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國立聯合大學電機資訊學院
2018 年全國金腦獎專題競賽
計畫書
專題競賽題目：
居家安全自動偵防車Pimy
報名編號： 3
指導教授： 李國川
就讀系所： 資訊工程學系
參賽隊員： 劉昱顯（隊長）
游君帥
林俊緯
簡偉丞
中
華
民
國
1 0 7
年
4
月
1
日
居家安全自動偵防車 Pimy
指導教師：李國川* 老師
學生：劉昱顯、游君帥、林俊緯、簡偉丞
國立聯合大學 資訊工程學系
苗栗市恭敬里聯大路一號
[email protected]
摘要
隨著科技的發展、物聯網朝著許多不同的面 向發展而近幾年人工AI 的技術也逐漸地展露頭 角，與物聯網做結合，形成更智能的生活環境。 研究開發這台車，使其達成不會撞牆，沿著 指定路徑或是操縱行駛，進而擴大開發成機器人 底盤；亦可搭載各項感應器，做一個居家保全， 即時回傳家中各處情況，如：有人進入家門，或 是瓦斯忘記關，一氧化碳濃度過高，或是家裡長 輩即時有緊急事項等；也可將此車再延伸應用為 探勘車，探勘地形並回傳所有感測到的圖形、數 據，再去做分析、構圖等應用在科學研究方面。 若結合醫院，可依照指定路徑、固定顏色地 磚，帶病患到診間、領藥、掛號，幫助護士尋 房、送藥、領藥單等給病患，或是病房、診間內 有缺少器具但護士無法抽空離開，達成輔助醫護 人員減輕工作壓力的目的。 關鍵詞：Raspberry Pi、自走車、家居機器人、醫 院照護機器人、感測器。1. 前言
近來居家生活系統的應用，已逐漸邁向主 流，所以開發小型的家居機器人結合各項感應 器，大數據整合，做一個居家監控中疏，成為生 活的好幫手。結合遠端控制器、集成感測器、電 腦、手機、機器人，透過物聯網，實現遠端遙 控、定時回報、監控家中狀態，以達成生活的便 利性，並可延伸應用。 使用者可透過網頁端或手機知道居家環境的 即時資訊，若感測器偵測出居家環境的異常狀 態，系統將會發送警告訊息通知使用者或社區管 理人員，並啟動週邊設備來處理異常狀態事件， 降低危害的發生。 最近幾年來交通事故的頻傳，也促使大眾更 加注重行的安全。自動駕駛汽車也成為了發燒的 話題，它能夠在不需要人為操作即能感測其環境 及導航，透過雷達、光學雷達、GPS 及電腦視覺 等技術感測其環境。先進的控制系統能將感測資 料轉換成適當的導航道路，以及障礙與相關標 誌。根據定義，自動駕駛汽車能透過感測輸入的 資料，更新其地圖資訊，讓交通工具可以持續追 蹤其位置，即使條件改變，或汽車駛進了未知的 環境內。 這無疑的是一種降低事故發生率的方式，但 其中還有許多潛在的障礙像是軟體可靠性、損害 賠償責任、系統穩定性、交通規則……等，都值 得我們去深入探討。 目前台灣有許多醫院人力短缺、工作負荷量 大，導致醫療品質下降。因此開發一物品藉由物 聯網，協助遞送器具或是帶路等簡單工作，減少 醫護人員的工作量，提升醫療品質。這些都是延 伸應用家居機器人的可達成的輔助功能。 1.1命名由來
這台車，我們將它研發，與樹莓Pi 做結合應用， 並打造專屬個人化的風格(my)，以達成居家安全 自動偵防，所以命名為居家安全自動偵防車 Pimy。圖1 .Pimy 車
2. 專題內容及說明
2.1 開發環境
開發環境主要是使用ArduinoIDE 撰寫車體
程式部分包括感測器資料接收、傳輸、APP 指令 處理，然後用MIT APP Inventor 2 來完成手機 App 的操作部分，手機部分可以發送命令給車體 或是從Server 上讀取感測器資料，並可看到家裡 的狀況。
2.1.1 ArduinoIDE 開發環境
