0
國立聯合大學 2016 年第五屆金腦獎專題
競賽計畫書
專題競賽題目：
無線射頻為基礎的居家遠端監控系統
報名編號： 6
指導教授：蔡丕裕教授
就讀系所：資訊工程學系
隊員：____劉宇軒__（隊長）
____魏文睿___
____邱軍諺___
____王仁勇___
____杜柏龍___
中
華
民
國 105
年
04
月
20
日
1
目錄
中文摘要 ... 2
研究背景、動機與目的... 2
研究流程 ... 3
研究內容 ... 4
目前時間 ... 4 影像呈現 ... 44 煙霧濃度 ... 44 溫度濃度 ... 55 門窗感測 ... 66 門鈴感測 ... 6 遠端遙控 ... 7結論與建議 ... 8
參考文獻 ... 9
2
中文摘要
居家的環境安全，是現在人們很注重的問題，尤其現在很多長者或小孩常常 獨自待在家，所以有關居家的安全更需要注意，而我們也對於居家環境安全分為 兩部分，一部分為偵測環境安全，一份部則為生活周遭環境的監控。 環境安全方面，近年經常報導著一些一氧化碳中毒、火災等等的新聞，其實 很多是住戶沒有安全的使用物品或沒有安全的預防，如：檢查設備是否老舊、空 氣是否流通等等，一點點的不小心，而導致原本可以避免的事情發生。 環境的監控，是希望當按門鈴時就拍一張照片傳送到使用者手機，使用者可 遠端開門及啟動拍照或錄影，現今的家庭，某些長者或小孩經常獨自在家，家裡 如果發生什麼事，否則往往都是回到家或者鄰居通知，才知道這件事。研究背景
環境安全方面，最近幾年也經常報導著一些一氧化碳中毒、火災等等的新 聞，其實那些很多是住戶沒有安全的使用物品，或沒有安全的預防，如：檢查設 備是否老舊、空氣是否流通等等，基於一點點的不小心，而導致原本可以避免的 事情發生，尤其是在冬季，容易因天冷而將窗戶緊閉，住戶使用天然氣 熱水器 或瓦斯爐具時，容易發生一氧化碳中毒。而針對火災，在夜間時，很多人其實已 經熟睡，但是家中有許多電器其實是在運作，在這時如果發生電線走火等意外， 其實住戶很難知道，也很難在當下做出反應。 針對環境的監控，是希望能利用影像處理進行人臉辨識，現今的家庭，許 多家庭成員都各有工作，某些長者或小孩經常獨自在家，家裡如果發生什麼事， 往往都是家人下班回到家或者鄰居通知，才知道這件事。在無知的情況下，也可 能遇到陌生人，但由於長者或小孩或許可能較容易被騙，而陌生人開門，導致家 裡遭小偷、小孩被綁架等等問題發生，將裝置安裝在室外，當有外人來時，可能 不清楚是誰，所以想設計方便操作的系統，讓使用者可以在外觀看影像，在還沒 開門進入時，利用裝置在室外的鏡頭，可以第一時間捕捉影像，讓使用者可以自 行判斷(當按門鈴時就拍一張照片傳送到(家長)手機家長可遠端開門或啟動拍照 或錄影) 研究此專題的目的是希望可以藉由我們的整合，可以讓大家擁有一套簡易 的居家環境間設備，讓使用者可以輕易上手。3 設計出一套方便使用，價格又不會太高的居家環境監控設備，配合著簡易 的使用者介面，讓使用者可以隨時隨地使用，當外出時，可以透過手槍或電腦監 控家裡的情況，隨時了解家中的一切。
研究流程
研究動機 研究目的 專題實做 影像監控 煙霧偵測 門窗偵測 溫溼度偵測 電力設備監控 監控排程 結論 影像監控：可以觀看到屋外的狀況，主要用於在當門鈴被按時，可以觀看到外頭 景象，選擇是否開門。 煙霧偵測：可以用來感測氣體、煙霧，由於我們不能模擬出氣體，所以主要用於 感測煙霧，對不同的狀況也會有不同的警示，抽風電扇也會適時開啟 進行排煙。 門窗偵測：判斷門窗是否為開啟的狀態，當被開啟時會有警示聲響。 溫溼度偵測：用來感測室內的溫度及濕度並提示環境的舒適度等級。 電力設備監控：可以由遠端控制電燈、風扇等設備。 監控排程：可以預設感測器開始及關閉時間。4
研究內容
