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遠端飯店安全監控系統
第十三屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 陳宏明、簡文浩等人】   2019年05月17日 星期五

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近年來科技的發達,使得單晶片微電腦的性能越來越強,其所結合物聯網的技術應用正如火如荼地展開。很多行業也由於物聯網技術的開發正改變國人的消費行為與生活習性。由於國人重視休閒旅遊,因此旅遊觀光業也特別的興盛。近期發覺現今多半主流飯店還是多採用封閉式的RFID門卡系統,如圖1所示。


圖1 : 傳統RFID認證門禁卡示意圖[1]
圖1 : 傳統RFID認證門禁卡示意圖[1]

在管理與保存上,業者與房客都需加以管理這些RFID門禁卡。以業者的角度,需要多花一部分的成本來加以管理,而以房客角度,需要在出門前隨時留意自己的房卡是否攜帶。許多較不注意的房客常常會把自己的房卡忘在某個地方,也許是車上、房間裡、或是某個口袋中。這些狀況房客可能需要花時間找尋自己的房卡,相當費時。由於這些諸多的不便,讓我們發想是否能利用近年正崛起的物聯網搭配單晶片微電腦,創造更有效率且更加智能的飯店安全管理系統,藉此提升飯店的安全管理與監測。


本設計是透過中央伺服器的密碼分配方式,房客只要第一次記住屬於自已的通關密碼,配合專屬的行動網路登入系統,房客即可透過自己的手機輕鬆入住通關,甚至能夠遠端控制並檢視自己的房門開啟狀態,再也不需有保管以及歸還RFID門卡的相關問題困擾。當房客退房時,伺服器即可將此密碼抹除,新房客將生成獨立的新密碼,完成退房與新入住的程序。此外,即使房客真的將自己的手機遺漏在房門內時,也可透過專屬的獨立房門按鍵,輸入密碼立即通關。


在消防安全方面,現今的飯店大樓也越蓋越高,容積率與房間數也越來越多,對於安全管理上也是更加挑戰。萬一發生了火災還是無法即時的掌握起火點,往往發現後便是為時已晚,已成一片火海。圖2為運用傳統封閉式煙霧感側器顯得不夠,即使發出警報聲音,但不易掌握現場火勢發展。若是透過終端的單晶片微電腦,除了與伺服器連線判斷通關密碼外,同時也搭配火焰與煙霧等安全感測器,對於房內的安全也能提供即時偵測的功能。一有火災發生時,可提供相關防內人員等資訊即時掌握現況。


圖2 : 傳統封閉式煙霧感測器示意圖[1]
圖2 : 傳統封閉式煙霧感測器示意圖[1]

系統架構

遠端飯店安全監控系統架構圖

圖3為遠端飯店安全監控系統架構圖,系統架構中擁有中央伺服器與MCU兩大系統區塊,終端是以盛群的微控制器HT66F2390為控制核心,配合Wi-Fi無線傳輸模組、電磁閥、煙霧感測器與矩陣鍵盤,組成終端房門控制監測器。而中央伺服器則以Linux Base的單板電腦作為伺服器系統核心,兩大系統間利用TCP/IP網路傳輸協定進行通訊。


伺服器操作則可利用任何可連網的個人電腦或行動裝置,透過網頁使用者介面即時操作並監控。使用者可透過伺服器提供的行動裝置認證系統,實現透過手機遠端開關房門的目的。MCU端則利用輸入鍵盤介面,透過中央伺服器提供的虛擬密碼控制房門電磁鎖頭完成對房門的開鎖控制目的。


此外,HT66F2390單晶片微電腦利用煙霧感測器,即時偵測房門內有無濃煙等火災特徵,一有警訊將立即通過TCP/IP網路協議傳送房號ID以及警告訊息,提供中央伺服器進行下一步的分析與警報的動作。



圖3 : 遠端飯店安全監控系統架構圖
圖3 : 遠端飯店安全監控系統架構圖

遠端飯店安全監控系統模型架構設計圖

圖4為遠端飯店安全監控系統模型架構設計圖,運用後方中央伺服器,搭配三扇大門終端配備的WiFi無線模組,實現透過IP方式管理遠端三扇房門,同時完成微電腦與伺服器通訊的功能。



圖4 : 遠端飯店安全監控系統架構圖
圖4 : 遠端飯店安全監控系統架構圖

硬體架構

遠端飯店安全監控系統終端房門控制方塊圖

本系統架構中擁有中央伺服器與MCU兩大系統區塊。圖5所示為終端房門控制方塊圖架構圖。本終端房門控制是以盛群半導體公司 Holtek所生產的微控制器HT66F2390為控制核心,配合WiFi無線傳輸模組、電磁閥、煙霧感測器與矩陣鍵盤,組成終端房門控制監測器。而中央伺服器則是以Linux Base的單板電腦Rasperberry Pi作為伺服器系統核心。


