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远端饭店安全监控系统
 

【作者: 陳宏明、簡文浩等人】2019年05月17日 星期五

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近年来科技的发达,使得单晶片微电脑的性能越来越强,其所结合物联网的技术应用正如火如荼地展开。很多行业也由於物联网技术的开发正改变国人的消费行为与生活习性。由於国人重视休闲旅游,因此旅游观光业也特别的兴盛。近期发觉现今多半主流饭店还是多采用封闭式的RFID门卡系统,如图1所示。


图1 : 传统RFID认证门禁卡示意图[1]
图1 : 传统RFID认证门禁卡示意图[1]

在管理与保存上,业者与房客都需加以管理这些RFID门禁卡。以业者的角度,需要多花一部分的成本来加以管理,而以房客角度,需要在出门前随时留意自己的房卡是否携带。许多较不注意的房客常常会把自己的房卡忘在某个地方,也许是车上、房间里、或是某个囗袋中。这些状况房客可能需要花时间找寻自己的房卡,相当费时。由於这些诸多的不便,让我们发想是否能利用近年正崛起的物联网搭配单晶片微电脑,创造更有效率且更加智能的饭店安全管理系统,藉此提升饭店的安全管理与监测。


本设计是透过中央伺服器的密码分配方式,房客只要第一次记住属於自已的通关密码,配合专属的行动网路登入系统,房客即可透过自己的手机轻松入住通关,甚至能够远端控制并检视自己的房门开启状态,再也不需有保管以及归还RFID门卡的相关问题困扰。当房客退房时,伺服器即可将此密码抹除,新房客将生成独立的新密码,完成退房与新入住的程序。此外,即使房客真的将自己的手机遗漏在房门内时,也可透过专属的独立房门按键,输入密码立即通关。


在消防安全方面,现今的饭店大楼也越盖越高,容积率与房间数也越来越多,对於安全管理上也是更加挑战。万一发生了火灾还是无法即时的掌握起火点,往往发现後便是为时已晚,已成一片火海。图2为运用传统封闭式烟雾感侧器显得不够,即使发出警报声音,但不易掌握现场火势发展。若是透过终端的单晶片微电脑,除了与伺服器连线判断通关密码外,同时也搭配火焰与烟雾等安全感测器,对於房内的安全也能提供即时侦测的功能。一有火灾发生时,可提供相关防内人员等资讯即时掌握现况。


图2 : 传统封闭式烟雾感测器示意图[1]
图2 : 传统封闭式烟雾感测器示意图[1]

系统架构

远端饭店安全监控系统架构图

图3为远端饭店安全监控系统架构图,系统架构中拥有中央伺服器与MCU两大系统区块,终端是以盛群的微控制器HT66F2390为控制核心,配合Wi-Fi无线传输模组、电磁阀、烟雾感测器与矩阵键盘,组成终端房门控制监测器。而中央伺服器则以Linux Base的单板电脑作为伺服器系统核心,两大系统间利用TCP/IP网路传输协定进行通讯。


伺服器操作则可利用任何可连网的个人电脑或行动装置,透过网页使用者介面即时操作并监控。使用者可透过伺服器提供的行动装置认证系统,实现透过手机远端开关房门的目的。MCU端则利用输入键盘介面,透过中央伺服器提供的虚拟密码控制房门电磁锁头完成对房门的开锁控制目的。


此外,HT66F2390单晶片微电脑利用烟雾感测器,即时侦测房门内有无浓烟等火灾特徵,一有警讯将立即通过TCP/IP网路协议传送房号ID以及警告讯息,提供中央伺服器进行下一步的分析与警报的动作。



图3 : 远端饭店安全监控系统架构图
图3 : 远端饭店安全监控系统架构图

远端饭店安全监控系统模型架构设计图

图4为远端饭店安全监控系统模型架构设计图,运用後方中央伺服器,搭配三扇大门终端配备的WiFi无线模组,实现透过IP方式管理远端三扇房门,同时完成微电脑与伺服器通讯的功能。



图4 : 远端饭店安全监控系统架构图
图4 : 远端饭店安全监控系统架构图

硬体架构

远端饭店安全监控系统终端房门控制方块图

本系统架构中拥有中央伺服器与MCU两大系统区块。图5所示为终端房门控制方块图架构图。本终端房门控制是以盛群半导体公司 Holtek所生产的微控制器HT66F2390为控制核心,配合WiFi无线传输模组、电磁阀、烟雾感测器与矩阵键盘,组成终端房门控制监测器。而中央伺服器则是以Linux Base的单板电脑Rasperberry Pi作为伺服器系统核心。


两系统间是利用TCP/IP网路传输协定进行通讯。伺服器操作可利用任何连网的个人电脑或行动装置,透过网页使用者介面即时操作并监控。使用者可透过伺服器提供的行动装置认证系统,实现透过手机远端开启房门的功能。



