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物聯網的興起，智慧家庭與機器人越來越受到重 視，本文的目的是要整合智慧家庭與機器人，開發出 一套監控系統，功能包含伺服器管理、居家監控、智 能門鎖、人臉辨識、語意辨識、機器人、手機 APP 等功能，系統的內容是使用 C#程式語言撰寫電腦端 人機介面，透過 Wi-Fi 模組連接 Arduino 控制板完成 居家監控及並建構伺服器管理系統，使電腦跟手機都 能遙控機器人、回傳居家環境數據及控制門鎖，讓使 用者能方便地掌握家中的資訊，另外還有監視錄影系 統及人臉辨識門鎖，使得家中安全更加有保障與便 利。 ᙯᔣෟ：物聯網、C#程式語言、Wi-Fi 模組、Arduino 控制板ಥă݈֏
IDC 預測 2020 年全世界連網裝置將超過 2,120 億個，市值達 8.9 兆美元，幾乎生活上的大部分裝置 都可上網，家庭生活也將大大的被改變，智慧家庭相 關商機正隨之快速興起，加上台灣已是高齡化社會， 邁入高齡化時代，老人居家照護與安全更顯得重要， 利用監控娛樂機器人與居家安全監控系統整合，來補 足照護人員不足是可行的，監控娛樂機器人必須從人 性化角度出發，使人機互動更為安全貼心，若能整合 居家安全監控系統，老人居家照護，必可得到更好的 效果，而機器人產業是結合機械機構、電機電子、運 動控制、感測設計、軟體開發、通訊等等相關技術， 為一個高度技術整合的明星產業，而居家安全監控系 統，在技術上也結合機械機構、電機電子、感測設計、 軟體開發、通訊等等相關技術，因此可將兩系統整合。෮ăጯநૄᖂ
本文主要是整合智慧家庭與機器人，開發出一套 監控系統，透過網路連線進行控制，達到家庭數位 化，並延伸至環境、保全、防災等應用，需要整合七 大技術領域才能完成，如圖 1，其七大技術領域包括： 1. 電腦應用軟體設計技術：使用 Microsoft Visual Studio 中的 C# 語言開發電腦端人機監控介面，包 括整合智慧家庭與機器人。2. 手機 APP 軟體設計技術：使用 Microsoft Xamarin 軟體開發手機 APP 監控介面，Xamarin 是讓 C#的 程式開發人員，繼續用 C#語言來開發 iOS 或 Android 手機 APP。
3. 機器人設計與控制技術：使用 Arduino uno WiFi 控 制板控制機器人的致動元件與感測器，須要用到的 技術與本系統相同。 4. 微處理器應用設計技術：使用 C/C++語言開發 Arduino 控制板程式，負責感測器資料讀取與致動 裝置控制。 5. 致動與感測器應用設計技術：致動裝置與感測器應 用於智慧家庭與機器人等等。 1 亞東技術學院電機工程系 * 通訊作者：許文昌 E-mail：fe026@mail.oit.edu.tw
6. 資料通訊應用設計：透過 HLK-RM04 無線 Wi-Fi 模組，讓系統達到遠端監控與資料整合。 7. 機構設計與安裝配線技術：智慧家庭監控系統安裝 配置與線路配線相當的重要性，但因配合學生專 題，因此採用三 D 列印，模擬智慧家庭；機器人 採用現成娛樂型機器人，但不使用廠商的控制器， 利用 Arduino uno WiFi 控制板自行開發程式與介 面。 ဦ 1 ംᇊछलᄃ፟ጡˠፋЪႾଠր
ણăᗟ̰ट
