樓的空調、使用水、照明等省能控制系統、電力效 率化的自動控制以及太陽能系統也可以是設置省能系統的考慮項目之一。 以中國文化大學環境設計學系之智慧型建築模擬實驗室為例，以全開放分散式之網 路控制技術來整合智慧型建築自動化系統，而其設置的項目包括：電力系統、照明系統、 空調系統、門禁防盜系統、火警系統、電話遙控系統、標準佈線系統、系統整合、自動 控溫節能系統等九項實驗系統，如圖 2-6 所示。

21 圖 2-6 智慧型建築模擬實驗室基礎系統之架構圖 ( 資料來源：[42] ) 本論文研究的主軸是「智慧型建築」的防火系統，故了解了防火系統之自動化設備 設置之重點後，下一節將由「智慧型建築」之「智慧建築標章」來探討系統設置之重點 與應用。

2.1.4 智慧型建築之標章

「智慧型建築」之標章設置的目的是為求智慧型建築出推廣之際可以有較容易執行 的評估方式，盡量以簡化及可量化之指標作為評估之依據，進而提升我國建築品質與國 家競爭力。透過「智慧建築標章」之推廣，促使我國建築自動化之技術更快速的成長與 應用。使建築物之管理朝「智慧型建築」智慧化的目標邁進並達到安全、健康、便利、 舒適、省能、環保以及人性化管理的目的，如圖 2-7 所示。

22 而「智慧建築標章」是「智慧型建築」的評分依據，其評估指標項目包括：資訊通 信、安全防災、健康舒適、設備節能、綜合佈線、系統整合及設施管理之七大項指標， 如圖 2-8。「智慧建築標章」之申請，於初期七項指標中須符合最少四項指標之標準， 其中必須包括「系統整合」與「設施管理」兩項門檻指標，其他則由申請者自行提出合 格之指標申請，以符合「智慧建築標章」之評定規定。「系統整合」之所以重要乃因建 築物智慧化程度與使用者操作自動化系統的方便性深受智慧型建築的系統整合技術與 等級影響，因此建築物的整合邏輯、程序與技術是判斷建築物是否具智慧化與智慧化程 度的依據；而「設施管理」則是為了落實智慧型建築之省能、省力與提高人性化空間之 目的，因為有良好的設施管理理念與流程，方能將建築物之智慧化發揮至最高境界。換 句話說，「智慧建築標章」是定義了「智慧型建築」可透過資訊通信之傳遞與綜合佈線 及系統之整合以達到建築物智慧化之目的，並由自動化技術提昇安全防災之功能，設備 連動監控之技術來達成節能之效益與提昇環境之健康舒適性，並藉由優良之設施管理以 維持智慧化功能之正常運作，近而提昇建築物整體品質[12]。 「智慧型建築解說與評估手冊」[3]是為落實各項指標之量化評估基準與指標操作之 解說而制定的，其已成為目前我國智慧型建築之評估依據，也是智慧型建築診斷的重要 依據。以下為其對智慧型建築七項指標個別意義之說明：

智慧化

人性化管理 安全 健康 便利 舒適 省能 環保 圖 2-7 建築智慧化的目標

23 圖 2-8 智慧建築標章評估指標架構圖 ( 資料來源：[3] ) (1) 資訊通信：智慧建築之資訊及通信系統應能提供建築物所有者及使用者最快速 及最有效率的通信服務，以期能確實提高建築物及其使用者的競爭力；因此資訊及通信 指標乃是評量建築物智慧化相當重要的一項指標。 (2) 安全防災：建築物除了要能滿足建築物的使用機能外，最重要的是要確保建築 物能防範各種災害，使建築物本身隨時維持其使用機能並且能保障使用者的生命財產安 全，避免造成任何傷亡或損失。然而在建築物的生命週期中，必然會遭受各種天然災害 或人為的蓄意入侵或破壞，因此如何以各種自動化系統事先防範或防止各種災害的擴大 以確保使用者的生命財產安全，成為評估智慧建築不可或缺的指標。 (3) 設備節能：為評估智慧型建築物之設備系統節能效益，以設備節能效益評量值 為評估指標，建築物用電以空調、照明、動力設備等為主，因此評估指標是以空調、照