图5 : 远端饭店安全监控系统架构图
图5 : 远端饭店安全监控系统架构图

主控核心HT66F2390电路设计

本作品使用HT66F2390为主控核心,图6为远端饭店安全监控系统主控核心电路,可经由UART串列传输介面,作为ESP8266 Wi-Fi无线传输模组的读取与写入,进行无线传输通讯功能。


本终端系统是透过WiFi模组发送端,将目前集结房门终端的开关门状态讯号、烟雾感测器、人体红外线感测器与矩阵键盘资讯,将即时状态上传至中央伺服器,并显示在电脑或手机的网页端上,达到接收与传送和伺服器连接需要传送资料封包的目的。


同时本系统微控制器HT66F2390是运用内部AD转换器,读取MQ-2烟雾感测器与HC-SR501人体红外线感测器信号,监控在火灾状况时烟雾蔓延的即时状态,并同时感测在火灾时人员疏散的即时状况[2]。



图6 : 主控核心电路
图6 : 主控核心电路

房门终端电源转换电路设计

本作品在房门终端系统当中,拥有多种不同类型的电子元件,包含MCU、电磁阀及感测器等,因而一个终端电路需要多组不同电压的电源供应。图7为远端饭店安全监控系统的房门终端电源转换电路,供应电压包含了24伏特、5伏特与3.3伏特三种电压输出。24伏特电源用於提供电磁阀与电磁阀驱动电路的电源供应,5伏特则提供感测器所需的电源供应,而3.3伏特为提供MCU与无线传输模组的电源供应。



图7 : 房门终端电源转换电路
图7 : 房门终端电源转换电路

电磁阀驱动电路设计

本终端房门开关主要是透过电磁阀的作动来完成,图8为电磁阀驱动电路,主要是以24伏特来作动。


本电路是利用电晶体驱动,再使继电器??路接地导通,令继电器作动,进而输出24伏特的电源供应至电磁阀。运用上述方式以实现透过MCU小讯号触发来控制大电力负载的功能实现。



图8 : 电磁阀驱动电路
图8 : 电磁阀驱动电路

Wi-Fi模组电路设计

本作品使用的ESP-01模组是由ESP8266晶片与周边电路所组合而成的Wi-Fi模组。图9为ESP-01无线通讯模组电路图,藉此通讯模组做为HT66F2390与网页端传输桥梁。ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案,能够独立运行,也可以作为从机搭载於其他主机 MCU 的功能运行[3]。



图9 : ESP-01无线通讯模组电路图
图9 : ESP-01无线通讯模组电路图

烟雾颗粒感测器

本作品在房门终端系统当中,拥有二种不同型号的感测器,其一为烟雾颗粒感测器,负责感测烟雾扩散范围。


图10为MQ-2气体感测器外观,MQ-2气体感测器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当感测器所处环境中存在可燃气体或烟雾颗粒的环境时,感测器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。


本作品运用MQ-2气体感测器作为侦测房门是否发生火灾的感测任务,透过多个感测器回传的数据可快速判断出起火点与火势蔓延方向[4]。


图10 : MQ-2烟雾颗粒感测模组[5]
图10 : MQ-2烟雾颗粒感测模组[5]

人体红外线感测器

在房门终端系统当中第二种不同型号的感测器为人体红外线感测器,负责在危急时刻提供受困资讯。图11为HC-SR501人体红外线感测模组外观。HC-SR501是基於人体红外线技术的感测器模组,具有灵敏度高,可靠性强,低工作电压等优点,广泛应用於各类自动感应电器设备。本作品运用HC-SR501人体红外线感测模组侦测门内是否有人员滞留,尤其在火灾发生时,人体红外线感测器能及时地了解是否有人员受困等情形,方便外部救灾团队快速定位与完成救援的任务。


图11 : HC-SR501人体红外线模组示意图[6]
图11 : HC-SR501人体红外线模组示意图[6]

软体架构

远端饭店安全监控系统程式流程图

图12为MCU程式控制流程图。首先,程式一开始会先判断是否有接收资料,若是接收到来自伺服器传输的密码资料或开门指令後,会先去接收并判断资料。判断为指令时即打开门锁,并且确认门是否开启。若是没有收到资料,则会做按键式密码的键盘扫描。


在键盘扫描??程式中,会先去扫描键盘的每一行是否有按键被按下,如果没有,即继续做扫描的动作。但当按键有被按下时,则会回传一个数值存入矩阵,并且在对应的七段显示器显示数字。输入密码後,系统会判断是否到达四位数字,如果未达成,则会继续要求输入密码;若已经输入四位数字,则会自动比对密码是否正确。密码正确则亮绿灯,并且打开电磁阀。若密码错误,则会亮红灯并重新输入密码。


