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智慧建築應用腳步加快 BIoT創新技術扮要角

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數位協定取代傳統管路

最早的建築物自動化系統是氣動式的,透過在大樓裡鋪設複雜的銅導管,再根據氣動感測器的輸入訊號來切換氣動致動器和閥門的開關,以控制每個房間的空調系統。之後,氣動系統被效能更佳的電子開關所取代,直到最近,則被數位控制器取代。

在建築物自動化系統的推演過程中,可控制的系統已從冷暖空調(HVAC)系統擴展到更廣泛的範圍。現今,藉由BIoT創新技術將帶來無限的發展可能性,潛在的智慧建築應用除了恆溫器、照明和安全基礎設施,還包括窗戶、門鎖以及室內和室外電子看板等。而且,智慧建築的應用範圍,還在持續擴展中.

雖然,傳統的建築物自動化系統僅能部署在像是商業大樓的大型建築才符合經濟效益,但現在,新興的BIoT技術已為中小型建築業主帶來了具成本效益的解決方案。透過利用低成本的連接、感測與雲端運算能力,以及充裕的資料儲存能力,已推動了智慧建築市場的快速成長。

現代建築物的建造時間大約從五十年前開始,但採用的技術往往每十年就會汰換一次,頂多維持二十年。對房地產業主來說,不可能一有新技術出現就拆掉舊建築,更換新設施,必須依照需求來逐步更新。

一棟大樓一開始可能是先安裝數位控制的HVAC系統,然後再增加安全攝影機網路、接著是中央控制的照明和百葉窗、電子鎖,甚至考慮用數位看板來管理緊急情況。每次安裝的系統都是來自不同的供應商,因為很少公司能夠同時在不同的領域中保有優勢。

開放標準協訂整合度更高

上述情形造成彼此不相容的複雜網路和技術組合。雖然每個系統都有其各自用途,但要管理這些系統並使其協調運作,變得更困難。最後,開放的標準協定,包括BACnet、LonWorks,以及Tridium的Niagara框架的興起,便取代舊有技術協定。

雖然這些標準提供更高程度的整合,但它們在互通性、成本以及開放性等方面也都各有限制,沒有單一系統能夠完全滿足建築物自動化中最常用標準的需求。根據一份針對建築物自動化系統進行的學術評估報告指出,為彌補各系統不足,導致非標準化解決方案的發展,這反而更進一步阻礙系統之間互通性。

BIoT為中小企業量身打造

透過擴大建築物監控與管理的範圍,並降低擁有成本,BIoT技術顛覆了現有的遊戲規則。因此,在美國,佔98%商業建築市場以及65%樓板面積的中小企業也能跨入此一市場。為了簡化部署與維護成本,業者一直期望能實現無線部署的目標。而現在,歸功於低成本的無線感測裝置,且能將多種感測器整合到單一封裝中,因此使建置成本大幅降低(圖1)。

圖1 BIoT的創新技術顛覆了現有的遊戲規則,透過利用低成本的連接、感測與雲端運算能力,以及充裕的資料儲存能力,推動智慧建築市場的快速成長。

但是,BIoT系統不僅是硬體部署,從感測器收集到的數據也同樣具有價值,因此需要藉助系統的分析功能。新的商業模式,例如基礎設施即服務(Infrastructure-as-a-Service, IaaS)、平台即服務(Platform-as-a-Service, PaaS)、以及軟體即服務(Software-as-a-Service, SaaS),提供了不同的商業模式,讓業者擴展至存取雲端的數據分析與儲存服務,輕鬆地管理所需的雲端技術。

值得一提的是,這些系統可以無縫整合到智慧手機中,讓人們可直接從遠端監控住家或房產。透過友善的介面提供監控、分析和控制功能,BIoT系統可大幅降低對專業知識和培訓的需求,進而最佳化使用者的智慧建築室內體驗、且維護基礎架構,並進而節省能源成本。

從歷史上來看,每個建築物的自動化功能都是獨立開發完成的。因此,就技術、平台和架構來說,今天的智慧建築硬體生態系統仍是各自為政。由於業者期望能把多項功能整合到單一的全方位解決方案,因而帶動了多個趨勢的興起。

另一方面,業者已經體認到,需要建立強大的聯盟來整合和簡化他們的產品。在Memoori發布關於智慧商業建築BIoT的報告中,說明了建築系統製造商、主要ICT供應商的IoT平台解決方案,以及軟體、應用程式和平台領域之間的合作夥伴關係和策略聯盟擴展。這些聯盟通常是來自於不同的利基市場,包括智慧照明、HVAC和電梯業者。

