應用於智慧型運輸系統中健康照顧之行動感測系統

國立臺中教育大學資訊工程學系碩士論文

應用於智慧型運輸系統中健康照顧

之行動感測系統

A Mobile Sensing System for Healthcare in

Intelligent Transportation Systems

指導教授：林嬿雯 博士

研究生：陳中正

誌 謝

首先感謝我的指導教授林嬿雯教授，在學業方面兩年間不斷的細心指導我研究的方 向，使我在這些日子中獲益良多。再來，要感謝口試委員李國川教授、王丕中教授、顧 維祺教授百忙中審閱我的論文與蒞臨指導，使我的論文能更加充實。然後，感謝系上的 王讚彬教授、張林煌教授、賴冠州教授、顧維祺教授、李宗翰教授、黃國展教授、徐國 勛教授、李宜宣教授、孔崇旭教授，在課堂上或學校生活都給我許多教學與幫助，適當 的指出我需要改進的地方和為我解答課業上的問題。 兩年的日子裡，在實驗室的點點滴滴，有學術上的討論、趕實驗的革命情感、日常 中的閒聊與吃吃喝喝的生活。要感謝的學長姐：芳瑜、介民、國唐、浩鈞、朝傑、碩瑤、 裕其、鈺中、維屏、家浚等。同學：元愷、宸勳、政彥、佩珊、建豪、育彰、奕綸、柏 寰、郁翔、紹源、閔遇、明駿、智皓、宏修、柏均、瑤倫等。學弟妹：柏翔、善尹、嘉 佑、惇旻、藍妮等。感謝有你們的陪伴與幫忙，在這兩年的研究生活中變得多彩。 最後感謝我的家人與筱琪，讓我無後顧之憂和是我堅強的後盾，陪伴我完成碩士學 業，謝謝你們。 陳中正 謹誌 國立臺中教育大學資訊工程學系研究所 中華民國一零二年七月

I

摘 要

近年來，物聯網（IoT，Internet of Things）的應用變得越來越吸引人，其中智慧型 運輸系統（ITS，Intelligent Transportation Systems）便是物聯網重要應用之一。智慧型運 輸系統的主要目標是增進交通的安全與舒適性。其中，然而車輛駕駛員在交通事故中常 見原因為酒後駕車和身體不適，所以車輛駕駛員的健康狀況掌握在交通運輸上變得極為 重要。在本論文中以生物感測器對車輛駕駛員健康照顧做即時監控及緊急通報。此外， 本文也利用智慧型手機的優點是包含各種嵌入式感測器（GPS 等）和無線網路介面（3G、 Wi-Fi、藍芽）。智慧型手機可以透過藍芽匹配生物感測器收集感測資料並附加本身 GPS 地理位置，經由 Wi-Fi/3G 網路定期將車輛駕駛員的健康照顧資訊傳送至控制伺服器。 當車輛駕駛員有緊急事故發生時，諸如：酒精讀數或心跳速率超過門檻值，控制伺服器 以寄送簡訊服務通知相關使用者，包括駕駛的家庭成員、公司、相關醫護單位等。本文 也提供網頁伺服器以文字和 Google MAP 顯示車輛駕駛員的緊急事故位置給相關使用者。 使用者透過簡訊服務與網頁伺服器的資訊，可以即時掌控車輛駕駛員的緊急事故情況， 並做出相關後續處理。本文完成的系統可達到針對車輛駕駛員的健康即時性的監控與即 時通報，落實智慧型運輸中重要的一環。 關鍵詞：物聯網、智慧型運輸系統、行動感測、生物感測器、健康照顧

II

Abstract

The applications of Internet of Things (IoTs) become attractive. Intelligent Transporta-tion System (ITS) is one of the most popular IoT applicaTransporta-tions. The goals of ITS are to improve traffic safety and comfortable. Drunken driving and physical discomfort of the vehicle drivers are common causes of car accident. Therefore, real time healthcare for vehicle drivers attracts great interests. In this proposed system, a mobile sensing system is developed to monitor the health status of the vehicle drivers. Plenty of embedded sensors and wireless communication interfaces are facilitated included in the smartphones. In the developed system, the smart phone will send the health condition of the vehicle driver to the control server. When the driver has an emergency situation, such as alcohol concentration or heart rate is greater than predetermined thresholds. The control server will report the health condition of the vehicle driver to the related parties, including family members, company, and related doctor/hospital. In addition, the location of the driver will be displayed on the map. Users learn real time location situation of vehicle drivers via SMS or Web servers.

III

目 錄

摘 要 ... I Abstract ... II 目 錄 ... III 圖 目 錄 ... IV 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究背景與動機 ... 1 1.2 問題描述 ... 2 1.3 研究目標 ... 2 1.4 論文架構 ... 3 第二章 相關研究 ... 4 2.1 健康照顧 ... 4 2.2 行動感測系統 ... 5 2.3 智慧型運輸系統 ... 7 2.4 雲端計算 ... 8 第三章 系統概觀 ... 10 3.1 系統模型 ... 10 3.2 訊息流程 ... 13 3.3 使用介面 ... 15 3.4 系統流程演算法 ... 18 第四章 研究議題 ... 28 4.1 硬體與軟體需求 ... 28 4.2 網路架構 ... 30 4.3 連接智慧型手機與 Seeeduino ... 32 4.4 效能實測 ... 33 第五章 結論 ... 35 參考文獻 ... 36

