國科會 GRB 編號：PG10201-0564 本部計畫編號：102301070000G0026
電子火災逃生指示地圖與避難
引導系統研究
受 委 託 者
中華大學
研 究 主 持 人
游坤明
協 同 主 持 人
鄭紹材
研 究 助 理 徐煥博
簡紹庭
內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告
中華民國 102 年 12 月
(本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見)
I
目次
目次 ... I
表次 ... III
圖次 ... V
摘要 ... VII
Abstract ... XI
第一章
緒論 ... 1
第一節 研究緣起與背景 ... 1
第二節 火災災例分析 ... 6
第三節 研究方法與進度說明 ... 11
第二章
理論與文獻分析 ... 13
第一節 逃生導引相關研究 ... 13
第二節 火災中避難人員之行為特性 ... 14
第三節 無線射頻辨識系統 ... 16
第四節 ZigBee 無線感測網路 ... 24
第五節 數位電子看板 ... 30
第三章
電子看板設立環境分析 ... 33
第一節 電子看板概論 ... 33
第二節 地區分類與應用 ... 36
第四章
系統規劃及架構 ... 41
第一節 系統架構 ... 41
II
第二節 逃生演算法 ... 47
第五章
研究成果及情境展示 ... 57
第一節 研究成果 ... 57
第二節 情境展示 ... 68
第六章
結論與建議 ... 73
第一節 結論 ... 73
第二節 建議 ... 74
附錄一 已發表之論文 ... 77
附錄二 歷次工作會議紀錄 ... 83
附件三 專家學者座談會紀錄 ... 107
附錄四 期初意見與處理回查表 ... 113
附錄五 期中審查意見與處理回查表 ... 117
附錄六 期末審查意見與處理回查表 ... 121
參考書目 ... 131
III
表次
表 2- 1 RFID 的頻率分類 ... 21
表 2- 2 不同通訊協定間的比較 ... 26
表 2- 3 五大類媒體比較 ... 31
表 2- 4 不同廣告形式的比較 ... 32
表 3- 1 數位廣告看板與其他媒介之功能屬性比較表...34
表 3- 2 數位看板與靜態訊息傳遞之製作流程比較表 ... 35
表 3- 3 建築物之使用類別、組別及其定義 ... 36
表 3- 4 針對現有設立電子看板之場所分類並分組 ... 37
表 4- 1 中央監控模組及資料庫模組軟硬體平台...42
表 4- 2 ZigBee 感測器及 ZigBee 控制模組軟硬體平台 ... 43
表 4- 3 RFID 讀取器及 RFID 控制模組軟硬體平台 ... 43
表 4- 4 數位電子看板軟硬體平台 ... 46
表 5- 1 中央監控系統功能特色...58
表 5-2 成果比較表 ... 67
表 5- 3 本研究所發展技術 ... 72
V
圖次
圖 1- 1 近年來火災發生次數與傷亡人數情形 ... 1
圖 1- 2 電子看板應用 ... 4
圖 1- 3 嘉義市財神世界大樓火災 ... 7
圖 1- 4 台北市白雪大旅社火災外觀 ... 8
圖 1- 5 台北市白雪大旅社火災起火點及 2F 平面 ... 8
圖 1- 6 台中市哈克飲料店火災外觀 ... 9
圖 1- 7 台中市哈克飲料店火災模擬圖 ... 9
圖 1- 8 研究方法之流程圖 ... 12
圖 2- 1 RFID 架構圖...18
圖 2- 2 RFID 讀取器... 19
圖 2- 3 RFID 感應器... 20
圖 2- 4 VSLS 系統環境 ... 23
圖 2- 5 本研究之 RFID 系統流程圖 ... 24
圖 2- 6 ZigBee 堆疊(stack)架構 ... 25
圖 2- 7 ZigBee 於智慧住宅中的應用 ... 27
圖 2- 8 使用 ZigBee 傳輸的亮度感測器 ... 28
圖 2- 9 星狀、網狀、樹狀拓樸結構 ... 29
圖 3- 1 台北火車站電子資訊看板...38
圖 3- 2 京站百貨 電梯中間之電子看板 ... 39
圖 3- 3 台北地下商街 電子看板 ... 39
圖 3- 4 捷運系統電子看板使用 ... 40
圖 4- 1 系統架構關係圖...41
圖 4- 2 數位電子看板運作與執行流程圖 ... 45
圖 4- 3 本研究所研發之電子看板硬體架構圖 ... 46
圖 4- 4 內政部建築研究所 13 樓平面圖 ... 48
圖 4- 5 轉換後之內政部建築研究所 13 樓連通圖 ... 48
圖 4- 6 區域最低問題 ... 50
圖 4- 7 綠色點為走廊、藍色點為房間，空心的節點代表出口 .. 50
圖 4- 8 發生火災事件 ... 51
圖 4- 9 容納人數 ... 51
圖 4- 10 區域高度 ... 52
圖 4- 11 區域最低偵測，橘色為發生問題的區域 ... 52
圖 4- 12 依照距離出口遠近的順序依序進行區域最低的解決 ... 53
圖 4- 13 解決區域最低之後所有區域的區域高度 ... 54
VI
圖 4- 14 逃生路線指引 ... 54
圖 4- 15 偵測危險區域 ... 55
圖 4- 16 修改之後的路徑規劃 ... 55
圖 5- 1 智慧導引資料庫綱要(Data Schema)...57
圖 5- 2 依指定平面圖編號，讀取地圖資訊 ... 59
圖 5- 3 滑鼠移動至感測節點，並呈現感測資訊 ... 59
圖 5- 4 中央監控系統呈現人員資訊 ... 60
圖 5- 5 中央監控系統回報火災事件發生地點 ... 60
圖 5- 6 中央監控系統顯示數位電子位置 ... 61
圖 5- 7 由中央監控系統變更數位電子看板內容 ... 61
圖 5- 8 物聯網研究中心與 RFID 讀取器建置位置 ... 64
圖 5- 9 本研究之 RFID 定位架構圖 ... 64
圖 5- 10 廣告模式之運作流程圖 ... 65
圖 5- 11 廣告模式實際運作圖 ... 66
圖 5- 12 逃生模式之運作流程圖 ... 66
圖 5- 13 逃生模式實際運作圖 ... 67
圖 5- 14 無火災狀態下中控系統之區域監測與人員定位圖 ... 69
圖 5- 15 火災時中控系統所見之發生位置與環境、人員監測圖 . 69
圖 5- 16 無火災發生狀態下數位電子看板所見之廣告畫面 ... 70
圖 5- 17 火災發生時的數位電子看板之逃生畫面 ... 71
圖 5- 18 各數位電子看板依照自身位置顯示逃生方向 ... 72
VII
摘要
關鍵詞：無線感測網路、位置感知、緊急逃生導、電子看板 一、 研究緣起
根據美國人口調查局(United States Census Bureau)估計，至 2013/01/04 止全球人口總數已達 70.57 億人，在人口不斷增加且大部分及集中於大型都市的 情況下，建築物發展越來越趨向高樓層化高複雜。根據內政部消防署的統計資料， 民國 99 年全台共發生 2186 場火災，造成 391 傷亡，至民國 101 火災發生次數雖 然已經降至 1574 場，但仍造成 428 人傷亡，火災發生次數雖然下降，但傷亡比 例反而升高。當火災這類的緊急狀況發生時，人們通常只能依循固定式的逃生導 引標記做逃生，也無法得知火災發生的地點以及最有效與最安全的逃生路徑，因 此本計畫「電子火災逃生地圖與避難引導系統研究」，預計以無線感測網路、無 線射頻辨識系統與即時的火場逃生路線指示三大系統，將環境及人員資訊結合電 子看板，在發生火災事件時提供大樓內人員即時避難路線指引以加速逃生過程， 達到迅速逃生、減少傷亡之目的。 二、 研究方法及過程 本計畫旨在研製結合無線感測網路、無線射頻辨識系統之室內電子火災逃生 地圖與避難引導系統之雛型示範系統。其中包含無線感測網路、無線射頻辨識系 統、中央控制系統、以及逃生路徑演算法等子系統。為達成以上目標，擬採用以 下研究方法： 1. 文獻資料分析法： 採用次級資料分析法，蒐集國內外相關研究主題之文獻資料，並分析與本研 究之相關性，提供所需之工具與領域知識。擬回顧之文獻，包括國內外 ICT 技術 之發展、國內外智慧型防火防災技術之發展等文獻。 2. 子系統功能建構： 無線感測網路、無線射頻辨識系統、中央控制系統、逃生路徑演算法與數位 電子看板系統等各子系統之功能分別建構。 3. 系統整合及驗證： 實際建構一套室內電子火災逃生地圖與避難導引系統，並進行相關驗證以確 保系統可正常運行。
VIII 4. 專家學者座談法： 邀請國內專家學者進行座談會議，以議題討論方式，進行研究內容審視及改 進。 三、 重要發現及成果 本研究經過文獻資料分析以及系統實際建構，研究重要發現及成果歸納如 下： (一)目前雖已有許多探討逃生導引之文獻，但多以探討如何計算出平面中整體逃 生方向為主，較少有針對大樓中個別人員進行逃生路線運算以及分群逃生導 引之探討。本研究所提出之逃生演算法是以空間中人數以及可進行逃生之出 口數量進行人員分群之逃生導引，並以數位電子看板提供即時之逃生導引， 以解決在逃生時可能產生因出口負荷不足所發生之人員壅塞問題。 (二)本研究將所提出之逃生導引演算法以多層架構實作出一套電子火災逃生指 示地圖與避難引導系統之雛型系統。各部份之實作成果如下： 1.中央監控系統及資料庫系統 電子火災逃生指示地圖與避難引導系統由 ZigBee 無線感測網路、RFID 無 線射頻定位資訊、數位電子看板、智慧逃生演算法及中央監控系統組成。中 央監控系統負責各模組的資訊流與控制流之傳遞，並且提供監控介面與設定 介面來針對個別電子看板作不同廣告設定或針對感測器目前做監控，來達到 系統運作的完整性。事件主動觸發是有效及即時預警的關鍵技術，本計畫運 用觸發程序 (trigger) 做為感測值異常的通知機制。系統功能特色，如下： (1) 多平面圖支援。 (2) 呈現環境感測資訊。 (3) 呈現人員定位資訊。 (4) 呈現火災事件資訊。 (5) 數位電子看板提供即時之逃生導引 2.無線感測網路 ZigBee 高效率資訊傳遞