在管理服務和架構方面則是另一種方法,旨在使各種不能互通的解決方案能夠協同運作。服務導向架構,如BACnet網路服務和oBIX,可透過在已部署的建築物自動化技術和客戶端IoT應用程式之間增加抽象層(Abstraction Layer)來執行。

接下來的挑戰是需克服IoT應用的網路安全和數據隱私問題,BIoT也不例外。隨著越來越多的元件連接到日益複雜的解決方案中,網路安全的威脅也變得越來越具挑戰性,唯有當系統中最脆弱環節也具備應有的安全性時,才能達到真正的安全。

根據Memoori的估計,到2022年,智慧商業建築的新興網路安全市場將以超過15%的年複合成長率增加,這是市場發展的必然結果。

智慧連網建築新興技術湧現

隨著智慧建築市場的興起,也帶動了許多技術試圖競逐此商機,但目前尚未有「一體適用」(One-size-fits-all)的解決方案出現。即使是具有從數十個到數百個感測器的小型連網建築物,平均也會用到三種不同的通訊技術。而且,隨著建築物的規模變大,系統也越來越複雜。現階段,專有和開放技術正相互競爭,試圖以單一的統一標準來整合不同系統的努力也在進行中。

除了通訊技術的創新之外,我們也看到了基於網狀和毛細管網路的新架構出現,能夠進一步最佳化頻寬使用,並降低擁有和維護成本。新興的室內定位技術和創新的感測方案,也推動了智慧建築新使用案例的實現,像是資產追蹤、正確的訪客人數計算等。此外,透過人工智慧的應用把更多的分析功能從雲端帶到終端裝置,也降低對頻寬的需求。

雖然室內通訊的骨幹仍可能是利用TCP/IP 或乙太網路等有線技術,但無線技術正在擴大其在智慧建築中的應用。其中,常見的是短距離無線技術,它可提供連網功能並實現無線感測器網路。廣泛內建於智慧型手機和平板電腦中的藍牙技術,則是控制智慧家庭裝置的必然選擇。

由於對配置裝置零需求,在建築物的警報面板應用中,蜂巢式技術也很常見。LTE Cat 1可提供串流語音和視訊、以及智慧量表所需的足夠頻寬。4G低功耗廣域網路(LPWAN)技術,包括LTE-M和NB-IoT,已成為對智慧量錶更具吸引力的蜂巢式技術,可滿足其極低的頻寬需求。這些通訊連接技術方案在5G世代中,也將以大規模機器型態通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)形式持續發展。

最終,通訊技術的最佳選擇,仍需取決於實際的使用案例需求。雖然蜂巢式裝置易於安裝,但由於需要行動數據方案,因此大規模部署的成本較高。而針對更高密度的部署,例如智慧照明、暖氣節電器、以及無線室內感測器網路等,藍牙網狀網路可以發揮其短距離通訊的技術優勢。透過與閘道器連結,藍牙網狀網路能以無線的方式把分散式裝置與內部的建築物自動化系統或雲端服務相連。

此外,2019年初,藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)宣布,為其定位服務解決方案推出了增強功能。基於藍牙的定位技術已長期用來協助使用者利用藍牙標籤(Bluetooth Tag)尋找物品。透過在建築物內的固定位置安裝藍牙接收器,房產業主可提供即時定位服務,以支援追蹤人員、資產與其他物品的功能。此外,信標設置也是在大型建築物中提供引導服務的常見解決方案。針對這些使用案例,新的增強功能可增加尋找方位應用,實現準確度小至公寸級(Decimeter-level)的室內定位服務與其他應用。

無線通訊模組選得好 加速產品開發設計

要為多樣化的使用案例選擇適當的無線通訊技術是相當具挑戰性的,需考慮節點間的互通性、覆蓋範圍、可擴充性以及安全性,而採用預先通過測試與認證的通訊模組,更可協助製造商輕鬆地完成設計並加速產品開發週期。

u-blox擁有涵蓋GNSS定位、蜂巢式以及短距離無線電技術的完整產品組合,且在全球各地建立了許多的應用實績,不僅是個別技術的供應商,更能以豐富的經驗與技術支援能力,成為結合這些技術的整體解決方案供應商,提供智慧建築應用所需的各種無線通訊方案,能助力業者加速智慧建築應用的實現。

此外,基於產品都是專為使用週期長的應用而開發,加上靈活的套疊式(Nested Design)設計概念,讓產品可隨著標準演進輕易地無縫升級到新技術,降低智慧建築應用產品世代更迭的風險、支出和維護費用,也是業者在設計產品時不可不考慮的重點,方能在新的智慧時代保持領先優勢。

(本文作者為u-blox台灣區總經理)

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