IV

圖 目 錄

Figure 3.1：系統模型 ... 13 Figure 3.2：感測資料與地理位置的訊息流程 ... 14 Figure 3.3：藍芽權限請求 ... 16 Figure 3.4：行動感測系統 ... 16 Figure 3.5：簡訊緊急文字 ... 16 Figure 3.6：Google 地圖駕駛員緊急位置 ... 16 Figure 3.7：網頁中駕駛員緊急文字 ... 16 Figure 3.8：控制伺服器儲存駕駛員資料 ... 17 Figure 3.9：Seeeduino 程式環境視窗（酒精） ... 19 Figure 3.10：酒精感測器和藍芽模組 ... 19 Figure 3.11：Seeeduino 程式環境視窗（心跳） ... 20 Figure 3.12：心跳感測器和藍芽模組 ... 22 Figure 3.13：行動感測系統 ... 23 Figure 3.14：在網頁中駕駛緊急情況 ... 25 Figure 3.15：控制伺服器寄送簡訊給使用者 ... 27

Figure 4.1：Seeeduino Board 和酒精感測器 ... 28

Figure 4.2：Seeeduino Board 和心跳感測器 ... 29

Figure 4.3：報告感測資料 ... 31

Figure 4.4：報告資訊到伺服器和使用者收尋資訊 ... 32

Figure 4.5：智慧型手機封包發送到控制伺服器 ... 34

1

第一章 緒論

1.1 研究背景與動機

IoT 應用包括[1][2]：數位家庭、製造商、環境與公共設施、醫療、智慧運輸系統（ITS，

Intelligent Transportation System）等。其中，智慧型運輸系統是物聯網最具代表性的應 用之一。 行動設備的巨大進步和無線通訊技術使行動通訊深刻的影響我們日常生活。目前智 慧型手機提供計算和通訊功能帶來了新的議題。行動感測（Mobile Sensing）指智慧型 手機包含各種感測器[3]，包括加速度計、數位羅盤、陀螺儀、GPS、麥克風和照相機等 提供感測工作。因此，智慧型手機也提供了新的應用在各種領域[3]，如醫療保健、社群 網路、環境監測、交通。 車輛駕駛員的健康狀況嚴重的影響道路的安全性。因此，在智慧型運輸系統中健康 照顧尤其針對車輛駕駛員吸引了極大的興趣。在論文中，本系統中行動感測系統（Mobile Sensing）開發為車輛駕駛員的健康照顧做即時監控，智慧型手機定期將車輛駕駛員的健 康照顧資訊儲存在控制伺服器中。當車輛駕駛員有緊急事故發生時，控制伺服器將以簡 訊服務和同步網頁伺服器報告車輛駕駛員的緊急事故位置給使用者。使用者透過這些資 訊給車輛駕駛員提供適合的服務。

2 1.2 問題描述 智慧型運輸系統中，車輛駕駛員的健康狀況有可能受到酒後駕車、心臟疾病等影響 到交通行車安全，交通事故的發生也隨著車輛駕駛員的這些症狀而增加。而造成交通行 車安全的原因[4]：（1）車輛駕駛員在每次開車前即使通過酒精濃度測試，但是通過後再 去飲酒，導致通過測試也無法達到防治效果。（2）車輛駕駛員本身有身體疾病（糖尿病、 高血壓等），因此造成車輛駕駛員和其他用路人危險。 當車輛駕駛員發生緊急事故而需要緊急求救時，通常做法是撥打手機到求助專線。 許多防止酒後駕車的產品[5]只有當車輛發動前進行測量一次，而測量到酒精反應後也必 須車輛駕駛員自行求救，造成在使用上較無效率。尤其是患有心臟疾病的車輛駕駛員， 在發生緊急情況時可能想撥打緊急電話前已經昏迷或者在車輛行駛中無法撥打電話。此 外，急救人員通常必須要知道車輛駕駛員的正確位置才能派遣救護車前往，可能在車輛 駕駛員口述不清而造成搶救時間上的嚴重浪費。為改善這些狀況，本論文針對車輛駕駛 員的健康照顧做即時性的監測與自動式緊急求救。 1.3 研究目標 為解決智慧型運輸系統中隨著車輛駕駛員的健康狀況不適導致的交通事故，本論文 將致力於達成以下目標，包括：  針對車輛駕駛員健康照顧：用於監測車輛駕駛員的生物感測器必須考量使用與省電

3 方面。使用方面採用酒精感測器和穿戴式心跳感測器讓車輛駕駛員可以定期報告感 測資料。此外，省電方面考量智慧型手機與生物感測器的電池電量是非常寶貴的。 目前，生物感測器支援的無線介面有三種，包括 Zigbee、藍芽、Wi-Fi。智慧型手 機支援的無線介面有藍芽、Wi-Fi、3G。在使用無線網路介面相互匹配時必須考量 省電因素。而無線介面的耗電量由高至低依序為 Wi-Fi, 3G, 藍芽, Zigbee。智慧型 手機中並無 Zigbee，所以採用藍芽在兩者之間傳輸感測資料。  即時性的緊急求救：當車輛駕駛員發生緊急事故時，必須自動式的緊急求救。智慧 型手機將感測資料與地理位置給控制伺服器。控制伺服器發現車輛駕駛員的感測資 料異常時，以簡訊服務傳達緊急訊息給使用者做求救。另外，使用者可以在網頁伺 服器掌握車輛駕駛員的正確位置與健康照顧資訊才能做後續措施處理。 1.4 論文架構 本論文共分為五個章節，各個章節簡介如下：第二章為文獻探討，針對系統所使用 到的技術作介紹。第三章是系統概觀，將詳細說明本開發系統的模型、訊息的傳遞方式、 使用介面的操作。第四章本系統會探討的相關議題描述；第五章說明本論文結論和未來 工作。