Arduino，是一個開放原始碼的單晶片微控制 器，它使用了Atmel AVR 單晶片，採用了開放原始 碼的軟硬體平台，建構於簡易輸出/輸入（simple I/O）介面板，並且具有使用類似 Java、C 語言的 Processing/Wiring 開發環境。2.1.2 MIT APP Inventor 2 開發環境
Android 應用開發者（英語：App Inventor） 是起先由 Google 提供的應用軟體，現在由麻省理 工學院維護及營運。 它可以讓任何熟悉或不熟悉程序設計的人來創造 基於 Android 作業系統的應用軟體。它使用圖形 化界面，非常類似於 Scratch 語言和 StarLogo TNG 用戶界面。這樣用戶可以拖放圖形對象來創 造一個運行在安卓系統上的應用，它就可以在許 多手機設備上運行。
2.1.3 Apache HTTP 伺服器開發環境
Apache HTTP Server（簡稱 Apache）是 Apache 軟體基金會的一個開放原始碼的網頁伺服 器軟體，可以在大多數電腦作業系統中運行，由 於其跨平台和安全性。被廣泛使用，是最流行的 Web 伺服器軟體之一。它快速、可靠並且可通過 簡單的 API 擴充，將 Perl／Python 等直譯器編譯 到伺服器中。
2.2 硬體配備
1.Raspberry Pi 3 2.兩驅 2WD 智慧小車套件 3.L298N DC 直流電機驅動板 4.Node MCU ESP8266 WI-FI 開發板 5.Arduino Nano V3.0 6.ZS-040 with HC-05 Bluetooth 7.HC-SR04 超音波距離感測器(附實測簡略說明)： 角度：+-15 度 距離：2CM~400CM 精確度：0.3CM 實際測試：誤差1~3CM(根據車速等狀況) 實測停止平均距離：11.8 公分 8.DHT_11 溫溼度感應器 9. MQ-2 氣體偵測感測器 10. MQ-7 CO2 一氧化碳感測器 11.人體感測器 12.SG-90 舵機 13.紅外線尋跡感測器 圖2. MQ-2 氣體偵測感測器圖3. MQ-7 一氧化碳感測器 圖4. 各項硬體配備
2.3 系統架構介紹
本專題主要是將車體能接收到感測器資料並 且做出障礙物判讀、將數據回傳資料庫並做統整、 能隨心所欲操作車體，並遠端監控居家環境為主要 目的，因此分為後台運作、智慧型手機的應用程式 開發、車體程式開發、資料庫整合開發、路徑規劃 開發。 當使用者操作車體前，需先在APP 上輸入車 體所屬的網路IP，便可進入操作流程。而車體會持 續的接收感測資料，依照使用者的指令操控，當遇 到障礙物時，應立即停止使用者的操作指令，直到 狀況排除；使用者也能透過手機介面查看家裡的狀 況，如有感測器監測到異常狀態，能夠即時回應通 報使用者，以上為手機與車體的開發架構。 當有狀況發生時，感測器接收到的資料透過 API 方式寫進 Raspberry Pi 3 上的資料庫，能透過 API 回傳與發送到手機端及車體端，當作溝通的媒 介，讓使用者能得知個感應器的數據，如距離、溫 度、濕度、氣體濃度……等，這些是資料庫端的開 發。 後 台 運作 感測器資料接收→使用者要求傳送 手 機 程式 輸入裝置 IP→進入控制流程，監控居 家狀況 車 體 程式 使用指令接收→感測器資料判讀與傳 送→結果執行(繼續/停止) 表1.各層架構2.3 系統架構圖
圖3.系統架構圖2.4 使用者操作介面
使用者須在此介面上輸入車體所屬的IP 位址， 利用Wi-fi，方可利用按鈕操控車體移動。 圖4. 使用者操作介面
3.專題實作
3.1 實作功能