兩系統間是利用TCP/IP網路傳輸協定進行通訊。伺服器操作可利用任何連網的個人電腦或行動裝置,透過網頁使用者介面即時操作並監控。使用者可透過伺服器提供的行動裝置認證系統,實現透過手機遠端開啟房門的功能。



圖5 : 遠端飯店安全監控系統架構圖
圖5 : 遠端飯店安全監控系統架構圖

主控核心HT66F2390電路設計

本作品使用HT66F2390為主控核心,圖6為遠端飯店安全監控系統主控核心電路,可經由UART串列傳輸介面,作為ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模組的讀取與寫入,進行無線傳輸通訊功能。


本終端系統是透過WiFi模組發送端,將目前集結房門終端的開關門狀態訊號、煙霧感測器、人體紅外線感測器與矩陣鍵盤資訊,將即時狀態上傳至中央伺服器,並顯示在電腦或手機的網頁端上,達到接收與傳送和伺服器連接需要傳送資料封包的目的。


同時本系統微控制器HT66F2390是運用內部AD轉換器,讀取MQ-2煙霧感測器與HC-SR501人體紅外線感測器信號,監控在火災狀況時煙霧蔓延的即時狀態,並同時感測在火災時人員疏散的即時狀況[2]。



圖6 : 主控核心電路
圖6 : 主控核心電路

房門終端電源轉換電路設計

本作品在房門終端系統當中,擁有多種不同類型的電子元件,包含MCU、電磁閥及感測器等,因而一個終端電路需要多組不同電壓的電源供應。圖7為遠端飯店安全監控系統的房門終端電源轉換電路,供應電壓包含了24伏特、5伏特與3.3伏特三種電壓輸出。24伏特電源用於提供電磁閥與電磁閥驅動電路的電源供應,5伏特則提供感測器所需的電源供應,而3.3伏特為提供MCU與無線傳輸模組的電源供應。



圖7 : 房門終端電源轉換電路
圖7 : 房門終端電源轉換電路

電磁閥驅動電路設計

本終端房門開關主要是透過電磁閥的作動來完成,圖8為電磁閥驅動電路,主要是以24伏特來作動。


本電路是利用電晶體驅動,再使繼電器迴路接地導通,令繼電器作動,進而輸出24伏特的電源供應至電磁閥。運用上述方式以實現透過MCU小訊號觸發來控制大電力負載的功能實現。



圖8 : 電磁閥驅動電路
圖8 : 電磁閥驅動電路

Wi-Fi模組電路設計

本作品使用的ESP-01模組是由ESP8266晶片與周邊電路所組合而成的Wi-Fi模組。圖9為ESP-01無線通訊模組電路圖,藉此通訊模組做為HT66F2390與網頁端傳輸橋梁。ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網絡解決方案,能夠獨立運行,也可以作為從機搭載於其他主機 MCU 的功能運行[3]。



圖9 : ESP-01無線通訊模組電路圖
圖9 : ESP-01無線通訊模組電路圖

煙霧顆粒感測器

本作品在房門終端系統當中,擁有二種不同型號的感測器,其一為煙霧顆粒感測器,負責感測煙霧擴散範圍。


圖10為MQ-2氣體感測器外觀,MQ-2氣體感測器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當感測器所處環境中存在可燃氣體或煙霧顆粒的環境時,感測器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。


本作品運用MQ-2氣體感測器作為偵測房門是否發生火災的感測任務,透過多個感測器回傳的數據可快速判斷出起火點與火勢蔓延方向[4]。


圖10 : MQ-2煙霧顆粒感測模組[5]
圖10 : MQ-2煙霧顆粒感測模組[5]

人體紅外線感測器

在房門終端系統當中第二種不同型號的感測器為人體紅外線感測器,負責在危急時刻提供受困資訊。圖11為HC-SR501人體紅外線感測模組外觀。HC-SR501是基於人體紅外線技術的感測器模組,具有靈敏度高,可靠性強,低工作電壓等優點,廣泛應用於各類自動感應電器設備。本作品運用HC-SR501人體紅外線感測模組偵測門內是否有人員滯留,尤其在火災發生時,人體紅外線感測器能及時地了解是否有人員受困等情形,方便外部救災團隊快速定位與完成救援的任務。


圖11 : HC-SR501人體紅外線模組示意圖[6]
圖11 : HC-SR501人體紅外線模組示意圖[6]