24 明、動力設備等設備系統之各項系統構成之節能手法為評量依據，並考慮利用再生能源 之效益。 (4) 健康舒適：建築物除了要能滿足建築物的使用機能外，提供在室內工作者一個 舒適健康工作之場所，亦為重要之建築目標之一。智慧型建築物應用高科技技術與設 備，提供不同於一般建築物之空間服務功能時，若其能更臻於美質適意（AMENITY） 之環境，將可幫助室內空間使用者主觀感受提昇舒適健康程度，有助於滿足室內空間活 動之效益。 (5) 綜合佈線：綜合佈線系統是一套用於建築物或建築群內的傳輸網路。可將語音、 數據、影像和控制信號連結，也可使上述設備與外部通訊數據網路箱連結。一個良好的 佈線系統應具有開放性、靈活性和擴展性，且對其服務的設備有一定的獨立性。 (6) 系統整合：因應科技發展的潮流，系統整合目前已經一種必然趨勢，為了實現 建築物內之訊息共享與綜合應用，而成為系統整合的理想目標，因此推行系統整合指標 的評估，不但可以提高物業管理的效率與綜合服務的能力，降低建築物的營運成本，更 可以發揮在建築物內發生突發事件之控制與處理能力，將災害損失減少到最低限度。 (7) 設施管理：設施管理指標的目的在確保各系統的正常運轉並發揮其智慧化的成 效，且為使設施管理成效不因人而異，避免因人為之判斷及操控，導致管理作業標準成 效不一，故須建立標準作業管理程序，以達到節省人力及提高經濟之效益。 「智慧建築標章」中，又以「安全防災系統」項目常被視為建築物自動化（BA） 中一個非常重要的獨立子系統，整個系統的運作除可藉由建物中智慧化的綜合管理系統 來做整合連動的操作控制外，更可於必要時可脫離其他系統或網路之情況下獨立運作。 對於建築物各種災害的防制，首先須先滿足我國現有的法令與規範要求，尤其是防火及 耐震等方面，目前已有各種相關法規加以規範，因此在「智慧建築標章」中所提出的安 全防災指標著重的是「主動性防災」以及各自動化系統間之整合及連動程度的評估，鼓 勵建築物朝向更優質的目標來規劃及建造，有別於要求建築物滿足最低設置標準的現有 法規，著重觀點大不相同。而本論文主要研究之目的為「智慧型建築」防火系統，故以 下將介紹「智慧建築標章」中之「安全防災系統」的相關規定與建議，並於 2.3.3 節中 加以探討「智慧建築標章」對「防火系統」設置之建議與要求。 「智慧建築標章」中之「安全防災指標」著重於「主動性防災」及各自動化系統間 的整合與連動程度，因此智慧型建築物之設計除了須滿足建築技術規則[13] 、耐震或防 火等等之設計規範，還須對地震、水災、火災等災害有主動性的智慧化防範機智，以確

25 保建築物除了能滿足使用機能外，還能夠防範各種災害，並減少傷亡與生命財產的損 失。建築物在使用的生命週期中難免會遭受到各種可能的災害，因此評定建築智慧化程 度，自動化的防範或防止災難的系統是絕對不能遺漏的一項重要指標。而所謂的系統智 慧化程度指的是該系統主動防制災害的性能及與其他系統連動的情形[14, 15]。而所謂的 「安全防災」指標又可依目的可分為「建物防災」與「人身安全」兩個指標項目，如圖 2-9。其中，「建物防災」指標乃是用來評估建築物藉由自動化系統對地震、水災、火 災等災害事先防範或防止其擴大的智慧化性能指標項目；而「人身安全」指標則是用來 評估建築物藉由自動化系統對盜匪入侵或人為故意破壞或毒氣外洩等危害或威脅建築 物使用者人身安全等事故事先防範或防止其擴大的智慧化性能指標項目[7, 16]。表 2-3 為「智慧建築解說與評估手冊」對於每一項指標之評定基準與評估項目之內容的說明。 圖 2-9 安全防災指標之指標項目