利用 ZigBee Sensor 以及 ZigBee Controller 以主控端主動詢問方式進行， ZigBee Sensor 依照指令回傳資訊方式進行環境資料的蒐集，可避免因回傳 資料數量過多而容易造成系統無法負荷的問題。系統並且測試不同傳輸速率 對於系統負荷的影響以及調整下達指令的方式，讓資料蒐集在速率以及系統
IX 負荷之中取得平衡點，可即時反映出環境中之溫度、濕度、照度實際情況。 3.RFID 即時人員定位 利用 RFID Reader 接收到標籤之訊號，進行人員位置蒐集，透過多讀取器接 收到相同標籤之訊號強度不同進行位置定位，並以虛擬指引點模型進行虛擬 化定位機制實作，系統導入 VSLS 定位機制，大幅降低佈建實硬體設備成本， 並使用線上(On-line)以及離線(Off-line)的概念大幅提升定位精準度。 4.智慧逃生導引演算法 本研究提出之逃生導引演算法，分為三大部分，分別是初始的環境參數前處 理、火災發生時的逃生路線規劃，以及進行導引時持續的對整體環境進行監 控及意外排除。將 ZigBee 以及 RFID 所感測之資訊整合之後，以微觀的人群 心理層面帶入宏觀的整體路徑規劃之中，在規劃路徑同時顧及人群可能因心 理慌亂而影響外在行為表現，並且在導引時將人群往不同出口分群導引的方 式減輕出口以及逃生路徑的負擔。報告中並利用建築研究所 13 樓平面圖轉 換成逃生演算連通圖，以圖說方式說明智慧導引逃生演算法如何規劃修正成 最佳之逃生路線。 5.數位電子看板導引系統 本研究運用數位電子看板實作出即時逃生導引系統，即時逃生導引系統以 APC Rock 開發版為原型與螢幕、無線網路接收器連接方式完成不受地區環 境限制之即時逃生導引數位電子看板，透過電子看板與資料庫中編號相互對 應，數位電子看板可依不同建置位置提供不同的廣告或逃生導引資訊，數位 電子看板分為兩種不同功能模式，分別為廣告模式與逃生模式。 (1) 廣告模式： 在沒有火災的情況下，數位電子看板可以經由主控端針對各地區或各場 所需之廣告或公告設定於電子看板上，並以廣告樣式顯示在畫面上。 (2) 逃生模式： 當火災發生時，系統會主動的切換數位電子看板的功能模式，將廣告模 式切換成緊急逃生模式，並以顯眼的箭頭標示出經由逃生演算法運算後 所獲得之適當逃生方向。在逃生時，數位電子看板會因本身的所在位置 與逃生演算法所給予的方向顯示其最佳的逃生方向。 (三)本系統之中央監控系統除提供管理者一個統一的管理介面，亦可供大樓管理
X 人員動態及提供消防人員進行環境資訊、人員狀態、火災預警資訊等監控， 也提供各區域所需進行廣告變更或，在中央監控系統中，也提供資訊傳遞之 功能其中包含廣告或公告之資訊提供、火災事件發生之資訊提供、系統資訊 管理介面三種模式，對於初期火災發生時，建築物內部情況之研析及消防搶 救行動之決定皆有實質助益。 四、 主要建議事項 本研究在結合電子火災逃生地圖與避難引導系統研究方面提出下列具體建 議。 建議：推動「大型公共開放空間之智慧型緊急避難導引系統」 主辦機關：內政部建築研究所 本研究「結合電子火災逃生地圖與避難引導系統」之研究成果，適合於特定 空間之使用，如一般的辦公大樓，在此特定的空間中人員均配戴員工證(RFID 標 籤)，本計畫之研究成果可執行 RFID 即時人員定位功能，數位電子看板並可依不 同建置位置提供不同的逃生導引資訊，但在大型公共開放空間卻無法精準地計算 出人員之數量與分佈狀況，如何運用影像辨識技術進行避難者標示及計數，並針 對環境中避難者分布情形以及環境狀態即時建構一個可有效且具人員分流能力 之智慧型緊急避難導引雛型系統，可將避難者快速導引往出口避難，並以持續更 新導引資訊方式即時依據環境狀態反應於導引路徑上，「大型公共開放空間之智 慧型緊急避難導引」將可使貴所近兩年來所持續發展之內容成為一套可廣泛應用 於多種不同類型建築物且不受環境型態影響之緊急避難導引系統。
XI
Abstract
Keywords:Wireless Sensor Network、Location Sensitive、Evacuation Plan、digital signage 1. Background
According to United States Census Bureau estimated, there had 7.057 billion of people on the world till the end of 2012. It leads building become higher and complicated in the city. Therefore, in this project, we will focus on how to design and implement a fire evacuation e-Map and evacuation guidance system by integrating wireless sensor network, RFID, and real time emergency evacuation methodology. There are 1620 fires less in Taiwan from 2007 to 2011 according to the statistics of National Fire Agency. However, the number of people dead in the fire did not decrease in an equal proportion from 2007 to 2011. The environment is complicated and guidance is not explicitly enough are the two main issues. Therefore, we will investigate how to integrate ZigBee wireless sensor network, RFID indoor localization technology and real time evacuation guidance to accomplish a real-time fire evacuation e-Map to guidance evacuation route. Also, in the project, we will use digital signage to display the evacuation guidance for users, which are provided by the central control system to guide people in the building in case of fire to speed up the evacuation process, achieve the purpose of escape quickly, reducing casualties.
2. Methodology
In this project, an intelligent fire evacuation e-Map and evacuation guidance system was proposed and a demo site was also built. Wireless sensor networks (WSNs) consist of node were used for monitoring physical environment conditions such as temperature, humidity, light, etc., and RFID was used as an indoor location sensing system. The system could continuously monitor the environment conditions and marked the cause place of fire accident event. Moreover, the system could immediately build a real-time fire evacuation e-Map to guidance evacuation route and could notify the people in the building about fire event using digital signage to display the evacuation guidance for users.
3. Important Results
Following works had been done.
(1) Apply wireless sensor network and RFID indoor localization to build up an evacuation guidance system.
XII
(2) Efficient wireless sensor network data routing patterns for ZigBee. (3) Real-time RFID indoor location sensing system.
(4) Implements a real-time fire evacuation e-Map to guidance evacuation route. (5) Guiding the correct route and direction: While taking refuge the central control system will automatically send the evacuation route and direction to the digital signage.