目前時間 顯示目前時間部分 影像呈現 圖 4.2.1 沒人的時候 圖 4.2.2 有人的時候 使用者可以隨時利用影像呈現的部分，來看外面有沒有人(圖 4.2.1)。 還能搭配門鈴的功能，有人按門鈴，蜂鳴器會叫，此時可以看到外面的人是誰(圖 4.2.2)，決定要不要開門。 圖 4.2.2 右上角有 Smile >按鈕，使用者可以按下它來進行拍照的功能。 煙霧濃度 圖 4.3.1 煙霧偵測器已關閉 圖 4.3.2 濃度於安全範圍 圖 4.3.3 第一次警告 圖 4.3.4 第二次警告 圖 4.3.5 第三次警告 圖 4.3.6 第一次警告，開啟電風扇 圖 4.3.7 第二次警告，開啟電風扇 圖 4.3.8 第三次警告，關閉電風扇 使用者可以選擇要不要開啟煙霧感測 Python 程式。5 若沒有開啟，手機上會提示”煙霧偵測器已關閉！”(圖 4.3.1)。 若開啟之後，將會顯示煙霧目前濃度(圖 4.3.2)。 看不懂濃度沒關係，程式有判斷濃度範圍。每當濃度超過 10 的時候，表示目前 可能為警戒濃度。 我們有設計濃度範圍機制： 每當濃度超過 10 秒，且持續 3 秒的時候，將提示第一階段警告(圖 4.3.3)。 每當濃度超過 10 秒，且持續 6 秒的時候，將提示第二階段警告(圖 4.3.4)。 每當濃度超過 10 秒，且持續 10 秒的時候，將提示第三階段警告。 此時，第三階段會自動開啟電風扇(圖 4.3.5)，以吹散煙霧。 在第一、二階段，也可以手動來啟動電風扇(圖 4.3.6,圖 4.3.7)。 若在第三階段，自動開啟電風扇後，想關閉可以直接按下關閉電風扇，警示區仍 然持續記錄濃度(圖 4.3.8)。 溫度感測(舒適度等級) 圖 4.4.1 舒適 Nice～ 圖 4.4.2 熱。。。 圖 4.4.3 防中暑！！ 圖 4.4.4 溫度過高，危險！！！ 圖 4.4.5 溫度偵測器已關閉 經由 arduino 透過 C 語言 和 arduino 提供的函式庫驅動 dht11(溫濕度 感測器)讀取環境的溫度和濕度並透過 RF433 (無限射頻收發模組)發送給
raspberry pi，pi 接收後透過 c 語言程式處理接收的數據並連上 mysql，將數 據分別上傳到對應的資料表欄位。 顯示目前溫度，我們將溫度做幾個階段警示： 溫度低於 10 度的時候，警示 - 溫度太低，危險！！！。溫度介於-10 度~-9 度， 警示 - 防失溫！！。溫度介於 0 度~9 度，警示 - 冷... 。溫度介於 10 度~20 度，警示 - 涼～。溫度介於 21 度~28 度，警示 - 舒適 Nice～(圖 4.4.1) 。 溫度介於 29 度~40 度，警示 - 熱。。。(圖 4.4.2) 。溫度介於 41 度~50 度， 警示 - 防中暑！！(圖 4.4.3) 。溫度高於 51 度，警示 - 溫度過高，危險！！！ (圖 4.4.4) 。若想關閉溫度偵測，可以按下關閉溫度，即可立即關掉。 此時會提示 – 溫度偵測器已關閉！(圖 4.4.5)。
6 門窗感測 圖 4.5.1 門窗感測 Python 圖 4.5.1 是樹梅派偵測門窗是否被打開的 Python。 當門窗被打開時，以 0 表示。當門窗關著時，以 1 表示。 圖 4.5.2 尚未開啟保全 圖 4.5.3 開啟保全，安全狀態 圖 4.5.4 開啟保全，危險狀態 手機上我們可以啟動/關閉門窗保全： 關閉保全的時候，樹莓派將會把門窗感測 Python 停止。此時，圖 4.5.2 當門窗 被打開的時候，蜂鳴器並不會驅動，提示”保全已關閉”。開啟保全的時候，樹 莓派將會 Run 門窗感測 Python 程式。此時，圖 4.5.3 當門窗關著的時候，提示” 安全狀態”。此時，圖 4.5.4 當門窗被打開的時候，就會驅動蜂鳴器，提示”蜂 鳴器已啟動”。 門鈴感測 圖 4.6.1 門鈴感測 Python 圖 4.6.1 是樹梅派偵測門鈴的 Python