1. 利用距離感測監控車子行進時是否撞牆(被撞) 等情形以做出剎車反應。(參考圖5) 2. 用 WIFI 連接手機、Pimy、攝影機，以形成同一 區域網路，並利用手機控制汽車行進，讀取各項感 測器資料。 3. 利用 NodeMCU 上撰寫的程式，使之判斷行進 (前進、轉彎等)時遇到障礙物停下或再轉向，不亂 碰撞，並處理回傳、接受各項感應數據。 4. 當下紀錄的各項感測(溫度、濕度、距離)，傳送 到Raspberry Pi 3 的資料庫，讓手機 APP 端可以撈 取，另有攝影機紀錄監控到的景象。 5. 利用所有感測到的各項數據整合，在手機上可 以監控、查看家中狀態，若有異常及時閃爍紅燈並 發出警報通知使用者，也可以獲取資料庫中各項感 測器資料，另外將回傳的距離資料傳送至車體，使 其調整最佳剎車距離，或可依照指定路徑行進，並 修正角度，有效避開障礙物。 圖5.手機藉由區域網路操作車體。3.2 操作流程圖
圖6.操作流程圖3.3 執行畫面
圖7.輸入裝置 IP 圖8. 操控車體 圖9.碰撞避免 圖10.實際畫面，右下角為車體搭載之攝影機畫 面，此畫面也可在手機端上呈現。圖11. 居家監控之畫面檢視 圖12. 廚房有異常發出警訊，通知使用者 圖13. 點選廚房查看警訊，以做出應對舉動。
3.4 資料庫數據
資料庫紀錄溫度、氣體數據、一氧化碳濃度、 濕度與距離，距離數據會及時回傳車子調整最佳停 止距離。 圖14.資料庫4.應用
4.1 家居機器人
利用電信網路、無線AP、家用網路連線， 即使外出不在家，家中若有小孩、寵物，可以利 用Camera 查看家裡小孩狀況，或是餵食寵物，也 可遙控車體和家裡寵物互動，監控家裡狀況。 若有急事，可立即碰觸車體（按鈕）等與遠 端的監控者聯絡，另外可結合智慧家居系統，監 控居家各種安全，在手機上呈現回報給使用者， 如：瓦斯忘記關立即發送警報與通知，趕緊透過 遠端關閉瓦斯或是其他處理；闖空門立即得知； 開冷氣、開門、鎖門等。 搭配Raspberry Pi 3 做資料庫，記錄各項數 據、發送、接受各種使用者的訊號控制家具、處 理各項要求。在各廳室設備加裝控制器，機器人可根據情 況及時控制窗戶、窗簾、燈光、電扇、冷氣、除 濕機，調節燈光、溫度、濕度，隨時控制家中的 環境在最舒適的狀態。 加裝感測元件使家居機器人可偵測氣體濃度 變化，如:可燃氣體濃度超過500ppm 持續超過 60 秒或一氧化碳濃度達到規範之數據，機器人即發 出警訊通知居家人員，讓居家人員有時間應變， 以降低災害發生的機會。 圖15. 美國規範一氧化碳偵測警報器
4.2 在其他方面的應用
利用醫院同一區域網路的無線AP 達成，搭 載Sensor，依照某種固定顏色線、地板或是固定 路徑，遇到障礙物可自動閃避並修正新角度、路 徑，遇到樓梯、高低起伏、或是其他障礙物另外 發出訊號，提醒病患注意。可結合輪椅或是做成 獨立的機器人帶病患到診間、領藥、掛號，幫助 護士送藥、領藥單等給病患，或是病房、診間內 有缺少器具但護士無法抽空離開，也可利用機器 人達成輔助的目的，減少醫療人員的工作，增加 醫療品質。 無人駕駛車，透過模擬各項狀況及測試，記 錄數據，利用深度學習自我進步，將最佳剎車、 閃避時機不斷模擬更新，藉以應用在實體道路 上；或是做各項安全性測試時，確保測試人員的 安危，並可記錄衝撞當下的各項數據：衝撞力 道、撞擊角度、剎車時間、反應時間等等數據， 做為車商的研發及改良的依據，使產品發生交通 事故的發生率降低或是事發後的生存率大幅提 高。5.結論