4. Suggestions
1. Promote "The intelligent emergency evacuation system in a large public open space "
2. Conduct a workshop for the results related to the intelligent fire emergency evacuation systems
1
第一章
緒論
第一節 研究緣起與背景
壹、 研究緣起 根據內政部消防署統計資料顯示，民國 96 年至民國 101 年全台每年火 災發生場次呈現線性下降，但死亡人數卻沒有隨著火災發生的減少而逐年降 低，如圖 1-1 所示。近年來也不斷傳出有因為火場逃生指示不明確而造成 逃生困難，導致避難者罹難，民國 100 年 3 月 6 日台中市哈克飲料店火災， 除了主要的致災因素肇致 9 人死亡、12 人輕重傷之重大傷亡慘劇，逃生出 口的資訊不足亦是致災因素之一。因此，在火災發生時，能夠透過有效的系 統且明確提供避難者避難資訊，是消防減災的主要工作。 圖 1- 1 近年來火災發生次數與傷亡人數情形 (資料來源：本研究自行繪製，整理自消防署火災統計資料) 當火災發生時，由於濃煙密佈、光線昏暗且四處人影竄動，導致避難者惶恐 不安，此時舊有的固定式逃生指示雖能指出逃生出口所在方向，但是逃生者無法 由逃生指示得知整體環境以及火災資訊，也無法得知自己距離最近出口之位置， 容易在接收不到足夠周遭資訊的情況下做出錯誤判斷。 有鑑於此，內政部建築研究所在民國 101 年「結合行動通訊之智慧型主動預 警及避難導引系統研究」之研究，利用無線感測器網路的特性開發一室內安全監 控以及緊急逃生系統，運用無線感測網路提供環境資訊 (如溫度、濕度、照度等)， 結合無線射頻系統進行室內人員定位標示與人員。透過持續監控環境資訊，偵測 3392 2886 2621 2186 1772 1574 518 405 413 391 385 428 0 100 200 300 400 500 600 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 96年 97年 98年 99年 100年 101年 火 災 傷 亡 人 數 火 災 次 數2 是否有火災事件發生，並標定火源及危險區域。當火災事件發生時，即時主動將 火災警報傳送至手持行動裝置 App，並且利用發展成功的分流逃生演算技術，依 不同人員的位置規劃逃生導引路線，傳遞至人員的行動手持裝置上，導引人員避 難。 在既有的研究基礎上，考量手機關機、遺落或其它的可能因素，將此一避難 導引系統，連結至該建築物公共使用的數位電子看板，將更能明確呈現避難資訊。 因此，本研究主要為建構一套室內電子火災逃生地圖與避難導引系統，利用目前 已日趨成熟之無線感測網路(WSN)與無線射頻辨識技術(RFID)，在建築物內部適 當地點佈置感測器以及數位電子看板或利用建築內既有的數位電子看板將本研 究所開發之系統建置於既有的數位電子看板即可達成相同效果，隨時監控環境資 訊並且在災害發生第一時間發出警告，並在電子看板上提供避難者即時的逃生路 線，避免避難者在逃生時因資訊判斷錯誤而走向錯誤方向，還可減少因資訊不足 所造成的緊張情緒，安定民眾心情使之有秩序進行避難逃生。希望可以藉由本研 究所建構之系統，以強化傳統逃生指示的不足，減少災害發生時可能造成的傷亡， 增加建築物的防災安全性。
一、 無線射頻辨識技術(Radio Frequency IDentification, RFID)
近幾年來，定位的相關服務已經成為大部分民眾不可或缺的工具，不論是在 PDA、GSM、智慧型手機、GPS 手錶和 GPS 車用導航系統等，都是定位服務的各種 延伸與應用。隨著定位系統的各項應用越來越多，定位系統也越來越受到重視， 雖然 GPS 定位系統目前廣泛的被運用，例如：導航、運動、社群和找尋遺失物 等，幾乎是戶外的必備產品，但在室內定位卻恰巧相反，其定位的精準度仍有很 大的改善空間，所以在室內定為方面比較常聽到的定位系統是 RFID 以及 WiFi 的 相關應用。 RFID，除了一般感應式門禁卡、悠遊卡和防盜相關應用外，在室內定位的應 用也日漸廣泛(Ni,et al. 2004;Lee,et al,2010)，可定位出空間內所佔有的人 數，甚至每個人的位置。只要藉由讀取器、電子標籤、中介軟體的運算，還有搭 配讀取器與電子標籤的擺放，就可以計算出室內較精準的定位結果，可應用於室 內監控、人數控管和逃生避難等，在室內定位優於 GPS 定位的準確度。
3 課題，又以 LANDMARC 最具代表性。LANDMARC 定位系統須在室內空間中部署有 一定數量的無線射頻辨識讀取器，並且利用為數不少的無線射頻辨識電子標籤當 成能提供訊號強度的指引點，藉由適當的無線射頻辨識網路拓樸配置，始能建立 一個室內定位環境。然而，LANDMARC 系統因 (1) 採樣樣本訊號品質不穩定與 (2) 隨指引標籤間距增加，造成定位的精準度快速下降的問題，而無法實際應用在現 實的生活中。因此，本計畫運用以虛擬訊號源為基礎的定位機制 (Virtual Signal Location System, VSLS)進行室內定位。VSLS 利用虛擬訊號觀念與訊號 強度常態分布的特性，分析採樣率與樣本均化的方式來減低並校正訊號強度誤差， VSLS 能有效改善 LANDMARC 定位機制下訊號強度採樣品質與精準度隨指引標籤 間距增加產生誤差加大的現象，該機制也改善標籤部署密度需隨精準度提高的需 求，讓標籤費用支出更符合成本效益。
二、 無線感測網路
無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)，是由許多分散於環境中的 自動感測節點所組成的一種無線通訊計算機網路，經常被使用於監控、感測環境 改變或是物理狀態(如：溫度、照度、濕度、壓力、二氧化碳、汙染物等)，本研 究利用無線感測網路中的 ZigBee 感測器來執行。 ZigBee 是由 IEEE 認可的全球標準，應用於感應器 (保全、燈光、溫度) 以 及控制裝置 (溫控器、門禁管制、HVAC 控制閥) 的無線連結，非常適合商業大 樓市場。 ZigBee 的特色是可靠度高、成本低、電池壽命長、便於建置，其奠定了智 慧型感應器的基礎，讓用戶可以在辦公室任何一個角落以及辦公室周邊環境，更 輕鬆地控制照明、暖氣、冷氣、保全系統。單一網路可容納多達六萬五千個裝置， 大樓自動化及安全監控可以充份運用 ZigBee 來建置無線感測、監控網路，以集 中管理建築物內部的照明、暖冷氣、保全系統。 三、 數位電子看板 時代的進步、科技的快速變遷，無線網路及嵌入式系統整合的技術改進，使 得人們對於生活資訊的要求也日益增加，其中，廣告的傳播也是如此，從傳統的 平面看板、LED 跑馬燈，演變至今日隨處可見的數位電子看板，電腦、手持裝置 與通訊一體化的趨勢日趨明顯(余,et al,2010)。 數位電子看板 (Digital Signage) 在未來將成為室內或戶外廣告發展的趨
4 勢，在液晶與 LCD 面板逐漸大尺寸化的發展下，成本與實用價值已經漸漸地被廣 泛應用於許多公眾顯示需求中，如：大型賣場、機場、百貨公司等。電子看板於 多媒體呈現的效果豐富且多元，為廣告商願意投入的關鍵，在未來的發展必定是 指日可待。 圖 1- 2 電子看板應用 (資料來源：微軟宣示為數位電子看板市場帶來豐富的連線體驗， http://past.compotechasia.com/articleinfo.php?cid=35&id=15555 ) 於廣告播放時，較大的顯示器能夠清楚地將資訊傳達給使用者。相較於傳統 的廣告，如海報廣告、燈箱看板的靜態性與單一性，數位電子看板更加上動態性 與華麗性且更能夠吸引使用者的目光。尤其在火災逃生更加有此種的需求，此數 位電子看板系統給予逃生指引讓使用者能夠一目了然的清楚知道逃生方向，避免 耽誤逃生的時間。 現今市面上較多數位電子看板之作業系統都屬於封閉式的，只能執行單一功 能(如傳播廣告)，為了能夠將數位電子看板成為可執行多種不同功能之複合式使 用，所以本研究將目前最熱門且屬於開放式的 Android 作業系統加入至本次的系 統中。 Android 作業系統從 2005 年發展至今，全球市場占有已經達到 52.5%甚至更 高的市占率，軟體漸漸趨近成熟，越來越多嵌入式裝置都搭載著 Android 作業系 統且硬體的規格也因眾多廠商加入生產使得設備越來越好且價格親民，使得數位 電子看板更容易的被建置。 看準數位電子看板未來的高度全球市占率，本研究將目前最熱門的 Android 作業系統與大尺寸顯示器結合創造出-結合數位電子看板之智慧型主動預警及避 難導引系統，主要適用於室內提供逃生路線指引及播送廣告與跑馬燈。而數位電