7 1 是指，當有人按門鈴的時候，蜂鳴器就會叫一下，類似一般”叮咚”的聲音 圖 4.6.2 倒數 10 秒 圖 4.6.3 倒數 4 秒 圖 4.6.4 倒數 1 秒 圖 4.6.5 隱藏 Button 圖 4.6.6 關門 Button 當有人按門鈴時，隱藏的開門 Button 就會顯示出來。我們有設置倒數 10 秒的機 制(圖 4.6.2~圖 4.6.4)，這時候可以搭配影像呈現的部分，看誰在按門鈴，決定 要不要開門。如果不要 10 秒後自動隱藏(圖 4.6.5)。如果按下開門，圖 4.6.6 關門的 Button 就會顯示出來，提示目前門還是開著的。 無線射頻遙控 圖 4.7.1 RF315 傳送端與接收端 – 實體圖 圖 4.7.2 遠端遙控 Button 圖 4.7.1 左邊為接收端： 我們使用 RF 315MHz 以射頻方式做傳送與接收，搭配 PT2272-M4 這顆 IC 我們可 以傳送 256 組不一樣的訊號(8 Bits 位址碼)，各組都能控制 4 個不一樣的物件 (4 Bits 資料碼)。 在市面上 PT2272 的尾碼有 M4/L4/M6/L6： M 代表不會儲存傳送之狀態，L 代表會儲存傳送之狀態，4 代表 8 Bits 位址碼、 4 Bits 資料碼，6 代表 6 Bits 位址碼、6 Bits 資料碼，因為使用尾碼 L 的話， 無法一次控制一個物件，只能一次控制很多物件，在發送訊號上我們不曉得其他 物件狀態，導致其他物件的狀態也會跟著改變，所以我們選用 PT2272-M4，再搭
8 配 TC4013 這顆 IC 是以正緣觸發的機制來儲存我們要的狀態，因為電壓經過 PT2272-M4 或 TC4013 之後，再到 TC4013 或 Relay 電壓會不夠驅動，所以我們使 用 74LS04 為反向器做一個中繼站，讓電壓提高，好讓 TC4013 跟 Relay 能夠驅動。 圖 4.7.1 右邊為傳送端： 原本有焊好傳送端的電路板，由於體積、按鈕的設置跟我們理想中的成品有些差 距，所以我們直接購買市面上的遙控器來當我們實驗的傳送端。裡面電路使用 RF 315MHz 搭配 PT2264 來跟接收端的 PT2272-M4 做溝通。手機遙控的部分，我 們事先買好一組與遙控器搭配 RF 315MHz 接收端，由 Arduino 連結接收端，利用 遙控器發送訊號，讓 Arduino 去截取訊號，之後再去處理這些訊號，處理出來的 資料，就是傳送端射頻的頻率，然後用處理後的資料打成程式模擬傳送端，然而 我們就可以在手機上控制開關了。 雖然有 256 個位址碼跟 4 個資料碼，我們只有使用 1 個位址碼跟 2 個資料碼，也 就是只有驅動 2 個物件，A 為電風扇，B 為電燈(圖 4.7.1 右邊搖控器的 A,B)。 實際操作，使用者不僅可以用牆壁上的切換開關控制電風扇/電燈的開關，還可 以按遙控器控制電風扇/電燈的開關，更可以點選手機上的 Button(圖 4.7.2)呼 叫樹莓派執行發送 RF315 MHz 的 Python，達到多方面都能控制物件的開關。
結論與建議
本研究旨在結合資料庫操作以及搭配各項感應器的實作，讓原本沒有連結的 硬體，使用 GPIO 電流訊號輸出/入串接，使其成為一個功能完整的系統。監控系 統可以讓監控環境有及早預防危險的功能，對於環境變化也具有預先識別的設 計；有了開關控制 及環境偵測的功能，可以輔助使用者掌握監控環境，避免造 成居家安全危險，及早預防。 本研究實作成果因受限於 Raspberry Pi 算小型電腦，記憶體是採用 16G 記憶 卡，所以容量較小，資料存放不能太多，尤其資料庫的使用，更要小心會不會容 量超量，另一方面，我們採用的感測器是以廉價亦取得為主，所以無法準確與即 時同時兼顧，所以資料在傳輸時要考慮設延遲，可能在控制開關方面會稍微慢一 些。如果不設延遲的話，可能會導致主機發生例外情形以至於當機，如果要解決 效率不夠好的問題的話，可能要採買精確性比較高的感應器，不過這也意味著更 昂貴的花費，我們考慮到整個系統是以平價的目的為研發方向，雖然會稍微延遲 一些，但還在我們可以接受的範圍內，所以才繼續採用廉價的感應器，另外考量 到 Raspberry Pi 的 CPU 負載率的問題，我們的攝影機是以每秒 3~4 張照片進行影 像拍攝，所以畫面可能不像行車紀錄器般的流暢，會稍微延遲 1 秒，因為這方面 試試硬體 CPU 的效率問題，可能解決辦法只有等 Raspberry Pi 官方提升 CPU 處理 速度才能解決。以上本系統仍有許多部份可以改善與改進的地方，期待後繼能夠 提供更佳的方法來解決問題。9