居家環境監控與機器人系統架構如圖 2 所示，將 PC 當作伺服器，為輸入輸出裝置（I/O）、感測器 （Sensor）的溝通管道，分別處理機器人、居家監控 及智能門鎖這三部分，再透過人臉與語意辨識提升整 體系統的功能；圖中左半邊機器人的部分，機器人全 身由 18 顆馬達組成，頭部的無線攝影機加裝伺服馬 達，使操作者能轉動機器人的視角，透過簡單的前後 左後操作來巡邏家中的環境；如圖中間為居家監控的 部分，使用 Arduino 作處理器來連接感測器，感測室 內的溫溼度、亮度，還有一氧化碳濃度超標時會發出 警報，避免發生氣體中毒與失火之意外，也會將其感 測值加入資料庫中以供日後查詢，而數據也能用曲線 圖呈現來分析；圖中右半邊智能門鎖的部分，由 Arduino 來切換繼電器的狀態，藉此吸住或釋放電磁 鐵達到門鎖的控制，有兩種操作模式，第一種手動模 式是用手機或是門內的實體按鈕進行上鎖或解鎖；第 二種人臉辨識是當人在門外時，需要觸擊按鈕才會進 行辨識，如果驗證通過即解鎖，否則上鎖。另外還有 手機部分採用 C#語言在 Microsoft Xamarin 開發環境 開發手機 APP 監控介面，可控制機器人動作與監控 智慧家庭。 ဦ 2 ംᇊछलᄃ፟ጡˠႾଠրߛၹဦདྷă͞ڱᄃԫμ
本文分硬體部分與軟體部分說明如下： 1. 硬體部份：硬體計有人型機器人、AI 馬達、Arduino Mega 控制板、Arduino Wi-Fi 模組、DCS-942L 無 線網路攝影機、DHT11 溫溼度感測模組、MQ9 一 氧化碳感測模組、TSL2561 亮度感測模組，茲分別 介紹如下： (1) 人型機器人實體圖如圖 3，規格如下： 主體由 18 顆 AI 馬達所構成，高 29cm、寬 15cm。 致動與感 測器應用 設計技術 資料通訊 應用設計 技術 機構設計 與安裝配 線技術 微處理器 應用設計 技術 機器人設 計與控制 技術 手機 APP 軟體設計 技術 電腦應用 軟體設計 技術 智慧家庭 與機器人 系統整合ဦ 3 ˠݭ፟ጡˠ (2) AI 馬達實體圖如圖 4，規格如下： A. 馬達工作電壓：DC 6~10V B. 串列傳輸速度：4800~921600bps C. 轉矩：8、11 (kg.cm) (1108T，1111T) D. 重量：45g ဦ 4 AI ྿ (3) Arduino Mega2560 控制板實體圖如圖 5，規格如 下： A. 工作電壓 5V、3.3V B. 輸入電壓（建議）7-12V C. 輸入電壓（限制） 6-20V D. 數位 I/O 54 Pins(14 Pin 為 PWM) E. 控制器核心：ATmega2560 ဦ 5 Arduino Mega ଠטڕ (4) Arduino Wi-Fi 模組（HLK-RM04）實體圖如圖 6，規格如下： A. 無線標準：IEEE802.11 (n/g/b) B. 通道數：1~14 個 C. 串列傳輸速率：1200~230400 bps ဦ 6 Arduino Wi-Fi ሀ (5) DCS-942L 無線網路攝影機實體圖如圖 7，規格 如下： A. 輸入：100-240VAC, 50/60Hz B. 輸出：5VDC ,1.2A C. 影像壓縮格式：MJPEG/H.264 ဦ 7 ቢშྮᛷᇆ፟ (6) DHT11 溫溼度感測模組實體圖如圖 8，規格如 下： A. 串列數位式的溫濕度感測元件 B. 溫度範圍為 0-50°C（精確度為 2 度） C. 濕度範圍為 20-90%RH（精確度為 5%） ဦ 8 DHT11 ޘຏീሀ (7) MQ9 一氧化碳感測模組實體圖如圖 9，規格如 下： A. 一氧化碳範圍：10 to 1000ppm