軟體架構

遠端飯店安全監控系統程式流程圖

圖12為MCU程式控制流程圖。首先,程式一開始會先判斷是否有接收資料,若是接收到來自伺服器傳輸的密碼資料或開門指令後,會先去接收並判斷資料。判斷為指令時即打開門鎖,並且確認門是否開啟。若是沒有收到資料,則會做按鍵式密碼的鍵盤掃描。


在鍵盤掃描副程式中,會先去掃描鍵盤的每一行是否有按鍵被按下,如果沒有,即繼續做掃描的動作。但當按鍵有被按下時,則會回傳一個數值存入矩陣,並且在對應的七段顯示器顯示數字。輸入密碼後,系統會判斷是否到達四位數字,如果未達成,則會繼續要求輸入密碼;若已經輸入四位數字,則會自動比對密碼是否正確。密碼正確則亮綠燈,並且打開電磁閥。若密碼錯誤,則會亮紅燈並重新輸入密碼。


圖12 : MCU程式控制流程圖
圖12 : MCU程式控制流程圖

網頁端設計

Raspberry Pi 介紹

本作品以開源Linux單板電腦作為系統的網頁伺服器,圖13為樹梅派外觀實體圖,Raspberry Pi是一款基於Linux的單板機電腦。它是由英國的樹莓派基金會所開發,目的是以低價硬體及自由軟體促進學校的基本電腦科學教育。本作品是以它來做為雲端伺服主機,儲存由MCU所上傳的資料,並提供給網路查詢的資料來源[7]。


圖13 : 樹梅派外觀實體圖
圖13 : 樹梅派外觀實體圖

遠端飯店安全監控系統管理員網頁端設計

圖14為管理員網頁端架構圖,本作品管理員網頁端網頁架構分成前端與後端兩大部分。前端為JavaScript語言、D3資料視覺化、JSON 與Ajax非同步技術所共同組成的網頁介面。後端伺服器則以PHP語言、Python語言、Apache2 與MySQL資料庫建立,提供即時並且容易使用的網頁入住監控系統。


圖15為網頁端首頁,透過首頁的導引按鍵可進入管理員監控介面。圖16為管理員監控介面圖,在網頁介面的分頁當中,管理人員能透過網頁上的控制按鈕進行遠端房門的設定與房門開關及感測器安全防護顯示,實現遠端控制並且達成集中管理的功能[8]。


詳細作法為將設定值透過JavaScript內嵌入的Ajax非同步技術,回傳至後端伺服器中的PHP即時分析處理。緊接著再將設定值傳送至Python,經PHP觸發的Python立即將資料製成封包。再運用Python語言撰寫的TCP Server,以TCP網路協定將設定資料傳送至對應TCP協定的Wifi模組,完成網頁下送命令的動作。


飯店櫃檯人員能在網頁介面的分頁當中,即時的掌握各個房門狀態、紀錄開啟時間點、管理入住與退房的整體飯店開房數據。同時也方便飯店櫃檯人員在遠端也能即時的控制各房門的開啟動作,省去了重複性開門工作所消耗掉的寶貴時間[9]。


至於房門端作法為透過伺服器中的Python TCP Server,定時以TCP網路協定向與Wi-Fi模組連接的HT66F2390主控核心提出資料回傳請求。HT66F2390主控核心接收到指令並及時彙整房門感測資料數據,透過Wi-Fi模組回傳至伺服器中的Python TCP Server。當接收到回傳資料後立即進行解封包動作,將解完封包的資料推送至PHP,經Python觸發後PHP立即將房門即時數據透過Ajax非同步技術更新至前端網頁介面即時顯示。


同時,PHP也將資料儲存至MySQL資料庫,儲存於MySQL的資料同時,利用PHP讀取後,透過Ajax非同步技術將資料傳送至前端圖表分頁[10],由D3資料視覺化搭配JavaScript語言即時呈現圖表的即時資料[11]。


另外,本作品網頁端也可發送SOS緊急電子郵件訊息。當飯店房內飄出濃煙時,立即透過後端PHP電子郵件機器人進行自動撰寫郵件並發送訊息,發送緊急E-Mail通知至消防單位中,搶下最短的時間進行滅火並執行人命搶救動作。此時飯店管理單位也可第一時間運用管理員監控介面,即時掌握火勢與濃煙的蔓延分佈狀況。



圖14 : 網頁端架圖
圖14 : 網頁端架圖

圖15 : 網頁端首頁
圖15 : 網頁端首頁

圖16 : 網頁端管理員監控介面
圖16 : 網頁端管理員監控介面

遠端飯店安全監控系統管理員房客行動認證系統設計

圖17(左)為房客登入介面圖,系統主要利用輸入的房門號碼與相對應的房號密碼,判定登入人員是否為此房號的住戶,透過此系統介面,房客可以經由認證自己的行動裝置,進入圖17(右)的行動認證房門鎖介面,房客即可利用此介面進行遠端開啟房門與監視房門狀態操作。