本次的專題製作，從無到有，經歷了許多的狀 況，組裝的配置、各式各樣感應器程式的撰寫與除 錯，最後開始實測，經歷了許多碰撞還有挫折，做 了更多樣的測試與程式語法的更新，也和組員意見 分歧很多次，最終分工合作完成這份專題，都只為 了能使車體更加安全與延伸應用的更廣泛。 氣體感測是智慧家庭應用情境裡的冰山一角， 還有更多未來能添加發展應用的方向，家中任何裝 置及環節都將成為IoT 物聯網一部分，還要以跨裝 置、跨領域、跨系統平台方式，整合家電、傢俱、 穿戴配件甚至智慧機器人等。 將感測到的數據與車上主機程式不斷溝通與更 新，並搭配路徑等的演算法方面，開發與探討研究 讓我們傷了很大的腦筋，如何在行駛中遇到障礙能 巧妙閃避或是依照指定路徑行走時，離開指定路徑 能讓他自動修正或尋找新的路徑，希望在未來能有 更佳的方式去處理這些問題，使Pimy 車能應用更 加廣泛與進步，透過物聯網的技術與Pimy 車的應 用，對未來有極大貢獻。
參考文獻
[1]維基百科：Arduino https://zh.wikipedia.org/wiki/Arduino[2]維基百科：MIT APP Inventor 2
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/MIT%E5%BA%94%E7%94%A8%E5%B C%80%E5%8F%91%E8%80%85 [3]維基百科：Apache HTTP 伺服器 https://zh.wikipedia.org/wiki/Apache_HTTP_Server [4]自走車循跡功能 https://tutorials.webduino.io/zh-tw/docs/useful/example/toycar-line-following.html
[5]自走車實作 http://www.86duino.com/wp-includes/file/Chapter07-TC.pdf [6]汽車圖片來源 https://www.google.com.tw/search?q=%E6%B1%BD %E8%BB%8A&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ve d=0ahUKEwjvgo_PiIXaAhWKfbwKHS9rA_MQ_A UICigB&biw=1536&bih=759 [7]無人車規劃 https://technews.tw/2017/05/22/waymo-self-driving-car-sensing-system/ [8]掃地機器人路徑規劃 https://www.inside.com.tw/2016/06/15/robot-cleaner [9]簡易 DTH11 程式 http://k12.camdemy.com/media/10774 [10] CO 一氧化碳濃度 參考資料 http://www.jic.com.tw/manager_admin/new_file_do wnload.php?Pact=FileDownLoad&Pval=237 [11] MQ3 瓦斯偵測器 參考資料 http://blog.dcview.com/article.php?a=BTgEZ1QyCjQ EbA== [12] 居家智慧安全看物聯網未來展望 https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130 &id=0000269939_iyfl71vh2tzw36lf40x3o [13] 裝置互聯智慧到家 撼動改變生活 http://magazine.chinatimes.com/novainfo/201710160 03885-300702 [14] 國立台北科技大學 自動化科技研究所 104 碩士論文-智慧居家安全系統 http://ir.lib.ntut.edu.tw/wSite/ct?mp=ntut&xItem=658 10&ctNode=447 [15] 大葉大學資訊工程學系碩士在職專班 -96 碩 士論文-居家安全監控系統之設計與實作 http://hdl.handle.net/11296/7j7a93