B. 可燃氣體範圍：100 to 10000ppm（甲烷、丙 烷） ဦ 9 MQ9 ˘উ̼ຏീሀ (8) TSL2561 亮度感測模組實體圖如圖 10，規格如 下： A. 範圍：0.1 至 40000 lux B. 採用 I2C 協定 ဦ 10 TSL2561 ܪޘຏീሀ (9) RGB Ring 燈環模組實體圖如圖 11，規格如下： A. 工作電壓 4~7V B. LED 驅動晶片 WS2812B C. Timing-specific 協定 D. 1 條資料線就可控制多顆燈的顏色 ဦ 11 RGB Ring ፶ᒖሀ 2. 軟體部份：本文使用的軟體分別為 Visual Studio、 Xamarin、Arduino IDE 等，茲介紹如下： (1) Visual Studio 軟體介紹如下： 使用 C#設計電腦端人機監控介面。 (2) Xamarin 軟體介紹如下： A. 開發手機 App 程式。 B. 以 C#開發，編譯成 iOS 與 Android 原生執行 碼。 C. 不同平台間共用商業邏輯以及資料存取等程 式。 (3) Arduino IDE 軟體介紹如下： A. 為開放原始碼的專案。 B. 使用 Java、C 語言的進行程式撰寫。 C. Arduino 可用 ICSP，將 Bootloader 燒入新的 IC
晶片。
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智慧家庭與機器人監控系統之成果包含電腦端 人機操作介面、伺服器管理、機器人、居家監控、智 能門鎖、語意辨識、錄放影與手機 APP 八大部分， 說明如下： 1. 電腦端人機操作介面 人機操作介面負責系統監控，採下拉式選單或按 Esc 鍵，包括 Dashoard（主監控板）、居家監控、伺 服器管理、機器人、監視錄影系統、智能門鎖和相簿 等選項，如圖 12。 ဦ 12 ཝბˠ፟ፆү̬ࢬ 2. 伺服器管理 伺服器管理之流程圖如圖 13 所示，主要是描述 Server 監聽到連線時，即產生一子執行緒，為各自使 用者服務而不互相干擾。管理介面如圖 14 所示，主 要是接受使用者連線並顯示名單，可同時滿足多位使 用者需求，使用歷史紀錄視窗如圖 15 所示有新增、 命令、離線三種訊息通知。監聽Port 開始 是否客戶端 連線要求 子執行緒#1 子執行緒#1 子執行緒#1 將使用者加入清單 預設位址(IP) 通訊埠編號(Port) 開始 輸入使用者名稱 Client#1 Client#2 Client#3 第N位使用者發送 連接要求 TCP/IP Send&Request F T ဦ 13 Ҩڇጡგந̝߹ဦ ဦ 14 Ҩڇጡგந̝̬ࢬဦ ဦ 15 Ҩڇጡგநֹ̝ϡ።Ϋࡔᐂ 3. 機器人 採用 ROBOBUILDER 機器人，自行改裝，頭部 加裝 IP Camera 與伺服馬達，讓頭部能轉動，另外使
用 Arduino uno WiFi 控制板與自製電源和馬達驅動電 路板取代原廠控制器。改裝後機器人如圖 3，自製電 源和馬達驅動電路板電路圖如圖 16，說明如下： ဦ 16 ྿ଠטڕ̝ྮဦ (1) 電源電路 實體圖如圖 17-(a)，PCB 佈線圖如圖 17-(b)所 示。機器人腳部左右側掛載 18650 型號高容量電池使 輸入總共 12V，再透過 3 顆 DC-DC 降壓模組進行降 壓，其中 2 顆分別輸出 9V 給馬達驅動，另外 1 顆則 是輸出 5V 給無線攝影機。控制板通過開關並以 LED 之明滅表示電源是否正常輸出運作。 (a)實體圖 (b)PCB佈線圖 ဦ 17 ྮဦ (2) 馬達驅動電路 實體圖如圖 18-(a)，PCB 佈線圖如圖 18-(b)所 示。74LS244 為三態八位元緩衝器，主要是做為資料