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第二章 相關研究

2.1 健康照顧 資訊與通訊技術的發展帶起各個領域的議題，健康照顧服務（Healthcare Services） 應用於智慧型手機是稱為行動醫療方案（mHealth solutions）。健康照顧是目前一項趨 勢，健康照顧的重點是對於個人的健康狀況作監控與管理，如高血壓。隨著感測與行動 通訊的進步，利用穿戴式感測器結合智慧型手機逐漸開啟了遠程監控病患的概念[6]。 [6]由一個穿戴式感測器感測心電圖（ECG，Electrocardiogram）和耳脈搏光體積量測 （PPG，Photoplethysmogram）使病患在日常工作下可提供心臟狀況的檢測。此外，自 動記錄病患的感測資料和預警系統發展是增加健康的可觀性。智慧型手機在醫療服務有 重大影響[7]，因為智慧型手機有各式各樣的無線網路介面，包括 3G、藍芽、Wireless LAN、 WCDMA、GSM。智慧型手機可以收集病患的感測資料轉發到醫療監控平台，使醫生可以更 快速了解病患的日常生活與管理記錄，而病患也能夠即時作回饋和更好的管理自己健 康。 [7]智慧型手機在醫療應用：  麥克風感測器：麥克風應用在三種情況（1）通訊和醫療人員培訓。（2）疾病和疫 情追蹤。（3）診斷和支援治療。舉例：肌強直症(Myotonic disorders)患者其特徵 是一種肌肉收縮後不易放鬆的疾病，可能會導致難以移動。病患可以打電話到資料

5 收集服務，並說明自己的狀況。自動語音會分為四個症狀：肌肉僵硬、四肢無力、 疼痛、疲勞。因為評估可以自動完成減少醫生出診次數，也允許病患無須住院。  相機感測器：相機應用於遠端醫生會診（1）病患無法輕易到達醫院。（2）所在地 區缺乏專業醫療。常見於皮膚科最明顯的例子是病患在系統中註冊，註冊後指示病 患正確採集照片。然後經由智慧型手機將照片傳送到資料收集服務器。醫生遠端根 據圖片分析。  加速度感測器用於醫療目的是追蹤人的身體活動量。這一點很重要，因為針對慢性 病可以減少風險。 2.2 行動感測系統 [8] [9]智慧型手機越來越受到注意，因為不僅是資訊娛樂平台也可建立一個大型 的感測器網路，使用智慧型手機作為感測器節點開啟應用程序來收集資料。主要智慧型 手機擁有各式各樣的感測器，包括 GPS、加速度計、陀螺儀、接近傳感器、照相機、麥 克風、光感測器、收音機。智慧性手機以情境感知（Context-Awareness）的角度針對各 種環境所需來進行監測。情境感知訊息的發送條件可以是複合條件，條件可能是某個時 段（Time Dependent）、某一個地理範圍（Local Dependent）和某一種天氣情況，若條件 符合，服務提供者（Service Provider）就會將資料發送至特定的訂閱者或者是群組。情 境感知對於物聯網也是有跡可循的，雲端中的環境資料庫（Environment Database）專門

6 儲存無線感測網路（WSN）、個人區域網路（PAN）和車上感測網路（VSN）監測環境 區域定期回報資訊，雲端的服務提供者可以依照客戶端的需求發送訊息給客戶端。另外， 在智慧型運輸系統中，因應最新狀況協助道路安全或取得最新資訊的目的，系統應具有 足夠的情境感知的能力。意即，利用系統中佈署的各種感測網路，包括個人區域網路、 無線感測網路及車上感測網路等，取得人員、道路、車上或其他監控環境的狀態資料， 經各種網路技術連上網際網路後，交由雲端處理，並存入相關的資料中心，同時啟動後 續的處理程序。 [10]智慧型手機組成的共享網路，包含以下關鍵元件：  感測器：智慧型手機感測環境的資料。  網路基礎設施：一個資料庫（Data Repository）提供儲存智慧型手機內嵌入式感 測器所收集的感測資料。一個任務伺服器（Tasking Server）使應用程序能夠按使 用者的需求提供一些服務。感測器代理（Sensor Proxy）使感測器提供資料給應用 程序。  使用者：使用者透過應用程序可以查詢共享網路的圖形化介面。

資料共享框架（Data Sharing Framework）採用 Web 服務讓不同類型的行動設備都 能連接到網際網路上。資料共享框架主要分為三個部分：

 客戶端在手機上收集資料，使用預定義過濾（Predefined Filters）資料並上傳。  Web 服務採用了資料庫索引從智慧型手機上傳的資料。

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 智慧型手機要由應用程序來查詢一個可用於的網頁網址（Uniform Resource Locator）。

2.3 智慧型運輸系統

物聯網（IoT，Internet of Things）定義為[11][12]將不同的環境（Surroundings）、物 件（Object）、車輛（Vehicular）、人（Human）、甚至是人們所建構存在於網際網路的抽 象概念所展現的系統、程式、資料庫等，透過世界有線或是無線的通訊方式連結上網際 網路，達到辨識（Identification）、定位（Location）、追蹤（Track）、管理（Management）、 遠端控制（Remote Control），實現物與物（M2M， Machine to Machine）、物與人、人 與人之間的通訊。以辨識和功能的角度來看物聯網，物聯網藉由物體建構在網際網路中 產生一個辨識身分，如此達到物件透過辨識身分彼此相互溝通。智慧型運輸系統[13]定 義為將電子、感測、通信、資訊等技術，整合人、車、道路基礎設施的管理，應用在各 種運輸系統。智慧型運輸系統所運用到的技術[13]包括：無線通訊, 通訊技術, 動態交通 訊息檢測技術, 感應線圈式車輛檢測, 視訊車輛檢測等。智慧型運輸系統目的為達到即 時交通資訊、監控車輛狀態、管理車隊、提高運輸效率、減少空氣污染，使傳統運輸逐 漸發展成為車輛智慧化。