5 子看板端主要負責前端傳播廣告資訊給使用者，將使用者想要知道的資訊快而正 確的傳達並顯示於數位電子看板上，當火災發生時，系統將自動切換逃生模式並 進行指引，使用者只需要觀看數位電子看板即可依照指引安全的逃離火災現場。 四、 逃生演算法 當大型建築物發生緊急危難事件需要進行人員疏散時，如何讓人群以最快的 時間並且安全有效率的逃離災害現場，大幅減少人員傷亡是本計畫最主要的目的。 本研究所提出的逃生演算法將有效且即時的將大樓內部的人往逃生出口導引，並 以人員安全為最優先考量，演算法使用分群的概念將避難者分為不同的群體並分 開導引在遠離火源的同時以最有效率的路徑前進以漸少逃生時出口及路徑的負 擔。以安全且有效率的路徑將人員往出口導引，讓人群可以在最短時間內安全的 離開火場。 本計算演算法延續去年「結合行動通訊之智慧型主動預警及避難導引系統研 究」所提出之逃生演算法，以結合宏觀 (Macroscopic) 以及微觀 (Microscopic) 兩種概念的方式，導引人群避開火源的同時也考慮人群之間可能造成的推擠、踐 踏等問題。於演算法設計中考慮了溫度、人群密度、逃生路徑是否有足夠的光源、 及距離火源遠近等條件作為逃生路線規劃時的判斷條件，在演算法運算時首先考 慮各區域中人群的密度避免區域的人群密度過高造成危險，以及依照不同的判斷 條件做出相對應的路徑更改，並將同一區域的人群給予多個疏散方向的導引以舒 緩單一路徑上的人數，讓人群在進行逃生疏散時擁有較為順暢的路線並且不易造 成推擠、踐踏等其他的傷害。 貳、 研究目的 本計畫「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」，結合環境資訊及電 子看板裝置成為一套完整的避難導引系統。適用於建築物室內環境除了可在疏散 引導時提供避難者逃生路線導引、並可於環境安全無虞的情況下提供廣告、政令 宣導、訊息廣播等電子看板應用。 考慮以上相關目的及應用，本計畫研究重點可以歸納為： 1.整合無線感測網路與無線射頻辨識系統，建置室內火災逃生地圖以及緊急 避難導引雛型系統。 2.建置一個具即時環境資訊之電子火災逃生地圖，可結合大樓逃生避難基本 圖資，規劃出簡易逃生路線圖。
6 3.火災發生時，藉由無線感測網路提供環境資訊警示人員避難。 4.避難過程中，由中央監控系統將正確之避難資訊傳至電子看板 (電子指示 牌)，以提供使用者之逃生正確路線與方向。
第二節 火災災例分析
壹、 嘉義市財神世界大樓火災 民國 84 年 10 月 31 日 2 時 24 分，位於嘉義市中山路 617、619 號之財神世 界大樓(複合建築)發生火災，造成 11 死 8 傷之重大災害。84 年 10 月 31 日 2 時 24 分，嘉義市仁愛路 429、431 號東光電機行後側倉庫起火後，由於該倉庫與仁 愛路 435 號香雞城、秀山園旅社及中山路 617、619 號財神世界大樓緊鄰，火焰 燒破財神世界大樓 1、2、3 樓窗戶後往內擴大延燒成災。如圖 1-3 所示。 災後之檢討發現財神世界大樓各層室內均使用易燃材料裝修，火勢發生延燒 迅速，濃煙密佈，旅館旅客尚沉睡中，未能及時發覺逃生。另一項檢討也發現民 眾對於火場逃生避難常識不足，有 5 人因受濃煙所困跳樓死亡，又該大樓為綜合 性商業大樓，出入人員眾多，對環境不熟悉，緊急時不易尋找正確逃生路線而受 困罹難。 從此災例中，發現由於對環境不熟悉，緊急時不易尋找正確逃生路線而受困 罹難。本次火災計死亡 11 人，重傷 3 人、輕傷 5 人。死亡人數中有 5 人係跳樓 摔死，有 3 人死於走廊，3 人死於樓梯間。顯見國人對避難逃生之基本常識異常 欠缺。該大樓 4 個安全梯，雖有 3 處被煙侵入，但西南側之安全門則未被污染， 住戶若能由該安全梯逃生，應可安全避難，但多數人未養成事前勘察逃生路線之 習慣，冒險穿進濃煙，終致死亡。而跳樓之 5 人，更無觀念，從十幾樓跳下，絕 無生存之理，卻仍然下躍。此次火災中，有一外籍人士利用緩降機逃生，有 5 名 國人才模仿其動作下降獲救。顯見國人對此防火逃生避難方面之知識，極為欠缺， 有待大力加強。若再能有輔助導引系統，即可指示正確逃生路線，從安全門逃生， 不至於受困而罹難。7 圖 1- 3 嘉義市財神世界大樓火災 (資料來源: 內政部建築研究所) 貳、 桃園市四季飯店火災 民國 92 年 11 月 14 日 8 時 25 分，於桃園市復興路 70 號 6 樓及 7 樓之四季 飯店(商業建築)遭人為縱火，造成 5 死 10 傷。此次火災室內裝修材質為易燃物， 燃燒後產生大量濃煙，致傷亡原因為吸入性嗆傷窒息，且身體均未遭燒燙傷情況。 (以上資料來源: 內政部火災災害防救業務計畫，100 年 5 月 25 日中央災害防救 會報第 18 次會議核定)。 災後之檢討，主要針對公共場所於變更使用或內部裝修申請使用執照審查時， 加強宣導查察室內裝修採用不燃材質。從資料來源研判，亦是避難沒有成功的災 例，因此能及時且主動提供災情資訊與避難路徑導引，即有其高度重要性。 參、 台北市白雪大旅社火災 民國 98 年 3 月 2 日 02 時 42 分，位於台北市大同區太原路 142 之 13.14 號 的白雪大旅社(商業建築)，遭人為縱火，不幸發生 8 人死亡（5 男 3 女）。 白雪大旅社係 4 層樓鋼筋混凝土建築物，1 樓為店面（當時為空屋），2 至 4 樓為旅館部，2 樓有 6 間房間，1 間儲藏室；3 樓有 11 間房間；4 樓有 11 間房 間；4 樓頂平台以水泥磚造增建 1 間臥房（500 號房）出租使用，該址一樓出入 口由外至內分別裝有鐵柵門(拉式鐵柵)及玻璃門。現場僅太原路 142 號之 13 白 雪大旅社燒損，未延燒他戶或他棟建築物，現場依火流燃燒現象及相關痕跡研判
8 係由 2 樓 106 室往室外延燒造成 2 樓、3 樓、4 樓及頂樓之臥室、走道、樓梯間 均有煙燻、燻黑、燒損或燒失現象。 白雪大旅社於民國 49 年申請建造，為 4 層樓的老舊建物，51 年申請旅館營 業登記，並在 62 年辦理增建。依當時建築法令，設有一座避難直通樓梯。現場 室內以夾板等裝修，未依法使用耐燃材料，造成燃燒快速；再者建築物僅一座直 通樓梯，單一出口，且構造非屬室內安全梯，形成煙囪效應導致避難逃生困難， 造成 8 人死亡之悲劇。 從此災例中，發現當火災發生時避難逃生的重要性，倘若能有正確的火災通 報，搭配智慧型導引系統，及時逃生避難，當可降低人命死傷。 圖 1- 4 台北市白雪大旅社火災外觀 (資料來源: 內政部建築研究所) 圖 1- 5 台北市白雪大旅社火災起火點及 2F 平面 (資料來源: 內政部消防署，http://www.nfa.gov.tw/main/index.aspx)
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肆、 台中市哈克飲料店火災
民國 100 年 3 月 6 日凌晨 1 點 24 分，台中市中興街四巷一號哈克飲料店（招 牌名稱：ALA PUB，傑克丹尼 PUB 店）發生火災。經調查完竣，確認係案發當時 店內表演者於夾層鋼管舞臺使用自製 LED 壓克力棒前端加上筒狀火花點燃後，手 持 LED 壓克力棒後端金屬鍊子快速旋轉以製造特效，甩出之火花不慎引燃夾層鋼 管表演臺正上方附近隔音泡棉，因隔音泡棉為易燃物質，造成火勢迅速延燒，在 場觀眾逃生不及，肇致 9 人死亡、12 人輕重傷之重大傷亡慘劇。監察院亦對本 案火災有關之管理問題、檢查、稽查等，糾正臺中市政府、內政部之違失。 除了上述主要的致災因素外，在本案二樓的一個逃生出口和緩降機有遭堵塞， 指示燈不亮，無法引導人員避難逃生而造成嚴重死傷，如圖 1-7 所示。倘若避難 出口的資訊，能透過智慧型逃生指引系統提供給避難者，並提供導引方向，將是 救命的重要工具。 圖 1- 6 台中市哈克飲料店火災外觀 (資料來源: http://news.cts.com.tw/udn/society/201103/201103070685209.html) 圖 1- 7 台中市哈克飲料店火災模擬圖 (資料來源:http://udn.com/NEWS/NATIONAL/NAT3/6194171.html繪圖:李奕昕)