26 表 2-3 安全防災指標評估項目及其意義表 指標名稱 指標項目 評估項目 評估內容說明 安全防災 建物防災 防火系統 評估建築物防火系統，如火警警報、人員疏散 導引、自動滅火及消防設備監控的智慧化程 度。 防 震 抗 風 系統 評估建築物防震或抗風系統，如隔震、制震、 抗風以及結構體安全狀態監測設備的智慧化 程度。 防水系統 評估建築物防水系統，如對滲漏水預警及滲漏 水監視設備的智慧化程度。 人身安全 防盜系統 評估建築物防盜系統，如門禁管制及防盜監控 設備的智慧化程度。 防 破 壞 系 統 評估建築物防破壞系統，如偵測爆裂物、防止 人為蓄意破壞的智慧化程度。 防 毒 氣 系 統 評估建築物防毒氣系統，如瓦斯外洩偵測及警 報設備的智慧化程度。 緊 急 求 救 系統 評估建築物緊急求救系統，如使用緊急按鈕求 救設備的智慧化程度。 ( 資料來源：[3] ) 「智慧建築解說與評估手冊」雖為方便評估而設置了評分重點與可量化的評估方 式，以將各種評估基準來加以界定，但最重要的規劃設計觀念，還是要配合「系統整合」 之觀念，方能有更完善之規劃。圖 2-10 為安全防災整合系統之示意圖，可作為安全防 災系統規劃設計之參考。

27 圖 2-10 安全防災整合系統示意圖 （ 資料來源：[43] ） 安全防災系統設置的重點除了各項硬體設備之整合外，還須能夠讓各子系統間有相 互連動之功能，並彰顯系統智慧化之效能，例如： 1. 當防火系統確認發生火警時，能立即連動語音緊急廣播系統說明火警發生樓層及 位置，並啟動具有聲響的避難指示燈，以導引人員順利疏散避難。運轉中之電梯強制運 轉至地面層或避難層疏散人員，除緊急升降電梯於地面層待命以備消防人員使用外，一 般電梯停止運轉。 2. 當盜匪入侵時，防盜系統除啟動防盜警報外，也能連動門禁系統關閉被入侵區域 之門禁，啟動被入侵區域之照明設備以恫嚇盜匪，並以自動語音電話系統撥打 110 向警 察機關報案。 3. 當有人使用緊急求救系統求救時，能連動照明系統及防盜系統之監視設備，以攝 錄求救地點之畫面。

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2.1.5 智慧型建築未來之展望

根據[1]對智慧型建築自動化之調查及分析可看出智慧型建築普遍存在的問題與實 際運作或推廣之困難面，在於： (1) 智慧型建築於自用大樓之情況下較能完整發揮其智慧化之功能，而出租型大樓 通常只對 OA 設備進行管線空間等之預留，實際設置之狀況仍需視建造成本及 業主之需求而設置，絕大多數落實智慧化的程度偏低。 (2) 許多建築物花費鉅資裝設自動化設備後，卻苦於業主及操作人員的不熟悉與設 備未善加維護等因素以致設備荒廢無人操作管理之窘境。 (3) 智慧型自動化設備大多數均仰賴國外之技術，於使用上容易產生產品兼相容性 之問題或設備維護之困難，導致使用者與管理者對智慧型自動化設備之認知不 高，學習興致缺缺。 (4) 甚至有許多國外設備引進至台灣後因氣候及人為條件之不同，而導致產生適應 不良及不合使用， 而本論文在此則是提出以無線感測網路的技術取代傳統智慧建築的感測系統，以增 加感測之靈敏度與準確度，並改善感測系統的裝置、操作與維護之困難度，再以結合網 頁資料庫系統之概念，提供使用者無線感測網路之感測資訊查詢平台。系統開發之目的 乃希望透過無線感測網路與網頁資料庫系統之技術的整合，可以達到以最快速的處理機 制管理感測資訊，並呈現最即時的感測資訊與主動控制服務，使此資訊平台有如智慧型 建築之中央控制系統的效能卻不再侷限於某處，而是可以透過無遠佛界的網際網路，提 供更多的使用者或關係人更充足、更智慧且即時的感測資訊。 而下面之小節則將針對本論文所欲開發之「智慧型建築之無線感測網路防火資訊系 統」所運用到的相關背景知識做文獻回顧，其內容包括：2.2 節－無線感測網路、2.3 節 －建築物防火系統與 2.4 節－網頁資料庫系統。