8 [14]隨著人類不斷的使用交通工具並做大規模的移動，導致產生嚴重的交通堵塞。 而交通堵塞也帶來空氣汙染、噪音、人們時間的浪費、燃料的消耗對於環境造成很大的 損失。此外，交通事故也對我們的日常生活造成負面影響。因此，利用現有的道路基礎 設施做為交通管理，吸引了許多研究者在這方面的大量關注，智慧型運輸系統的想法因 應而生且逐漸可行。而現有的交通管理系統使用固定的感測器網路用於監控車輛。一個 主要的缺點，固定的感測器網路擴張在整個道路，使得佈署與維護成本太高。所以，一 個替代方案為使用智慧型手機在智慧型運輸系統中做為交通管理系統。因為智慧型手機 透過定位模組準確的確定車輛駕駛員的位置。而且，智慧型手機的感測能力可以產生資 料做為流量統計。然後，智慧型手機通訊功能也可通過現有的蜂巢式網路到雲端中的伺 服器。[15]智慧型手機在智慧型運輸系統：羅盤、加速度計、GPS：應用於確定地理位 置、航向、使用者的移動。智慧型手機可以根據感測器（羅盤、加速度計、GPS）提供 的資料可以使用成黑盒子，檢測交通事故和記錄事故相關資料。 2.4 雲端計算 [16]廣義來說，雲端計算是一種經由網際網路連上放置在大型規模的資料中心，資 料中心提供共享軟硬體資源服務的方式組成。舉例：由供應商（如中華電信等）提供伺 服器（Server）平台以租的概念提供客戶端（Client）服務，例如資料庫。客戶端只要 透過各種具備網際網路服務的行動裝置（例如：手機、平板、電腦等）、一個瀏覽器就

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能連到網路上（包括程式語言環境、資料庫、網頁伺服器）使用網路/傳輸連接服務。 根據客戶端不同的需求，將由供應商管理基礎設備後提供最佳服務能力給客戶端使用。

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第三章 系統概觀

本章節內容主要在說明本論文實做方法和結果，包括系統模型、訊息流程、使用者 介面、系統流程演算法。系統模型說明五個關鍵元件和場景敘述。訊息流程是車輛駕駛 員從生物感測器到使用者時的訊息傳遞。使用者介面說明車輛駕駛員與使用者在行動裝 置操作上的畫面。系統流程演算法以 Pseudo-Code 來描述系統的處理方式。實際測量結 果是指系統在道路中針對車輛駕駛員所做的分析。 3.1 系統模型 本論文提出的系統模型分為五個主要部分，如 Figure 3.1 所示，包含生物感測器 （Bio-Sensor）、智慧型手機（Smartphone）、控制伺服器（Control Server）、網頁伺 服器（Web Server）伺服器、使用者（User）。系統模型的使用場景描述如下，車輛駕 駛員穿戴生物感測器（包括：心跳感測器及酒精感測器）和攜帶一隻智慧型手機。生物 感測器經由藍芽模組定期報告感測資料（心跳感測器及酒精感測器）給智慧型手機。智 慧型手機不僅收集感測資料並附加智慧型手機 GPS 模組的地理位置，車輛駕駛員的健 康照顧資訊透過智慧型手機會經由 Wi-Fi/3G 網路介面轉發感測資料與地理位置傳送給 控制伺服器作為紀錄儲存。當車輛駕駛員酒精讀數或心跳速率超過設定的門檻值時，經 由控制伺服器的判斷，在緊急事故情況下會透過 Wi-Fi/3G 網路介面以簡訊服務傳送給

11 使用者（包括：車輛駕駛員的家庭成員、公司、相關醫生/醫院等）。使用者可以透過簡 訊與網頁伺服器的 Google MAP 查看車輛駕駛員的緊急事故位置。使用場景的五個主要 功能模組描述如下：  生物感測器（Bio-Sensor）：在本文中生物感測器包括心跳感測器及酒精感測器能 夠從車輛駕駛員身上收集酒精讀數和心跳速率。  智慧型手機（Smartphone）：智慧型手機擁有豐富的網路介面（藍芽、Wi-Fi、3G） 和各種嵌入式感測器（GPS 等），智慧型手機 GPS 模組可以提供車輛駕駛員的地理 位置。智慧型手機經由藍芽模組連接生物感測器接收感測資料，並附加本身 GPS 模組的地理位置。目前，智慧型手機經由 Wi-Fi/3G 網路介面轉發感測資料與地理 位置儲存在控制伺服器。  控制伺服器（Control Server）：控制伺服器主要負責本系統中資料的管理，儲存內 容包括車輛駕駛員 ID、車輛駕駛員名稱、酒精讀數、心跳速率、經度、緯度、時 間。當車輛駕駛員發生緊急事故狀況在酒精讀數和心跳速率超過設定的門檻值時， 控制伺服器會發送緊急訊息給使用者。訊息發送簡訊內容，包括車輛駕駛員的心跳 速率、酒精讀數、GPS 地理位置。控制伺服器也與網頁伺服器做同步。  網頁伺服器（Web Server）：網頁伺服器主要提供使用者連上網頁即時查詢車輛駕駛 員的緊急事故位置，然後進行後續措施處理。網頁伺服器內容，包括文字與 Google MAP 顯示車輛駕駛員的緊急位置與紀錄。文字內容包含車輛駕駛員 ID、車輛駕駛

12 員名稱、酒精讀數、心跳速率、經度、緯度、時間。Google MAP 地圖呈現緊急事 故中車輛駕駛員的緊急事故位置與最新位置，呈現不同標記顏色。Google MAP 內 容包含車輛駕駛員名稱、酒精讀數、心跳速率、經度、緯度、時間。  使用者：使用者包含車輛駕駛員的家庭成員、公司、相關醫生/醫院等。使用者可以 利用任何裝置（包括個人電腦或智慧型手機等）登入本系統所架設的網頁直接了解 車輛駕駛員的緊急事故位置與紀錄。當然感測資料與地理位置在緊急情況下也會由 控制伺服器以簡訊方式發送給使用者，提供使用者可以做後續的處理，如家庭成員 或公司成員可以知道車輛駕駛員有沒有喝酒或身體不適需要幫忙求救；醫院可依照 簡訊和網頁伺服器知道車輛駕駛員的目前位置與狀況，請求救護車前往和預先準備 好病患的醫療措施。