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第三節 研究方法與進度說明
本計畫目標為研製一套結合電子看板與電子地圖之火災避難導引系統，提供 具有 ZigBee 無線傳輸功能之感測器與 RFID 偵測點之具感知能力的環境，並且實 際建構一套室內火災逃生地圖與避難導引示範雛型系統，以驗證使用電子看板提 供導引路線進行緊急導引系統之技術可行性。在研究過程中，將依序建構 ZigBee 無線感測網路子系統、RFID 的人員感知子系統及中央監控主系統，並依據上年 度「結合行動通訊之智慧型主動預警及避難導引系統」研究案所提出之演算法進 行適度修改使其符合本計畫電子看板導引之需求。 壹、 研究方法 本計畫旨在研製結合無線感測網路、無線射頻辨識系統及智慧型逃生演算運 算與電子看板避難方向指示集成室內電子火災逃生地圖與避難引導系統之雛型 示範系統。其中包含無線感測網路、無線射頻辨識系統、中央控制系統、逃生路 徑演算法以及數位電子看板指示系統多套子系統。為達成以上目標，擬採用以下 研究方法： 一、相關文獻資料分析法： 採用次級資料分析法，蒐集國內外相關研究主題之文獻資料，並分析與本 研究之相關性，提供所需之工具與領域知識。擬回顧之文獻，包括國內外 ICT 技術之發展、國內外智慧型防火防災技術之發展等文獻。 二、子系統功能建構： ZigBee 無線感測網路、無線射頻辨識系統、中央控制系統、逃生路徑演算 法以及數位電子看板系統，各子系統之分別功能建構。 三、系統整合： 將已建置之個子系統整合成一套室內電子火災逃生地圖與避難導引系統。 四、專家學者座談法： 邀請國內專家學者進行座談會議，以議題討論方式，進行研究內容審視及 改進。 五、系統驗證： 實際於實驗場所中進行相關驗證確保系統可正常運行。12 貳、 研究之流程圖 本計畫之研究流程圖如圖 1-8 所示。 圖 1- 8 研究方法之流程圖 (資料來源：本研究自行繪製) 蒐集國內外相關研究資料 相關資料研究分析 系統架構設計 修正 專家座談 無線感測網路建置 主控端系統建置 無線射頻辨識系統建置 逃生導引系統建置 電子看板建置 專家座談 系統整合 錯誤修正 研究成果報告 系統驗證
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第二章
理論與文獻分析
第一節 逃生導引相關研究
目前學者對於逃生演算法 (Wu,et al,2010;Jiang et al,2009;Barnes,et al,2007;Tang,et al,2008;Williams,et al2009;Tseng,et al,2006;Wang,et al 2008;Wang,et al,2009) 的設計可分為兩大類別：宏觀逃生演算以及微觀逃生演 算。宏觀的演算法設計並不會考慮人群的心理因素以及人與人之間的相互關係， 而是將避難者看做水流一般由火源區域往出口遵循避難指示有秩序的進行移動， 忽略人群在逃生時可能因為心情的緊繃或是朋友、親戚之間的既有關係而在逃生 時產生的特殊群體以及避難的行為，並且假定人群會完美的依循給予的逃生路徑 指示經由安排好的路徑往規定的出口移動；微觀的演算法設計則是從人群的角度 出發進行逃生路線的演算，首先考慮人群的心理狀態、人與人之間的相互關係， 以及人群與路徑的負荷能力與可能衍生的特殊狀況等，例如：距離火源的遠近所 造成心理的慌亂、路徑上光源是否充足對人員心裡的影響、相同的一群朋友或是 親戚會想要一同逃生導致路徑的壅擠、以及路徑是否有足夠的負荷能力容納人群 的通過等。並且考慮所可能衍生的特殊情況後，從避難者的角度為出發點判斷路 徑是否適合人群逃生，再推算到整個平面上路徑分配出適合所有人的逃生路線。 建築物內部逃生方向最初的構想方式是以各個區域為起點以最短路徑的方 式往出口移動，但最短路徑導引方式容易將避難者導引往同一條逃生路線，導致 衍生出路徑壅塞、逃生速率下降等問題，甚至可能把避難者導引往災害發生區域， 造成不必要的傷害發生；因此，2006 年 Tseng 等學者(Tseng,et al,2006)便提 出了避開危險區域往出口移動的逃生導引方式，在既有的導引方法上增加了危險 區域的概念，使整體環境區分為火源附近的危險區域、以及距離火源較遠的安全 區域，並在導引方式上也做出了不同的區分，將危險區域內的避難者優先往最近 的逃生出口進行引導，而不在危險區域內的避難者則以優先避開為先區域的方式 進行引導，先確定避難者所處區域的安全，再將之導引往最接近的出口移動。避 免避難者於逃生過程中接近或穿越災害發生點，造成不必要的傷害。
而 2012 年 Zhou 等學者(Jiayi,et al,2012)也提出了一套依循環境變化與火 源及避難者位置而演算的個人化逃生指引演算法，該演算法將微觀的人群概念帶 入宏觀的路徑規劃方式中，以避難者位於過於擁擠的環境進行逃生時可能造成的
14 推擠、逃生速率下降等問題為出發點，同時考慮逃生過程中環境亮度對於避難者 可能造成的心理與生理上的逃生影響，並且以避開危險區域的方式，給予每位使 用者單一的逃生避難指引。該演算法同時也是去年度建築研究所「結合行動通訊 之智慧型主動預警及避難導引系統研究」研究成果的其中一部份，該研究最後以 行動式手持裝置做為導引時系統與使用者之間的溝通管道，但其個人化的手持式 行動導引方式並不適用於本系統所追求的電子看板顯示導引方式，所以本研究將 針對 2012 年 Zhou 等學者(Jiayi,et al,2012)所提出的演算法做演算法的修改， 將其中個人化導引部分修改使其可以符合本年度應用上的要求，並且可應用於電 子看板進行群體導避難者的逃生引導。
第二節 火災中避難人員之行為特性
人類在緊急時常因資訊處理能力，出現異於平常的行動。災害時的反應行動 常出現下列幾項(室崎,et al,1993): 1.迴避性:人類具有迴避危險的本能。例如躲避墜落物品、或逃避煙霧地 點之特性。 2.習慣性:對日常行動養成習慣。以頭腦強記或藉由訓練，均很難成為習 慣性動作。 3.追隨性:遵從周圍人員行動的依附性。如附和順從群眾行動等屬之，因 此常形成團體行動。 4.激動性:當處於恐怖感覺的情況下，所採取的行動往往欠缺審慎、理性 的判斷。如衝動或短視行動等屬之。 5.僵直性:一般容易出現用力過猛、操作使力過重或身體因緊張而僵直等 現象。 避難行為主要在保障生命安全，尋求安全場所的移動行為，是人們在心理與 生理雙重壓力下，並在有限時間與資訊受限的情況下移動的行為。避難常因個人 特性、對災害的預知能力或可視性等狀態特性、場所環境特性、避難指示導引之 資訊特性、以及引導之群體特性等等，成為影響避難之要素。 火災時人類避難行為的本能，國內學者丁育群提出以人類動向的本能行為 (丁,et al,1987)，歸納出五項類型：15 1.回巢本能：當人們遇到意外災害時，為求保護身體，會本能地折返原 來的途徑，或依日常慣用的途徑以求逃脫。因為避難逃生 途徑大多靠近常用的走廊、樓梯或電梯附近，以安全逃到 安全梯或出口。 2.躲避本能：當人們察覺到有異狀時會直覺地避開。例如，建築物發生 火災時，煙及火焰在建築物的中心地區上昇時，人們會向 外圍方向疏散；反之，煙與火焰從建築物之外圍部位上昇， 人們則會退避到中央地區。 3.向光本能：火災發生後濃煙將四處流竄，並多半會停電。此時，人們 為求良好的視線，會向四周有光線的地方逃跑。因此依規 定及實際需要設置避難方向指示燈及出口標示燈，可以正 確引導避難方向。 4.左轉本能：一般人多較慣於使用右手，所以右手、右腳較為發達，而 在黑暗步行時，採左轉型態比較有利，比較能保護身體。 避難者若能預先想好路徑，並以左轉型態往下的方法逃難， 將減少混亂而會有更高的存活希望。 5.追隨本能：當建築物發生緊急狀況時，群眾會追隨一位領導人以求生 存，這位領導人之避難行動是否正確，充份影響眾人性命 之安危。因此，對於不特定對象多數人使用之旅館、百貨 公司、商業大樓、超級市場、醫院等建築物，適當的引導 是很需要的。因此，平時就要對這些引導者做好養成與訓 練的工作。 日本學者室崎益輝亦指出(室崎,et al,1993)，規劃避難路徑時需考慮避難 行動的特性，如: 1.歸原性:一般人有循原路逃離的傾向。如採行原到達的使用工具或方 向避難。 2.日常動線慣性:例如會以平常使用的樓梯、熟悉的通路進行避難。 3.向光性:循光亮方向避難。 4.開放性:傾向朝寬敞地方、較寬的樓梯或寬廣的門廳避難。 5.容易辨識性:一般人會朝首先看到或容易辨識的路徑、樓梯等處避難