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2.2 無線感測網路概述

無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)是以感測為主要功能所發展出來的網 路架構模式。近幾年來，由於微型製造的技術、通訊技術及嵌入式處理技術的迅速發展， 促進了微小的電子裝置可以內嵌精密感測、計算及通訊等多樣化功能之發展。無線感測 器不但能偵測及感應環境的變化，還能夠進一步分析所收集到的感測資料，並透過無線 通訊的方式將感測資料傳遞至後端－PC 終端機，進行儲存、運算及傳輸，並作適當之 回應。無線感測網路具有無線、長距皆通、網路可自動多重跳接、超省電電池長時使用 等優點，亦可以做為即時感測的無線遠端監測設備，可應用的領域相當廣泛，真可謂： 「上至太空，下至深海」。舉例來說包括：農業相關及環境監測、人員現況追蹤、貨物 倉儲及物流、無塵室廠房監控、工業生產流程、智慧型居家保全、軍事後勤及警察巡邏 等。未來，若能再與手機、PDA 等行動通訊技術整合，無線感測網路將更能達到無所不 在（Ubiquitous Computing）的境界了。 無線感測器使用於一定的範圍內，受地形或環境的影響較小，限制不大，但實際的 運用上，感測器的選用與感測架構整體的規劃仍需考量到實際感測環境的種種影響因素 與感測目的，以選擇適當的感測器與感測模式。而本論文研究與討論的重點在於無線感 測網路於智慧型建築防火系統的應用面與效益。故本節的重點將介紹無線感測網路與無 線感測網路運用於防火系統的相關研究與應用之討論。

2.2.1 起源與概念

近年來由於無線網路技術及微電子機械系統(MEMS)技術的進步，電子設備能力提 升且設計的越為輕巧。促使無線感測網路成為具備了體積小、無線通訊能力與可自組網 路型態等特性與優點之小型嵌入式系統，這也是為什麼微型無線感測網路(Wireless Sensor Network)受到大眾注目並廣泛討論其應用於生活上的原因了。 無線感測網路最初開始於一項軍事應用計畫，是由美國國防部先進研究計畫局 (Defense Advanced Research Projects Aqency，DARPA)輔助的。主要目的是希望利用微 電子機械系統(MEMS)的技術，開發出一種體積小且具無線通訊能力的感測器，並將此 裝置散佈於戰場上，收集所需的相關環境資料，以達到在戰場上可以監控與了解敵軍的 行蹤，而不必花費龐大的人力及資源，並可不冒生命危險及可適時掌握敵軍的狀況。這 項軍事行動運用於無線感測網路之技術，不但可以得到更多敵軍的資訊，另一個好處則 是透過廣微佈設的感測器，可減少被敵軍清除而造成的影響[17]。