13 Figure 3.1：系統模型 3.2 訊息流程 本論文訊息流程如 Figure 3.2 中所示，訊息流程是指車輛駕駛員在開車時監控駕駛 狀況之感測資料的過程，主要描述如下。 1. 車輛駕駛員連接生物感測器的電源和首先在智慧型手機啟動相關應用程式。使用藍 芽模組讓生物感測器和智慧型手機相互匹配。在智慧型手機和生物感測器設置相關 連線。 2. 生物感測器定期發送感測資料經由藍芽模組傳送到智慧型手機。 3. 智慧型手機的 GPS 模組取得目前地理位置。

14 4. 車輛駕駛員的健康照顧資訊定期由智慧型手機經由 Wi-Fi/3G 網路介面轉發感測資 料和 GPS 地理位置儲存在控制伺服器。 5. 車輛駕駛員在緊急情況下控制伺服器會將感測資料和 GPS 地理位置以簡訊服務通 知使用者，使用者包含車輛駕駛員的家庭成員、公司、相關醫生/醫院等。 6. 控制伺服器同步網頁伺服器的最新資訊。 7. 使用者在任何時間任何地點都可以用行動裝置（手機、平板、PC 等）在網頁伺服 器查詢到車輛駕駛員的緊急事故位置，緊急事故位置資訊以文字和 Google MAP 方 式提供車輛駕駛員的地理位置提供使用者作相關措施的後續處理。 Figure 3.2：感測資料與地理位置的訊息流程

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3.3 使用介面

本論文使用介面分別有藍芽權限請求（Bluetooth Permission Request）、行動感 測系統（Mobile Sensing System）、簡訊緊急文字（Emergency Text of SMS）、網頁中 駕駛員緊急文字（Emergency Text of Driver in Web）、Google 地圖駕駛員緊急位置 （Emergency Location of Driver in Google Map API）、控制伺服器儲存駕駛員資料 （Storage Data of Driver in Control Server），主要使用介面描述如下。

目前應用程式開發智慧型手機在 Android 上。啟動應用程式首先會要求車輛駕駛員 在智慧型手機打開藍芽模組，如 Figure 3.3 所示。生物感測器的感測資料顯示在智慧型 手機，包括生物感測器發送的感測資料、智慧型手機 GPS 模組的地理位置、感測資料 與地理位置經由 Wi-Fi/3G 網路介面傳送給控制伺服器作儲存，如 Figure 3.4 所示。此外， 簡訊服務在緊急情況下車輛駕駛員車感測資料超過設定門檻值時，控制伺服器經由 Wi-Fi/3G 網路介面會傳送給使用者，如 Figure 3.5 所示。以 Google MAP 標記車輛駕駛 員酒精讀數和心跳速率超過門檻值的緊急事故位置，圖中三點分別為車輛駕駛員在不同 時間點超過門檻值的位置，最後緊急事故位置以不同標記顯示，如 Figure 3.6 所示。網 頁伺服器顯示緊急事故情況下車輛駕駛員的緊急事故位置提供給使用者利用任何智慧 型設備等查詢車輛駕駛員目前狀況，如 Figure 3.7 所示。控制伺服器儲存車輛駕駛員的 感測資訊與地理位置，如 Figure 3.8 所示。

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Figure 3.3：藍芽權限請求 Figure 3.4：行動感測系統

Figure 3.5：簡訊緊急文字 Figure 3.6：Google 地圖駕駛員緊急位置

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3.4 系統流程演算法

系統流程演算法旨在詳述說明上述在使用介面的程式執行流程，包括酒精感測 器和藍芽模組（Alcohol Sensor and Bluetooth Module）、心跳感測器和藍芽模組（Heartbeat Sensor and Bluetooth Module）、行動感測系統（Mobile Sensing System）、在網頁中駕駛 緊急情況（Emergency Situation of Driver in Web）、控制伺服器寄送簡訊給使用者（Control Server Send Message to User）。演算法以 Pseudo-Code 表示如下：

Figure 3.9 所示，車輛駕駛員在程式環境提供的監看視窗下利用酒精感測器吹一口 氣的秒數感測值相減來看判定是否喝酒。圖中分別顯示在正常狀況和喝酒狀況時之比較。 由圖中可以看出車輛駕駛員在正常狀況下，酒精的秒數感測值相減最多不超過 20。在喝 酒狀況下，酒精的秒數感測值相減會急遽上升，超過 20 的會發現有好多次。所以根據 以上所述酒精感測器的標準，在 Figure 3.10 的 Pseudo-Code 以此標準將讀取數值經由藍 芽傳送給智慧型手機。

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Figure 3.9：Seeeduino 程式環境視窗（酒精） Algorithm 1：酒精感測器和藍芽模組

Rx; //Receive of Bluetooth Module Tx; //Transmit of Bluetooth Module PinA; //Pin of Alcohol Sensor

Repeat Workflow() {

DifferencePinA = New(PinA) - Old(PinA); if(Bluetooth has sensor data)

{

Bluetooth to Smartphone("Alcohol：" DifferencePinA）; Delay(10000）;

} }

BlueToothSerial.begin(38400) // Baud Rate of Bluetooth

SendBlueToothCommand(Search) // Slave Device Search Surrounding SendBlueToothCommand(Slave) // Slave Device

SendBlueToothCommand(GroveBluetooth) // Slave Device Name "GroveBluetooth" SendBlueToothCommand(Connection) // Slave Device Establish Connection SendBlueToothCommand(0000) // Slave Device Pincode 0000