16 逃生。 6.近距離性:一般人會選擇最接近的樓梯、最靠近的通路避難。 7.直進性:傾向於選擇直線路徑避難。 8.危險迴避性:迴避危險的本性，例如會迴避發生煙霧處。 9.安全傾向性:避難者會朝自認安全的路徑避難。 10.追隨性:會朝人多的方向逃生避難，一窩蜂擠向人多處避難。 除了前述十項外，室崎益輝亦提到人們尚有選擇有清楚可見的誘導標示或左 轉方向避難的特性。以百貨公司為例，顧客不熟悉環境，容易呈現歸原性，而工 作人員較易呈現日常動線慣性之特性。當火災發生時，會本能的出現危險迴避性， 同時以向光性、開放性為逃生方向，但若尚未緊急時，可透過理性判斷，以認定 安全的路徑避難。百貨公司寬闊的門廳具有易於辨識的選擇傾向；而旅館多具有 走廊配置，則較容易出現近距離及直進性的選擇特性。 一旦火災發生時，若能儘早探知，以進行避難逃生，則可增加避難可用時間； 有初期滅火及良好區劃，可以防阻延燒；若有良好的避難路徑及適時的避難誘導， 則可縮短人員避難行動所需時間，儘早到達安全地點(沈,et al,1996)。若能再 加上 ICT 技術，則可提供最即時的火災警報資訊與正確的導引方向，借助電子看 板裝置的即時訊息傳播，由系統提供給避難需求者即時且正確的避難方向等資訊， 本節前述的避難者行為特性，將大為改善，提升避難者的安全性。
第三節 無線射頻辨識系統
無線辨識系統 (Radio Frequency Identification, RFID)，通常是由 RFID 讀取器(Reader)和 RFID 感應器(Tag, 標籤)所組成的系統，其運作原理是利用讀 取器所發射無線電波，觸動感應範圍內的 RFID 感應器，並藉由電磁感應產生電 流，供應 RFID 感應器上的晶片運作並發出電磁波回應讀取器，利用 IC 及無線電 波來存取與傳遞辨識資料。RFID 具有環境變化的高耐度、可重複讀寫、非接觸 式、自動快速辨識與資料記錄豐富等特性。 RFID 已存在各種日常生活環境的應用中，例如：在高速公路上不用停車繳 回數票所使用的 eTag、出門搭乘捷運時會用到的悠遊卡、各種商店或圖書館內 的防盜晶片、寵物身上所植入的寵物晶片、家裡或商業大樓用來開啟大門門禁所
17 用的晶片卡，這些都是 RFID 的實際應用。RFID 的特性特別適合用來作為人或物 品在通路上的管控追蹤及識別，所以 RFID 的應用層面很廣，常見的應用如電子 錢包、倉儲、流程管控、門禁控制管理以及電子票券等方面。 近年來，RFID 技術已有大幅的進步，RFID 甚至被認為是影響未來全球產業 發展之重要技術，全球最大的連鎖通路商 Wal-Mart 要求其前 100 大上游供應商 在貨品的包裝或棧板上裝置 RFID 標籤，以便日後追蹤貨品在供應上的即時資訊， 可降低成本及提高產品資訊的透明度；國產的裕隆汽車將 RFID 技術應用在汽車 保養維修流程控管，車主在休息室可以清楚掌握愛車即時的處理情況及進度，透 明度大大的提高；三總將 RFID 用於病人的識別，避免給藥錯誤，大幅的提高備 藥與給藥的正確性。 RFID 電子標籤與讀取機的成本已大幅滑落，也使得 RFID 系統的應用領域越 來越廣泛。近幾年各大校園卡結合 MiFare 晶片卡，包含學生證、教職員證、校 友證等校園卡都升級成為 RFID 晶片卡，而原有的校園卡為傳統接觸式的磁條卡， 但在使用時與讀卡機接觸多少會有磨損，且校園卡經常用於館舍的門禁控制，不 少人會因為卡片無法辨識而有被擋在門外的不愉快經驗，這個問題經由 RFID 卡 非接觸的特性而不復存在。除了換發卡片之外，並整合學校各館舍的門禁系統， 全校師生可以一卡通行全校，皮包內也可以少帶幾張卡片。除此之外，也將現在 常用的悠遊卡功能結合在校園卡內，使校園卡可以走出校園，搭乘大眾交通工具 和便利商店購物使用。校園卡片結合，讓悠遊卡具有掛失的機制，卡片內的儲值 的金額不會因為卡片遺失而不見，未來還有更多的應用還在規劃中，希望讓校園 卡發揮最大的功能。 RFID 讓生活更方便、更安全，未來去超級市場買一車的商品，只要購物車 一經過感應器購物清單，帳單立即產生，不用像現在排隊等店員一一點清結帳； 還有一回到家裡，周遭溫度、燈光及家電馬上變成你喜歡的設定，不用東找西找 遙控器與開關，使生活更智慧化；當家裡的冰箱食物飲料不夠時，會自動下訂單 宅配到府，不用打開冰箱發現最喜歡的可樂沒有了，這真是個方便的未來，而且 這個未來已經不遠了。 壹、 技術原理 RFID 是一種以 RF 無線電波辨識物件的自動辨識技術，RFID 系統最重要的優 點是非接觸識別，它能穿透與、雪、霧、冰、塗料和灰塵等惡劣的環境讀取並辨
18 識標簽，並且讀取速度極快，大多數情況下不到 100 毫秒。其主要工作原理是利 用 RFID 讀取器發送無線電波訊號，當電子標籤進入讀取器的訊號範圍之中，就 能藉由感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶元的產品信息或某一頻率的信號， 以進行無線資料辨識及擷取的工作。RFID 組成元件主要包括讀取器、電子標籤、 RFID 應用程式、以及電子標籤內或外加於讀取器的天線。當應用程式欲進行電 子標籤之辨識工作時，電腦上之應用程式可透過有線或無線的方式下達控制命令 給讀取器，讀取器接收到控制命令後，其內部之控制器會透過內建的 RF 收發器 (Transceiver)發送出某一頻率之無線電波能量，當電子標籤內的天線感應到無 線電波能量時，會將此能量轉成電源，並以無線電波傳回相關識別資料給讀取器， 最後再傳回電腦內以進行物件之識別與管理，RFID 的架構如圖 2-1 所示。 圖 2- 1 RFID 架構圖 (資料來源：BentSystem, http://www.bentsystems.com/rfidapplications.shtml#) 讀取器、感應器(標籤)、中介應用程式的說明如下： (1) 讀取器 (圖 2-2)：根據支持的電子標籤類型與功能不同，其複雜程度也 非常的不同。讀取器基本功能就是提供電子標籤進行數據傳送的途徑，傳遞能量 與訊號來讀取或是寫入電子標籤上的資料。它還提供相當複雜的信號狀態控制、 更正修復功能與耦合錯誤驗證等。讀取器可以利用有線或無線通訊方式，與應用 程式結合使用。一個讀取器包含無線通訊模組、一個控制模組、以及一組耦合元 件，並且透過輸出入介面，如：RS232 或 RS285 等，與應用程式的設備連接， 如：嵌入式系統、一般電腦或伺服器等。
19 圖 2- 2 RFID 讀取器 (資料來源：璽瑞股份有限公司， http://industry.teema.org.tw/comm/member/mempdtcontent_eng.asp?id=404&pid=27286) (2) 感 應器 ( 圖 2-3) ：一般也可以稱為電子標籤 (tag) ，包括被動式 (passive)標籤(無源標籤)、主動式(active)標籤(有源標籤)以及最新的半主動 式標籤，每個標籤都有本身獨特的序列號。被動式標籤是藉由接收讀取器所傳送 的能量並轉換成電子標籤內部電路操作電能，不需外加電池，而現在市場上開發 的基本上也是被動式 RFID 標記，因為這類設備造價較低，且易於配置，可達到 體積小、壽命較長、價格便宜以及資料可攜性等優點；而主動式標籤有內建電池， 可利用電池所提供的電力在標簽周圍形成有效活動區，主動偵測周遭有無讀取器 發射的無線信號，並將自身的訊息資料傳送給讀取器，其缺點是電池壽命有一定 的期限，若是電力耗盡，則必須更換電池，否則會造成訊號減弱的情況發生，運 算時可能會有問題產生；目前最新的半主動式標籤也是有內建的電源，可使用內 部能量監測周圍環境，但也需要讀取器發出無線射頻來喚醒標簽後才會回送信號， 半主動標籤透過將 RF 能量反射回標籤讀取器來傳送識別資訊。半主動和被動的 區別是半自動系統中有電力，標籤能夠發揮其他作用，其讀取距離較長、抗干擾 能力更強。