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無線感測網路(Wireless Sensor Network)是以「偵測」為目的，由數個具有無線通訊 能力的資料收集器(Access Point)和眾多的感測器(Sensor Node)所構成的網路系統，如圖 2-11。可以提供使用者在不受地形或環境的限制下，於特定的範圍內，以感測器偵測簡 單而大量的資料，透過一連串資料的收集、儲存及運算後再以無線傳輸方式傳送至資料 收集器，再以有線傳輸的方式將資料傳送至 PC 端，以利使用者對資料進行分析，並做 出適當的回應。 圖 2-11 無線感測網路系統組成與傳輸模式概念圖 無線感測網路之感測器的設計乃以省電、價格低廉、體積小且具有感應環境裝置為 目標。感測器的概念就好比一台配有簡單的感測、運算、無線傳輸等裝置的小型電腦。 使用者可針對欲偵測的事物進行偵測，所收集的資料將會先做簡單的運算處理再透過無 線傳輸裝置將資料傳給資料收集器。無線感測器配置的方式，可大量潑灑在所要偵測的 範圍內，從數十個至上千個，能使網路成員數量相當龐大，但也由於感測器在任意散佈 的情形下，感測器間並不知其相對位置，故在無線感測網路的通訊協定中須制定強大的 定址能力，加上大部分的無線感測網路應用的環境容易影響網路成員的狀態，使網路拓 樸型態有所改變（如位置改變或裝置被破壞等），故無線感測網路還具備了自我組態 (Self-Organization)的能力，自動組織出一個通訊網路，使感測區域中的感測資料，均能 透過自我組態建立網路，並將資料傳送到資料收集器。無線資料收集器的功能類似閘道 器(Gateway)能將資料透過傳輸媒介(如:internet、衛星…等)，傳送到後端伺服器(Server)， 即應用程式或管理者[18]。 上一段中提到無線感測網路可運用的範圍相當廣泛，在此舉例說明之，除了應用於 軍事領域上，以偵測及監控敵軍為目的外，還可包括：應用於展覽館、博物館、畫廊、 圖書館等。，此類場所之應用主要是以保全為目的防止盜竊、觸摸或任意搬動等的情形；

31 應用於醫療上，可將體積很小的感測器放在病人身上，由遠端的家庭醫生對病人進行病 情變化的監控、監測，以發揮遠端照顧之功能；應用於環境健康狀上的感測，可透過持 續性環境監測得到環境的氧氣濃度或環境汙染程度等之資訊；學術上的研究應用如生態 監測，利用目標追蹤的技術去追蹤在野生環境裡的動物，研究其移動的路徑或習性[19]。 另外，還有近年來廣為推行的智慧建築、智慧家庭等智慧化的運用，透過廣為佈設的感 測器對建築物或居住環境加以監控並給予智慧化的判斷與調適。於室內環境主要是環境 舒適度的監測與控制使人們可以有更舒適、便利的生活環境；於防災方面亦有相當多之 研究與應用，如應用於隧道防火或室內防火系統之偵測，於火災現場，透過感測與系統 定位之能力，將有助於消防隊員與救災人員掌握災害環境的狀況，以提升救難行動的效 率與降低災情與損失，甚至可即時偵測到火災的發生，及早做出判斷，以增加逃生與救 火的黃金時刻。由於無線感測網路於環境偵測的能力上相對於傳統感測器是具有優勢與 前瞻性的，因此本論文研究重點即以防火為目的，討論無線感測網路取代傳統智慧型建 築之感測器的可行性與效益、優勢。 無線感測網路的技術源至於美國，其中又以麻省理工學院、加州大學洛杉磯校區、 加州柏克萊大學比較具有代表性且有美國國防部先進研究計畫局(DARPA)的贊助，其將 無線感測網路技術分成幾項專案，以分工的方式進行各項研究。以下為研究無線感測網 路之單位的相關簡介[17]： (1) 麻省理工學院:

探 討 感 測 器 網 路 的 主 要 研 究 計 畫 為 μ AMPS( μ -Adaptive Muti-Domain Power Sensors)。LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)與 SPIN(Sensor Protocols For Information Via Negotiation)為μAM 的兩項主要計畫。前者是爲了改善原有的叢業網路 (Cluster/Group Network)，發展一個新的叢集式網路，目的是先在區域感測器端處理資料 以降低全區域的通訊量，然後在隨機選擇叢集頭和遠端的基地台通訊，以便工作量可以 分擔在所有的感測器端，使感測器網路減少不必要的能源耗損，進而增加系統生命週 期。而後者是免除在網路上傳輸過多不必要的資料而耗損能量，特徵在各個感測節點須 事先協商才傳送資料，以免除網路不必要的資料氾濫狀況，且各個感測節點可知道其現 存能量多寡，以對路由作適當的調整，並提高能量使用的效率。 (2) 加州大學洛杉磯校區 加州大學研究領域主要分為四個部份:無線網路、低功率與能量探知系統、內嵌式網 路及整合式無線網路感測器。