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Figure 3.11 所示，車輛駕駛員在程式環境提供的監看視窗下利用穿戴式心跳感測器 來判斷車輛駕駛員心跳是否正常。心跳感測器以計數器 20 次計算一次心跳率，20 次是 為了取得平均心跳速率。採用 Seeeduino 板子時間去計算 20 次總間隔時間，在代入公式 （3.1）去計算。公式（3.1）[17]包括 Minute 指一分鐘的時間、Twenty Counter 表示計數 器執行 20 次、1000 為程式函數為毫秒轉成秒、Twenty Board Interval Time 總共 20 次間 隔時間，透過式子（3.1）可以得到駕駛員的心跳速率。如以下表示： Heartbeat = 𝑀𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒×𝑇𝑤𝑒𝑛𝑡𝑦 𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟×1000 𝑇𝑤𝑒𝑛𝑡𝑦 𝐵𝑜𝑎𝑟𝑑 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙 𝑇𝑖𝑚𝑒 (3.1) Figure 3.11：Seeeduino 程式環境視窗（心跳） 在 Figure 3.12 的 Pseudo-Code 內心跳公式以此公式去計算，然後在將心跳率經由藍 芽模組傳送至智慧型手機。 Algorithm 2：心跳感測器和藍芽模組 PinH; //Pin of Heartbeat Sensor

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//Initial Setting Setup()

{

// Specifies a function to call when an external interrupt occurs

attachInterrupt(0,Interrupt,RISING) //Pin, Interrupt, Interrupt Mode }

Repeat Workflow() {

PinH = (60x20x1000)/Twenty Board Interval Time If(Bluetooth has sensor data)

{

Bluetooth to Smartphone("Heartbeat：" PinH); Delay(10000）; } } //Interrupt Process Interrupt() { Counter++ {

IntervalBoardTime = New(Board Time) – Old(Board Time); }

if(IntervalBoardTime > 2 second)

"Heart rate measure error，test will restart"; if(Counter == 20)

Repeat Workflow(); else if(Counter != 20) Counter++ }

BlueToothSerial.begin(38400) // Baud Rate of Bluetooth

SendBlueToothCommand(Search) // Slave Device Search Surrounding SendBlueToothCommand(Slave) // Slave Device

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SendBlueToothCommand(Connection) // Slave Device Establish Connection SendBlueToothCommand(0000) // Slave Device Pincode 0000

Figure 3.12：心跳感測器和藍芽模組 在 Figure 3.13 的 Pseudo-Code 是在智慧型手機上運作的程式流程，包括接收生物感 測器的感測資料、GPS 定位、感測資料與地理位置傳至控制伺服器。 Algorithm 3：行動感測系統 alcohol_value; //酒精讀數 heartbeat_value; //心跳速率 //UUID Bluetooth Message Format

UUID MY_UUID = UUID.fromString("00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB"); MAC-address of Seeeduino Bluetooth module = "00:13:EF:12:1A:27" //Seeeduino BT

//Check Smartphone Bluetooth checkBTState()

{

if(BluetoothAdapter == close) Bluetooth turn on； }

//Smartphone connect Seeeduino Process

BluetoothServerSocket = createRfcommSocketToServiceRecord(MY_UUID); getRemoteDevice(Seeeduino Bluetooth module MAC-address);

createBluetoothSocket(Seeeduino Bluetooth module MAC-address); socket.connect(); socket.close(); ConnectedThread.start(); //Thread Process ConnectedThread {

socket.getInputStream(); //Receive Sensor Data InputStream to Handler; //Handler Display Screen }

23

// Handler Process Handler()

{

if(Text == "Alcohol") //Alcohol Sensor Data alcohol_value;

if(Text == "Heartbeat") //Heartbeat Sensor Data heartbeat_value；

}

//GPS Location of Driver

getSystemService(LOCATION_SERVICE); //GPS Service

location = getLastKnownLocation(BestProvider); // Provider Optimal Location getLocation(location);

{

Double longitude = location.getLongitude(); //經度 Double latitude = location.getLatitude(); //緯度 }

//Smartphone to Database Timer2.schedule(10000, 100000 {

DefaultHttpClient(); //Use HttpPost HttpPost("http://120.108.205.42/test.php"); //Web Server ArrayList Parameter; //User Parameter Parameter(ID); Parameter(driver); Parameter(alcohol_value); Parameter(heartbeat_value); Parameter(longitude); Parameter(latitude); request http URL; HttpClient execute(HttpPost); } Figure 3.13：行動感測系統

24 在 Figure 3.14 中 Pseudo-Code 表示感測資料與地理位置儲存在控制伺服器和控制伺 服器與網頁伺服器同步，顯示車輛駕駛員緊急事故在網頁伺服器上，以文字和 Google MAP 顯示車輛駕駛人的緊急事故位置提供給使用者。 Algorithm 4：在網頁中駕駛緊急情況 <?php

//Control Server Database information

Hostname = localhost; //Host Name Database = systemdatabase; //Custom Database Username = siaojiang; //Database Account Password = 19880825; //Database Password // Establish a database connection

mysql_connect(Hostname, Database, Username, Password); mysql_select_Database;

//Driver Sensor Data and Location Insert to Database if(Receice Smartphone Data)

insert ID, driver, alcohol_value, heartbeat_value, longitude, latitude, Time; // Get Data from the database

Select form database; mysql_query database;

mysql_fetch_assoc //Capture Database Information {

// Threshold

if(alcohol_value > 20 (heartbeat_value < 60 || heartbeat_value > 100)){ ID, driver, alcohol_value, heartbeat_value, longitude,

latitude, Time; }

} ?>

25

<!DOCTYPE html> <html>

<head>

Loading Google Maps API //Driver Location

location = [ <?php

Select form database; mysql_query database; mysql_fetch_assoc {

// Threshold

if(alcohol_value > 20 (heartbeat_value < 60 || heartbeat_value >100)){ ID, driver, alcohol_value, heartbeat_value, longitude, latitude, Time; }