緩衝用，內有 8 個緩衝器，可同步傳輸資料，所以選 用 74LS244 把訊號送給馬達。 (a) 實體 (b)PCB 佈線圖 ဦ 18 ྿ᜭજဦ (3) 機器人操作介面 機器人動作之流程圖如圖 19 所示，主要是描述 連上 Arduino WiFi 模組後，可選擇透過語意辨識、手 動及手機 APP 三種方式來控制機器人。介面如圖 20 所示，主要是機器人可以做出指定動作，例如前後左 右移動、單顆控制及腳本動作。 ဦ 19 ፟ጡˠଠט߹ဦ ဦ 20 ፟ጡˠଠט̬ࢬဦ 4. 居家監控 居家監控之流程圖如圖 21 所示，主要在描述當 連線 Arduino 後，會建立 3 個計時器，每個 Sensor 都有不同的取樣間隔時間，會依照感測需要來設定， 並將感測值加入資料庫。此外當一氧化碳濃度大於設 定動態門檻時，蜂鳴器會啟動 3 秒才停止。感測器實 體如圖 22 所示，用 3D 列印出盒子裝感測器，居家 監控介面如圖二十三所示，主要操作為能夠監測四個 感測器的數值，並顯示於圖形儀表板或 Real- Time 上，還能查詢特定日期時間內之感測值平均值，並用 曲線圖來顯示。 開始 開啟監控 ArduinoWiFi 是否連線 建立3個 計時器 7秒 10秒 3秒 ※取樣時間 感測DHT11 溫度&濕度 感測MQ9 一氧化碳 感測TSL2561 亮度 一氧化碳值 大於 動態門檻 蜂鳴器響3秒 T 計時器 Start 感測值加入資料庫 & RealTime於人機介面 F ဦ 21 اछႾଠ߹ဦ ဦ 22 اछႾଠ၁វဦ ဦ 23 اछႾଠ̬ࢬဦ
5. 智能門鎖 智能門鎖之流程圖如圖 24 所示，主要描述當 Arduino WiFi 連線後，開啟門外攝影機串流，即可選 擇使用手動或人臉辨識解鎖。圖 25 為智能門鎖實體 圖，智慧門鎖主要操作為手動及人臉辨識兩種模式來 解鎖，手動部分是用手機或門內的實體按鈕進行上鎖 或解鎖；人臉辨識部分如圖 26 所示，是當人在門外 時，須觸擊按鈕才會進行辨識，如果驗證通過即解 鎖，否則上鎖。人臉群組如圖 27 所示，主要是顯示 已建立的人臉清單，亦可以將新成員加入自訂群組 中。 ဦ 24 ംਕܝᗆ߹ဦ (a)門內 (b)門外 ဦ 25 ംਕܝᗆ၁វဦ ဦ 26 ംਕܝᗆ̝ˠᓚྋᗆ ဦ 27 ംਕܝᗆ̝ˠᓚཏ 6. 語意辨識 微軟（Microsoft）的認知服務（Cognitive Services） 提供了許多關於視覺、語音及文字等方面的 APIs， 透過日益成長的人工智慧演算法來進行自然的關聯 式互動。本文語意辨識採用其中的 LUIS（Language Understanding Intelligent Service）API，透過一段時間 的訓練，就可以有效的進行口語化內容的識別，依據 發問者的需求作出答覆的應用。 LUIS 建立模型的示意圖，如圖 28，首先要建立 語句的意圖（Intents），建立的 Intents 有「詢問溫度」 與「控制門鎖」，根據該 Intents 去輸入相關的話語 （Utterances），例如：目前幾度，再將 Utterances 用 預先定義好的實體（Entity）去貼標籤（Label），即 可進行模型訓練（Model Train）。
ဦ 28 LUIS ޙϲሀݭ۞ϯຍဦ 語意辨識的處理程序為當使用者說「板橋區的天 氣」或者「哈哈哈,告訴我溫度多少」，此時會將語音 轉換為文字作為輸入，經過訓練過的語意模型去辨識 後，會得到各個意圖(intent)的分數，如圖 29 所示， 最後再依照分數最高的 Intent，去執行此 Intent 所代 表的涵義或動作，螢幕即顯示板橋區溫度，居家監測 與天氣資訊顯示介面圖如圖 30 所示。 ဦ 29 ྙયڕડޘ intent ̝Ᏸᙊඕڍဦ ဦ 30 اछႾീᄃ͇ঈྤੈពϯ̬ࢬဦ 7. 監視錄影系統 監視錄影系統之流程圖如圖 31 所示，當開啟即 時影像功能時，系統會檢查攝影機數量並顯示即時影 像再判斷是否開啟錄影功能。介面如圖 32 所示，主 要操作為當開啟即時影像功能時，能將多台攝影機顯 示在人機介面上，另外也可以開啟錄影功能來記錄家 中的影像，每秒儲存的影像數量越多，代表回放時會 越順暢。 開始 開啟即時 影像功能 檢查線上 攝影機數量 Channel#1 Channel#1