20 圖 2- 3 RFID 感應器 (資料來源：PROCONTROL， http://oldweb.proci.hu/GyartasFejlesztes/Termekeink/UNICARD/unicard-English.htm) (3) 中介軟體系統：這是一個介於使用者與 RFID 設備之間的軟體應用設計， 一般 RFID 廠商會提供相關 API 或完整的應用程式，以供開發人員或使用者來操 作使用。其主要用以控制讀取器的資料訊息收發、辨識正確性與管理工作，在資 料通訊傳輸的過程中，可以利用加解密的方式或防火牆等技術使資料具有保密的 功效，若再結合資料庫管理系統與網際網路的運用，可提供更安全且即時的監控 系統功能與資料自動化整合應用。設計出便於使用的中介軟體系統讓系統使用者 能夠藉此系統了解整個環境狀況，是一種使用者或開發者與 RFID 設備端溝通的 橋樑。 識別標籤的外形尺寸主要由天線決定，而天線又取決於工作頻率和對作用距 離的要求，在室內定位的應用主要在於超高頻或微波這兩種頻帶。詳細 RFID 的 頻率分類如表 2-1。
21 表 2- 1 RFID 的頻率分類 頻帶 規章管理 讀取範圍 數據速度 備註 標籤估價 120~150Khz(低頻) 無規定 10cm 低速 動物識別，工廠 數據的收集 1 美元 13.56Mhz(高頻) 全世界通 用 ISM 頻 段 1m 低速到中 速 小卡片 0.50 美元 300~1200Mhz(超高 頻) 近距離設 備 SRD 1~100m 中速 國防應用(主動 式標籤) 5 美元 868~870Mhz(歐 洲)、902~928hz(北 美)超高頻 ISM 頻段 1~2m 中速到高 速 歐洲商品編碼， 各種標準 0.15 美元 (被動式標 籤) 2.45~5.8Ghz(微波) ISM 頻段 1~2m 高速 802.11WLAN(無 線局域網)，藍牙 標準 25 美元(主 動式) (資料來源：維基百科， http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E9%A2%91%E8%AF%86%E5%88%AB)
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貳、 定位技術
由於 GPS 在室內定位人有準確度的問題，所以 RFID 為基礎的室內定位技術 漸漸開始受到矚目，著名的 RFID 室內定位技術主要有 LANDMARC 系統， LANDMARC(Location Identification based on Dynamic Active RFID Calibration)(Ni,et al,2004)主要的做法是藉由額外固定位置的電子標籤，建立參考 點 協 助 運 算 並 幫 助 定 位 ， 可 利 用 RFID 訊 號 強 度 資 訊 SSI(Signal Strength Information)或發射功率(Power Level)的概念，而此系統最早是先使用發射功率的 概念，以 power 1 到 8 (power 1 代表最小的功率) 去判斷電子標籤的距離，利用 各個讀取器所收到多個電子標籤，由於每個電子標籤的序列號不同，所以可以經 由已知位置的參考電子標籤與其訊號強度去辨別，利用參考點進而計算出範圍內 各未知電子標籤的位置。 不過仔細研究 LANDMARC 的系統可發現，此系統的高定位精準度是建立在以 一公尺的間隔就佈署一個主動式的電子標籤作為參考標籤的建置基礎上，就成本 方面而言仍是一大負擔，若將參考標籤的間隔距離拉大，則又會讓精準度大為下 降，況且在許多環境如無塵室等的地面，屬於高架組合式的地板，在無塵室維修 或是設備更動時，地板掀動或是搬移的頻率將十分頻繁，因此亦不適合鋪設如此 大量的電子標籤於其上。 所以由賴武城等學者所提出的 VSLS(Lee,et al,2010)的方法，是一套優於 LANDMARC 的室內定位系統。在以 RFID 為基礎之定位系統中，任一套定位機制都 比須依賴電子標籤索回傳的的強度值進行演算定位，訊號的精準度就是定位機制 的關鍵點，LANDMARC 用 RFID 硬體來座室內定位，參考標籤的訊號強度值就是 該機制的核心點，當訊號強度不在無干擾、無屏障的環境中，LANDMARC 要達到 2 公尺以內的誤差距離就必須付出高硬體密度的代價。 VSLS 主要經過虛擬訊號源採樣、Middleware 程式進行訊號強度純化、資料 庫系統作為資料中心角色，最後將藉由 LANDMARC 系統中的追蹤點與參考點之訊 號強度相量集合，進而推估出追蹤點相對於考點的比重值，使用虛擬點替代指引 點的方式來讓定位精準度維持一定的精準度。由中介軟體的運算處理放置資料庫 中，因此若有一追蹤物進入，系統將可以取出離線資料庫的訊號值進行訊號強度 向量集合、比重運算、座標定位的運算，讓整個虛擬化定位的技術進一步落實降 低訊號回饋元件的數量，並可以提升訊號樣本的精準度。
23 在訊號強度採樣中，因應環境面積過大採用虛擬訊號採樣時若因為環境因素 干擾，其數據將會有較大的誤差，故實驗中共分為兩種訊號源其一是虛擬點訊號 源，另一個則是實體點訊號強度，這兩種訊號源不同於固定與非固定訊號，虛擬 點訊號源是由搭載於自走車上依據自走車定義之速率與訊號點的 Active Tag 所 發出之訊號強度，另一訊號源則是擺放於實驗環境中固定不移動的指引標籤訊號 強度，如圖 2-4 中 V1 ~ V8 為虛擬點訊號源，A ~ D 為實體訊號源，實體訊號源 是研究中用來校正虛擬訊號源誤差的關鍵點，避免虛擬點訊號因當下環境因素產 生過大或過小的訊號值，造成的定位系統誤差過大的偵錯機制。 圖 2- 4 VSLS 系統環境 (資料來源：賴武城，2010) 在本計畫中，雖然本研究不需要像 VSLS 這麼準確的定位出各個未知的電子 標籤位置，但本研究參考此定位概念，定位並判斷出每個區域中所涵蓋的電子標 籤個數，讓系統能準確知道每個區域的人數，藉此可準確地計算出避難之分流的 指引方向，達到本研究要的定位效果。
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參、 系統架構
RFID 整體架構是由讀取器（Reader）、電子標籤（Tag）與中介軟體（Middleware） 三種元件所組成的架構，其中讀取器與中介軟體傳輸介面可經由 RS232、RS285、 TCP/IP 與 PCMCIA 等方式傳輸，在傳輸方式中目前以 TCP/IP 最廣泛的被使用。 本研究架構是透過各讀取器蒐集電子標籤時所獲得之不同強度的訊號作位置分 析，其流程如圖 2-5 所示，將獲得之標籤資訊做過濾，並取出信任度高之訊號作 為分析依據，並透過轉換計算，將訊號強度換算成定位中常見之(X,Y)座標，再 利用 LANDMARC 方法與 VSLS 虛擬標籤概念提升定位精準度並傳送至資料庫儲存。 但其重要的是讀取器架設與實際場所之關係，會影響到系統之程本高低。 圖 2- 5 本研究之 RFID 系統流程圖 (資料來源：本研究自行繪製)
第四節 ZigBee 無線感測網路
壹、 背景 ZigBee 的命名，源自於蜜蜂在發現花粉時，展現如同 ZigZag 形狀的舞蹈。 主要由 Honeywell 公司組成的 ZigBee Alliance 制定，從 1998 年開始發展，於 2001 年向電機電子工程師學會（IEEE）提案納入 IEEE 802.15.4 標準規範之中，25 由國際知名廠商 Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mitsubish、Motorola、 Philips 以及 SAMSUNG 共同推廣，主要以感測與控制為應用方向，定義出簡單、 低成本、實現度高的無線通訊標準，並在 2004 年以 IEEE 802.15.4 為基礎堆出 第一個 ZigBee 版本 ZigBee1.0 後，許多廠商也支持並遵循標準開發，漸漸成為 各業界共同通用的低速短距無線通訊技術之一。 ZigBee 是一種低速短距離傳輸的無線網路協定，底層是採用 IEEE 802.15.4 標準規範的媒體存取層與實體層(如圖 2-6)。主要特色有低傳輸速率(250kbps)、 短距離(一般約為 50-100 m，依耗電量之不同，可提昇至 300m)、低消耗功率、 低成本、支援大量網路節點、支援多種網路拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。
ZigBee 協定層從下到上分別為實體層（PHY）、媒體存取層（MAC）、網路層（NWK）、