} ?> ]

//Maker Driver Location for (i = 0; i < locations; i++) {

maker ID, driver, alcohol_value, heartbeat_value, longitude, latitude, Time; }

//Maker Driver Final Location maker Driver Location; </head> <body> build map; </body> </html> Figure 3.14：在網頁中駕駛緊急情況 在 Figure 3.15 中車輛駕駛員發生酒精濃度或心跳速率超過門檻值時，控制伺服器經

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由中華電信的伺服器以簡訊方式傳送車輛駕駛員的相關資訊給相關使用者。

Algorithm 5：控制伺服器寄送簡訊給使用者 <?php

//Control Server Database information $hostname = "localhost"; //Host Name

$database = "systemdatabase"; //Custom Database $username = "siaojiang"; //Database Account $password = "19880825"; //Database Password // Establish a database connection

mysql_connect(Hostname, Database, Username, Password); mysql_select_Database;

//Driver Sensor Data and Location Insert to Database if(Receice Smartphone Data)

insert ID, driver, alcohol_value, heartbeat_value, longitude, latitude, Time; // Threshold

if(alcohol_value > 20 (heartbeat_value < 60 || heartbeat_value > 100)){ include "SendSMS/sms2.inc";

error_reporting (E_ALL); //specify the PHP program returns an error //Ｗeb Display

echo "使用者" driver "於經度" latitude "緯度" longitude "發生異常"; /* Socket to Air Server IP ,Port */

server_ip = '202.39.54.130'; //CHT Server server_port = 8000;

TimeOut=10;

user_acc = "89938610"; //CHT account user_pwd = "64e40917"; //CHT password mobile_number= "0972836863"; //User Phone

message= "使用者" 'driver "於經度" latitude "緯度" longitude "發生異常"; /* Establish a connection */

27

Figure 3.15：控制伺服器寄送簡訊給使用者 create_conn(server_ip, server_port, TimeOut, user_acc, user_pwd); getmessage();

/*Connection Successfully Sent Messages*/ if(Connection is Successful){

mysms->send_text(mobile_number, message); mysms-> getmessage();

if(Connection is Successful){ echo "SMS Sent Successfully"; }else{

echo " SMS Delivery Failure "; }

} else {

echo "Connection Failed"; }

/*Connection Closed */ close_conn();

} ?>

28

第四章 研究議題

本章節針對系統開發過程中有關硬體與軟體需求、網路架構、連接智慧型手機與 Seeeduino、效能實測等研究議題進行討論。 4.1 硬體與軟體需求 目前，Seeeduino Board[18] 有心跳感測器和酒精感測器使用於在車輛駕駛員身上收 集和處理產生感測資料。Seeeduino Board 連接酒精感測器和心跳感測器分別顯示在 Figure 4.1 和 Figure 4.2。Seeeduino Board 支援三種通訊介面包括 Zigbee、藍芽、Wi-Fi。 本系統為了節省電池電量採用藍芽模組連接 Seeeduino Board 到智慧型手機。也就是說， 從生物感測器接收到的感測資料，將經由藍芽發送感測資料給智慧型手機。

29

Figure 4.2：Seeeduino Board 和心跳感測器

智慧型手機的快速發展，其中已 Android 和 iOS [19] 為智慧型手機主要的作業系統 平台。在論文中，目前撰寫在 Android 系統上，在開發 Android 應用程式之前必須要有 開發環境，要建立 Android 開發環境需要安裝三個套件 [19] ，分別為 Java、Eclipse 和 Android SDK，如下所述(1)Java 是 Android 應用開發的程式語言。(2)Eclipse 是跨平台整 合式開發環境(IDE)，一套支援開發 JAVA、C++、PHP 等語言的工具。而 Eclipse 套件為 其編輯環境。(3)Android SDK 為 Android 開發工具。接著利用 Eclipse 安裝外掛套件 ADT Plugin，再來下載安裝所需的 Android 版本，完成整個開發環境。此外，Android 的應用 程式要達到資料儲存的目的必須要有資料庫，在 Android 常見的資料庫有 SQLite、 MySQL 等，其中 SQLite、MySQL 是提供免費下載和使用的資料庫。雖然 Android 的

SDK 對於 SQLite 有完整的支援，但 SQLite 畢竟還是個 local 的資料存取，適合使用在 個人監測上。如果需要分享給其他人使用，則必須採用 MySQL，ＭySQL 是一個大型的 資料庫管理系統，使用網際網路存放在雲端內，適合在高流量、大量儲存資料與多人共

30 享。 4.2 網路架構 除了嵌入式感測器的種類，智慧型手機也支援豐富的通訊介面包括藍芽、WiFi、3G 網路。如前所述，Seeeduino 支援三種通訊方式包括 Zigbee、藍芽、WiFi。因為智慧型 手機和 Seeeduino Board 的電池電量是非常寶貴的，所以採用藍芽通訊提供在智慧型手 機和 Seeeduino 之間傳輸感測資料。 在這種情況下，藍芽模組在智慧型手機作為伺服器端（Master），而藍芽模組在 Seeeduino Board 作為用戶端（Slave）。藍芽模組使智慧型手機和 Seeeduino 相互匹配。 每個之間都設置 socket 和建立連線在這些 sockets。智慧型手機不斷監聽 socket 和從 Seeeduino Board 接收感測資料。具體的說，從 Seeeduino Board 報告感測資料到智慧型 手機可以根據應用需求作為調整。相關收集感測資料程序在 Figure 4.3 所示，描述如下： 1. 智慧型手機和 Seeeduino Board 經由藍芽模組相互匹配