32 無線網路的部分-主要著重在低功率鏈結層的通訊協定，以及硬體上可重設定的節 點、以低功率 I/O 為中心的無線多媒體節點。 低功率與能量探知系統部分： 主要研究剩餘能量探知系統，而因應低功率消耗網路系統，以乾電池為電力來源， 爲了達到持續幾個月不需要更換電池，則平衡運算與傳輸之間所耗能量的比例是其研究 重點。 內嵌式網路系統部分： 主要研究將感測網路融入生活當中，並應用在我們生活週遭，因此其針對網路的探 測、最佳化管理設計、以及應用的發展等，進行深入的研究。

整合式無線網路感測器(Wireless Integrated Network Sensors ; WINS )部分：

以分散式網路架構建立，並以監控能力對運輸業、製造工業、醫療發展、環境監視 及安全監測為應用，並對整體提供感測、區域控制及內建智慧系統以提昇整體效能。

(3) 加州柏克萊大學

此校以 Smart Dust 專案與 WEBS 專案為主，前者以驗證感測器硬體最小化的可行 性為目的，將感測器、微處理器、電源及雙向無線傳輸整合在一立方英吋的微小節點上， 使感測器在整合最小化設計與能源管理方面，有了更進一步的革新。後者是一些有關實 驗平台的開發研究，與 Crossbow 公司合作，開發出一個研究用實作的硬體(MICA)，並 開發出專屬的內嵌式作業系統(TinyOS)；此外其模擬工具亦陸續開發中，此類工具可模 擬實作情況，如:模擬器顯示路徑的選擇、能量之耗損情形等多項功能。

2.2.2 無線感測網路的硬體架構

無線感測系統的硬體基本架構主要是由感測端、接收端與個人電腦所組合而成的， 如圖 2-12 所示。其中感測端即無線感測單元又包含了資料擷取模組、無線傳輸與控制 模組，其元件組成如圖 2-13 所示；接收端即無線接收單元，其主要元件包含了無線傳 輸與控制模組、基地台，其組成如圖 2-14 所示。當感測端偵測到訊號時，會將訊號透

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過無線傳輸之方式傳遞至接收端，再藉由基地台(Gateway) 以 RS-232 有線傳輸的方式將 資料傳送至個人電腦，使用者即可對資料加以處理與分析以得到更多資訊[20]。

圖 2-12 無線感測系統的硬體架構

34 圖 2-14 無線感測系統之接收端

2.2.2.1 感測器的硬體設計

無線感測網路是由多個無線感測器所構成的感測節點所組成的。無線感測器本身就 像一台配有簡單的感測、計算、無線傳輸等裝置之微電腦。感測裝置則可針對環境中要 感測的物體(如溫度、光源、溼度、震動等)進行感測。而無線感測器又可分為四個主要 部份[18]，如圖 2-15 所示： （一）感測單元(Senser Unit): 感測單位主要包含兩部份:一者是感測元件(Sensor)，負責感測四周環境資料，並將 蒐集到的資料以類比訊號表示；另一者是訊號轉換元件(Analog-to-Digital Converters， ADC)，負責將感測元件感測到的類比訊號經過取樣轉換成數位訊號，並將資料送到微 處理單位加以處理。根據不同的應用，可添加其他可相輔助的感測器，例如應用在火災 感測上，可同時在感測器上增設溫度感測、煙霧感測及燈光感測等感測元件，用以增加 資訊的完整性，使讀取的資料更完整。