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N個通道 即時影像顯示 是否開啟錄影 計時器計數開始 每0.2秒儲存 監視影像 計時器歸零 ဦ 31 Ⴞෛᐂᇆր̝ӈॡᇆည߹ဦ ဦ 32 Ⴞෛᐂᇆր̝ӈॡᇆည̬ࢬဦ 此外系統還提供影像回放功能，其流程圖如圖 33 所示，當使用回放功能時，系統會檢查是否選擇 攝影機通道及查詢的時間，若查詢條件滿足就啟動回 放功能，否則彈出提示視窗。介面如圖 34 所示，主 要操作為當使用回放介面時，能依據所查詢之日期及 時間內的錄像選擇播放、暫停及快轉等功能。使用回放系統 開始 是否有選擇 攝影機通道 是否有選擇 查詢日期時間 T T F 提示視窗 F 選擇回放功能 暫停 播放 停止 快轉 慢轉 結束 ဦ 33 Ⴞෛᐂᇆր̝аٸᇆည߹ဦ ဦ 34 Ⴞෛᐂᇆր̝аٸᇆည̬ࢬဦ 8. 相簿 利用機器人頭部 IP Camera 顯示即時影像，透過 方向按鈕來左右調整機器人的視角，此外可以將當前 的影像擷取儲存至資料庫紀錄，並更新相簿內容，其 流程圖如圖 35。 開始 連接IPCamera 更新影像串流 是否截圖 儲存圖片
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相簿資料庫 紀錄時間與 圖片路徑 更新相簿介面 結束 ဦ 35 IP Camera ࡔᐂဦͯ߹ဦ 當 IP Camera 擷取圖時，相簿會立即將最新圖片 載入以供使用者瀏覽，而相簿瀏覽的方式可選擇清單 式，如圖 36 或網絡式，可縮小或放大，如圖 37。 ဦ 36 ࠹ᘨಏёᕱᜓဦ ဦ 37 ࠹ᘨშॾёᕱᜓဦ 9. 手機 APP 手機 APP 的功能如圖 38 所示，其中圖(a)為進入 APP 時的主畫面，可以選擇要控制的功能；圖(b)為 機器人控制頁面，主要能控制機器人的移動；圖(c) 為門鎖控制頁面，主要操作為拖曳畫面中的鑰匙至上 半部的鎖頭，當放開時即會進行解鎖並且鑰匙會消 失，另外搖晃手機能夠進行上鎖並顯示鑰匙；圖(d) 為居家監控的頁面，能夠偵測溫濕度、一氧化碳及亮 度，並且自動更新至最新數據。(a) 主畫面選單 (b) 機器人操作介面 (c) 門鎖解鎖 (d) 居家監控 ဦ 38 ፟͘ APP ፆү̬ࢬဦ
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居家環境監控與機器人系統實作，獲得成果如 下： 1. 伺服器管理是可讓多台手機連線至電腦，並處理手 機與感測器間訊息的傳遞。 2. 居家監控可透過電腦或手機來監控家中的環境因 素，有溫濕度、一氧化碳以及亮度，其中當一氧化 碳濃度過高時，會發出警報聲。 3. 智能門鎖有手動與人臉辨識這兩種方法進行解 鎖：手動部分用手機或門內的實體按鈕進行上鎖或 解鎖；人臉辨識部分當人在門外時須觸擊按鈕才會 進行辨識，如果驗證通過即解鎖，否則上鎖。 4. 機器人有三種方法可下達揮手與移動等動作，方法 包含人機介面、語音及手機，並在脖子上掛載無線 攝影機，使用者可在電腦以機器人視角來操作。 5. 語意辨識會猜測使用者所說的句子代表的意圖，可 以快速且便利地獲得家中環境數據和開關門鎖。 6. 具錄放影與相簿功能，並將智慧家庭監測數據與影 像儲存於資料庫中。 7. 獲得 2017 年全國技專校院學生實務專題製作競賽 電機群第三名。ણ҂͛ᚥ
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