2. 每個之間設置 sockets

3. 在 sockets 之間建立連線

31 Figure 4.3：報告感測資料 此外，智慧型手機平常可以經由 Wi-Fi 或 3G 網路將感測資料傳至控制伺服器。此 外，在緊急狀況下發送感測資料到相關使用者。Wi-Fi 網路可以提供高資料傳輸率也具 有低成本。然而 Wi-Fi 網路的覆蓋範圍在有限的服務令人卻步而阻礙了實用性。相反， 因此採用 3G 網路用於提供感測資料給相關使用者。在 Figure 4.4 所示，描述如下： 1. 定期將車輛駕駛員資訊經由智慧型手機的 Wi-Fi/3G 傳至控制伺服器儲存。 2. 簡訊服務在緊急狀況下才經由控制伺服器發送到相關使用者。 3. 控制伺服器與網頁伺服器做同步，網頁伺服器只顯示車輛駕駛員緊急狀況。 4. 相關使用者在車輛駕駛員有緊急狀況時可以使用任何裝置（電腦、手機等）查詢相 關資訊。

32 Figure 4.4：報告資訊到伺服器和使用者收尋資訊 4.3 連接智慧型手機與 Seeeduino 目前，藍芽在智慧型手機上已經是很普及的配備。在 Android 官方或函式庫都有提 供相關範例。但 Android 版本的快速成長，也造成許多撰寫程式上的困難。尤其是智慧 型手機要與生物感測器進行連接。在 Android 與 Seeeduino 透過藍芽傳輸，最常見的協 定是 Amarino。[20]Amarino：是透過藍芽傳輸用來連接 Android 和 Seeeduino 的軟體工 具。[21]但是只支援到 Android2.x 的版本而已，所以不適合使用在我們的系統。在本論 文中，以 BluetoothServerSocket 用來監聽 Seeeduino 藍芽模組的請求，當 Seeeduino 藍芽 模組請求連線後，BluetoothServerSocke 會回傳一個 accepted 的 BluetoothSocket 給 Seeeduino 藍芽模組，然後進行配對。

33 4.4 效能實測 本系統在實際道路中針對以下四點進行量測，包括智慧型手機傳送車輛駕駛員的相 關資訊抵達控制伺服器的封包成功率、智慧型手機的封包傳送至控制伺服器所需時間、 智慧型手機的耗電量與通訊成本。  智慧型手機傳送車輛駕駛員的相關資訊抵達控制伺服器的封包成功率是指車輛駕 駛員的感測資訊與地理位置在車輛行駛中經由智慧型手機發送到控制伺服器。經由 實際道路測試封包透過手機的 3G 網路傳至控制伺服器封包成功率為 99%。實測數 據如 Figure 4.5 所示，在圈註編號 1 的部分為車輛駕駛員的編號與名稱、圈註編號 2 是感測資料與地理位置。圈註編號 3 是 counter 代表的手機封包傳送次數，可以看 出封包都有傳到控制伺服器。  針對封包到達控制伺服器的所需時間，因為手機與伺服器兩者間設備不同導致時間 會有誤差，所以智慧型手機需先與網際網路時間伺服器(NTP，Network Time Protocol) [22]連線同步。網際網路時間伺服器是一種主從架構，網路上提供時間伺服器維持 標準時間，而手機連線到時間伺服器讓本身系統時間同步。但與控制伺服器仍會有 2 秒以內的誤差值。然後手機設定每十秒發送一次封包到控制伺服器，約為 12 秒左 右可以到達控制伺服器。實際測試結果如 Figure 4.5 所示，圈註編號 4 為 AndroidTime 是指從手機發送封包的時間，圈註編號 5 為 Time 是伺服器接收封包的時間。  智慧型手機的耗電量，我們使用 PowerTutor[23]進行測量，PowerTutor 是一個應用

34

程式可以計算系統與其他應用程式的耗電量，耗電量計算包括：CPU、網路、顯示 器、GPS 等等，如 Figure 4.6 所示。Figure 4.6 包括 User ID 是本系統名稱、Packages 是本系統開發的套件名稱、Current Power 計算最後五分鐘的平均耗電量、Average Power 從程式開始的平均耗電量。  在成本方面，目前在我們的系統必須要申請中華電信簡訊服務的費用，簡訊是一項 成本的負擔，但簡訊的優點是可即時傳給使用者，缺點是需要付費服務。。未來也 可考量以郵件、即時通訊訊息傳送給使用者，而使用郵件、即時通訊的優點是免付 費的服務，但缺點也因網路不穩而導致使用者無法有效的即時接收最新訊息。 Figure 4.5：智慧型手機封包發送到控制伺服器 Figure 4.6：智慧型手機耗電量

35

第五章 結論

在本論文中提出一個系統適用於車輛駕駛員的健康照顧，主要以生物感測器對車輛 駕駛員健康照顧做即時監控。然後智慧型手機可以透過藍芽匹配生物感測器收集感測資 料並附加本身 GPS 地理位置。藉由智慧型手機 Wi-Fi/3G 網路定期將車輛駕駛員的健康 照顧資訊儲存在控制伺服器中。當車輛駕駛員有緊急事故發生時，控制伺服器以寄送簡 訊服務通知使用者。此外，控制伺服器與網頁伺服器進行同步。網頁伺服器以文字和 Google MAP 顯示車輛駕駛員的緊急事故位置給使用者。使用者透過簡訊服務與網頁伺服 器的資訊知道車輛駕駛員的緊急事故情況可以做相關後續處理。 以感測的方式監控車輛駕駛員仍有極限性。車輛駕駛員仍存在其他因素影響車輛安 全。未來將納入更多的感測功能和使用者介面，以更進一步改善車輛駕駛人的健康照 顧。

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http://www.cc.ntu.edu.tw/chinese/epaper/0022/20120920_2209.html

[20] Amarino 2.0, available at http://coopermaa2nd.blogspot.tw /2011/03/android-firmata–am

arino.html

[21] Amarino 2.0, available at https://code.google.com/p/amarino/

[22] NTP, available at http://en.wikipedia.org/wiki/Network_Time_Protocol