應用層（APL）等。網路裝置的角色可分為 ZigBee Coordinator、ZigBee Router、 ZigBee End Device 等三種。支援網路拓撲有 Star、Tree、Mesh 等三種。目前 制定的頻段為全球的 2.4GHz ISM 頻段、美國的 915MHz 頻段，以及歐洲的 868MHz 頻段。在 2.4GHz 的 ISM 頻段，擁有 16 個可使用的通道數；在 915MHz 的 ISM 頻 段，擁有 10 個可使用的通道數；在歐洲的 868MHz 頻段，擁有 1 個可使用的通 道數。 圖 2- 6 ZigBee 堆疊(stack)架構 (資料來源：8.2.15.4/ZigBee 技術原理與解決方案初探， http://web.iii.org.tw/itpd/new/itis/epaper/9511/9511_03.htm) ZigBee 可支援主從式以及點對點的運作方式，最高可擴充至 65536 個節點， 擁有非常高靈活的擴充特性。目前已被廣泛使用於環境監測、安全控制、電子設 備自動化、醫療照護、置換住宅等方面，已是無線感測網路內所共同認可的短距
26 離無線通訊技術之一。 貳、 無線規格比較 與目前所熟知的高頻寬系統一樣，為了獲得最佳性能，使用者可以將低速率 網路安排為多重配置。例如，用一條橋接兩個端點的點對點無線鏈路簡單地替換 一條通信纜線。為了消除串接在一起的纜線，使用者可以用一條點對點無線鏈路 將遙控面板連接到一台可移動設備（例如機器人）上。許多低資料速率點對點鏈 路在各端都含有低成本收發器，可用來轉換通用的通信協定，例如：RS-232 。 另一種無線網路形式：點對多點，包括一個中央基地台和多個以星形或中心輻射 （hub-and-spoke）模型安排的無線節點。儘管 Bluetooth 和 IEEE 802.11 被 認為是高頻寬網路，但它們的各種衍生產品都是以點對多點模型為基礎。 Bluetooth 採用跳頻展頻來抵抗干擾，並且以大約 720 kbps 的峰值速率傳 送資料；ZigBee 的最大速率為 128 kbps。基本的 Bluetooth 協定要求複雜的通 信協定棧，消耗多達 250 kbytes 的系統記憶體資源，而 ZigBee 控制器要求少於 32 kbytes（8 位元控制器）。ZigBee 設備可以快速連接，交換資訊、分離，然 後再回到深度睡眠狀態，以便獲得長久的電池壽命。Bluetoot 模型假定了類似 蜂窩電話的週期性電池充電。Bluetooth 網路增加一個新的從屬節點需要超過 3 秒的時間；ZigBee 則只需要 30 毫秒。最後，Bluetooth 受限於 7 個使用者端； ZigBee 則可以處理成千上萬個使用者端。 表 2- 2 不同通訊協定間的比較 802.11b Bluetooth ZigBee 傳輸距離 100m 10m 70~300m 開發複雜度 高 普通 低 可容納節點數 視硬體能力而定 8 65536 資料傳輸率 11Mbps 1Mbps 25Kbps
安全性 SSID / WEP 64/128 bit 128 bit / key define
可否搭配感測器 否 可 可 生命週期單位 小時 天 年 (資料來源：本研究自行繪製) 參、 發展 ZigBee 發展至今已廣泛的應用於本研究的日常生活中，如：智慧型住宅的 控制(圖 2-7)、安全門禁系統的控制、醫學監測、環境監控等。在 2010 年 Yu 等
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學者(Yu,et al,2010)發表的論文中，作者建立了一種使用 Octopus X 平台為基 礎並以 Zigbee 為傳輸方式的環境感測器，實作溫度、濕度、照度、一氧化碳、 二氧化碳等多種不同功能之環境監控感測器(圖 2-8)，並佈署於建築物中，再依 據感測到的環境資訊調整建築物內相關的電器，更利用所開發的系統介面將感測 到的環境資訊統整後供管理者查看，落實感測網路於一般民生領域之應用等。 ZigBee 技術提供了以標準為基礎的無線連結能力，使用起來既簡單又方便， 應用範圍無遠弗屆。大樓的所有人若充分利用具備 ZigBee 功能的產品，就可以 享有許多好處，例如加強控制、減少成本、增加便利性，還能提高設施裡外的安 全防護。而 ZigBee 的感應器耗電量低，於非使用狀態時會進入睡眠模式，減省 不必要的能量耗損。但 ZigBee 的設計又非常適合分秒必爭的情況，處於睡眠模 式的 ZigBee 感應器會在收到訊號的 15 毫秒之內立即回應，並且即時回到網路 上運作。即在整個網路上引發一連串的動作：打開大燈，通知警方或緊急救援單 位，監視錄影系統會鎖定可疑的區域，各個鎖也會即時因應通知而進行運作。 圖 2- 7 ZigBee 於智慧住宅中的應用
28 圖 2- 8 使用 ZigBee 傳輸的亮度感測器 (資料來源：Yu, 2010) 肆、 架構 一個典型的感測器網路的體系結構由感測器節點、路由器節點、網際網路 (Internet)和用戶介面等組成。在這個網路中，感測器節點通過多跳中繼的方式 將數據傳到路由器上，最後由路由器將所收集的整個網路的資料透過網際網路或 者其他傳輸方式傳到控制中心進行集中的處理。ZigBee 傳輸協定支援的網路拓 樸 結 構 包 括 星 狀 (Star Topology) 、 網 狀 (Mesh Topology) 、 以 及 樹 狀 (Tree Topology)型態的網路拓樸(如圖 2-9)，每一種結構都有各自的優點且可應用在 多種不同的情況下。其中星狀結構的構造最簡單，是由一個 Coordinator 連接多 個 End Device 所組成，其優點為結構簡單、維護容易、低延遲；但是由於單一 Coordinator 所能服務的 End Device 數量有限，所以較不易進行網路的擴充。 網狀結構是由一個 Coordinator、多個 Router 以及多個 End Device 所組成， Router 之間可彼此互相溝通與傳遞資訊，網狀結構可提高較高程度的可靠性， 資訊也可通過不同的傳輸路徑進行傳遞，擁有多點跳躍、網路形成彈性、低延遲 等優點，但是路由成本較高且必需搭配路由表的儲存。樹狀結構也是由多個 Router 以及多個 End Device 所組成，從結構的本質看來可說是網狀結構與星狀 結構的綜合體，但與網狀結構不同的地方是樹狀結構的網路型態有如樹木一樣以 Coordinator 為中心延伸出許多不同組的枝葉，而且每一枝葉之間並不會互相溝 通，樹狀結構的路由成本較低、在資料傳輸上允許多點跳躍；但其延遲時間較長， 且路由重建成本較大。
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圖 2- 9 星狀、網狀、樹狀拓樸結構
( ：Coordinator ：Router ：End Device) (資料來源：本研究自行繪製)
基於安全與便利的考量上，若使用網狀網路拓樸設計網路的範圍就可以輕鬆 擴展到建物之外，增強周邊的防護。ZigBee 網路就像籃球架上的籃網每條線都 彼此相連一樣，將許多連結至其他區塊的點串聯起來，這些連結會形成堅固的多 次跳躍式網狀網路 (Multi-hop Mesh Network)，如此一來，單一裝置無法傳輸 資料時，就有其他傳輸數據方式可供使用。在網路上增添新裝置的方式是向主裝 置或個人區域網路 (PAN) 的協調元件簡單提出要求即可。網路協調元件一收到 要求訊號之後，就會將新的裝置納入運作的網路之中。如果要讓裝置在原本網路 周邊範圍以外運作，使用者可以添置無線訊號增幅器 (Range Extender)。 ZigBee 網路可以輕鬆擴充，進而使單一網路可容納多達六萬五千個裝置。 在設施中採用大樓自動化的開發商與建築師可以充份運用 ZigBee 來建置無線 監控網路，以便集中管理建物內部的照明、暖氣、冷氣、保全系統。建物開發人 員與設施管理人員使用 ZigBee 產品之後，就無需佈設監控與管理各場地所需要 的線路。以 ZigBee 為基礎的無線網路同時具備彈性，使設施管理人員得以快速 重新設定系統，以適應個人或租戶在建物內所做的改變，包括因應公司擴建、縮 編、或是想要改變現有的工作空間而進行的改變，如此就能減少裝設與重新改建 的成本。
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