具體作法如圖18的房客行動認證系統架構圖。利用登入介面作為使用者端的輸入互動頁面,利用POST方法取得房號與密碼後,使後端PHP程式進行判讀工作。如果比對成功,系統將頒發此行動裝置一個JSON憑證,內容包括IP位址與時間戳,方便往後系統做進一步的身份更正動作。當成功頒佈憑證後即可進入行動認證房門鎖介面,供房客隨心所欲的遠端開啟與監視自己房號的大門動作。



圖17 : 房客行動認證系統
圖17 : 房客行動認證系統

圖18 : 房客行動認證系統架構圖
圖18 : 房客行動認證系統架構圖

實驗結果

圖19為遠端飯店安全監控系統作品實體圖,房門端MCU則利用輸入鍵盤介面,透過中央伺服器提供的虛擬密碼控制房門電磁鎖頭完成對房門的開鎖控制目的。同時也運用屋頂上側的煙霧感測器,即時偵測房門內有無濃煙等火災特徵,一有警訊將立即通過TCP/IP網路協議傳送房號ID以及警告訊息,提供中央伺服器進行近一步的分析與動作。右半區塊為中央伺服器裝置區域,可透過裝置上的觸控螢幕即時操作管理員監控系統,圖20為透過遠端開啟的房門狀態。



圖19 : 遠端飯店安全監控系統作品實體圖
圖19 : 遠端飯店安全監控系統作品實體圖

圖20 : 透過遠端開啟的房門狀態圖
圖20 : 透過遠端開啟的房門狀態圖

結論

本作品目的是以HT66F2390單晶片微電腦結合物聯網技術,實現集中式遠端飯店安全監控管理系統。透過中央伺服器與多個房間中的單晶片微電腦,結合大樓內現有的網際網路,完成同時具備門禁、安全、入退房管理的整合系統。


透過中央伺服器,向每位新房客自動產生獨立的房門密碼,提供房客對特定房號的通關管理服務。同時房客可用行動裝置認證方式進行遠端開鎖,解決飯店業者對門禁卡的管理或房客遺失等問題。並結合房內煙霧感測器,確保房客與大樓的人身安全,如遇火災等危險狀況,中央伺服器馬上推播緊急通知給消防局與管理者,同時透過各房門感測器即時掌握災害的傷害範圍與災害即時資訊。


本作品主要成果如下:


(1) 透過系統隨機產生入住密碼給每位房客,同時傳輸密碼至選定房門並訂定密碼有效時間。


(2) 透過行動裝置更正系統實現安全的遠端開門功能。


(3) 於緊急火災事故時能即時觸發大樓警報系統並傳送緊急 email 訊息通知至消防單位與飯店管理人員。


(4) 能在第一時間透過伺服端監控系統了解並掌握大樓的起火地點與災害範圍,提供消防單位更有效的滅火與搶救資訊。


(本文作者陳宏明1、簡文浩、2王銘典、2陳威志2為建國科技大學電子工程系1教授、2研究生)


參考文獻

[1] 煙霧感測器,http://www.lifeinsight-tech.com/defihome-262342493523478236212417921488.html,6月2018年。


[2] HT66F2390資料手冊,http://mcu.holtek. com.tw/mcugame12/download/paper/HT66F23xx_Data%20Sheet.pdf,11月2018年。


[3] ESP-01,http://www.playrobot.com/ robotpress/wp-content/uploads/2016/09/CEE0010.pdf,6月2018年。


[4] MQ-2, http://www.jin-hua.com.tw/upload/ product/ 259000 0005429_MQ-2.pdf,6月2018年。


[5] MQ-2, https://eitkw.com/product/mq-2- gas-sensor/,6月2018年。。


[6] HC-SR501, https:// www.addicore.com/PIR-Infrared-Motion-Sensor-HC-SR501-p/168.htm,6月2018年。。


[7] 柯博文,Raspberry Pi 超炫專案與完全實戰(第二版),碁峰資訊股份 有柯博文,Raspberry Pi 超炫專案與完全實戰(第二版),碁峰資訊股份 有限公司,2016 年。限公司,2016 年。。


[8] 施威銘,Ubuntu Linux 系統管理與架站實務 第二版,旗標科技股份 有限公司 2017 年。


[9] 柯博文,Raspberry Pi 最佳入門與實戰應用(第二版),碁峰資訊股份 有限公司,2016 年。


[10] 陳會安,新觀念 PHP7+MySQL+AJAX 網頁設計範例教本第五版 , 旗標出版股份有限公司 2016 年。


[11] PHP7+MySQL+AJAX 網頁設計,http://www. books.com.tw/products/0010712911,6月2018年。


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