图12 : MCU程式控制流程图
图12 : MCU程式控制流程图

网页端设计

Raspberry Pi 介绍

本作品以开源Linux单板电脑作为系统的网页伺服器,图13为树梅派外观实体图,Raspberry Pi是一款基於Linux的单板机电脑。它是由英国的树莓派基金会所开发,目的是以低价硬体及自由软体促进学校的基本电脑科学教育。本作品是以它来做为云端伺服主机,储存由MCU所上传的资料,并提供给网路查询的资料来源[7]。


图13 : 树梅派外观实体图
图13 : 树梅派外观实体图

远端饭店安全监控系统管理员网页端设计

图14为管理员网页端架构图,本作品管理员网页端网页架构分成前端与後端两大部分。前端为JavaScript语言、D3资料视觉化、JSON 与Ajax非同步技术所共同组成的网页介面。後端伺服器则以PHP语言、Python语言、Apache2 与MySQL资料库建立,提供即时并且容易使用的网页入住监控系统。


图15为网页端首页,透过首页的导引按键可进入管理员监控介面。图16为管理员监控介面图,在网页介面的分页当中,管理人员能透过网页上的控制按钮进行远端房门的设定与房门开关及感测器安全防护显示,实现远端控制并且达成集中管理的功能[8]。


详细作法为将设定值透过JavaScript内嵌入的Ajax非同步技术,回传至後端伺服器中的PHP即时分析处理。紧接着再将设定值传送至Python,经PHP触发的Python立即将资料制成封包。再运用Python语言撰写的TCP Server,以TCP网路协定将设定资料传送至对应TCP协定的Wifi模组,完成网页下送命令的动作。


饭店柜台人员能在网页介面的分页当中,即时的掌握各个房门状态、纪录开启时间点、管理入住与退房的整体饭店开房数据。同时也方便饭店柜台人员在远端也能即时的控制各房门的开启动作,省去了重复性开门工作所消耗掉的宝贵时间[9]。


至於房门端作法为透过伺服器中的Python TCP Server,定时以TCP网路协定向与Wi-Fi模组连接的HT66F2390主控核心提出资料回传请求。HT66F2390主控核心接收到指令并及时汇整房门感测资料数据,透过Wi-Fi模组回传至伺服器中的Python TCP Server。当接收到回传资料後立即进行解封包动作,将解完封包的资料推送至PHP,经Python触发後PHP立即将房门即时数据透过Ajax非同步技术更新至前端网页介面即时显示。


同时,PHP也将资料储存至MySQL资料库,储存於MySQL的资料同时,利用PHP读取後,透过Ajax非同步技术将资料传送至前端图表分页[10],由D3资料视觉化搭配JavaScript语言即时呈现图表的即时资料[11]。


另外,本作品网页端也可发送SOS紧急电子邮件讯息。当饭店房内飘出浓烟时,立即透过後端PHP电子邮件机器人进行自动撰写邮件并发送讯息,发送紧急E-Mail通知至消防单位中,抢下最短的时间进行灭火并执行人命抢救动作。此时饭店管理单位也可第一时间运用管理员监控介面,即时掌握火势与浓烟的蔓延分布状况。



图14 : 网页端架图
图14 : 网页端架图

图15 : 网页端首页
图15 : 网页端首页

图16 : 网页端管理员监控介面
图16 : 网页端管理员监控介面

远端饭店安全监控系统管理员房客行动认证系统设计

图17(左)为房客登入介面图,系统主要利用输入的房门号码与相对应的房号密码,判定登入人员是否为此房号的住户,透过此系统介面,房客可以经由认证自己的行动装置,进入图17(右)的行动认证房门锁介面,房客即可利用此介面进行远端开启房门与监视房门状态操作。


具体作法如图18的房客行动认证系统架构图。利用登入介面作为使用者端的输入互动页面,利用POST方法取得房号与密码後,使後端PHP程式进行判读工作。如果比对成功,系统将颁发此行动装置一个JSON凭证,内容包括IP位址与时间戳,方便往後系统做进一步的身份更正动作。当成功颁布凭证後即可进入行动认证房门锁介面,供房客随心所欲的远端开启与监视自己房号的大门动作。



图17 : 房客行动认证系统
图17 : 房客行动认证系统

图18 : 房客行动认证系统架构图
图18 : 房客行动认证系统架构图

实验结果

图19为远端饭店安全监控系统作品实体图,房门端MCU则利用输入键盘介面,透过中央伺服器提供的虚拟密码控制房门电磁锁头完成对房门的开锁控制目的。同时也运用屋顶上侧的烟雾感测器,即时侦测房门内有无浓烟等火灾特徵,一有警讯将立即通过TCP/IP网路协议传送房号ID以及警告讯息,提供中央伺服器进行近一步的分析与动作。右半区块为中央伺服器装置区域,可透过装置上的触控萤幕即时操作管理员监控系统,图20为透过远端开启的房门状态。



图19 : 远端饭店安全监控系统作品实体图
图19 : 远端饭店安全监控系统作品实体图

图20 : 透过远端开启的房门状态图
图20 : 透过远端开启的房门状态图

结论

本作品目的是以HT66F2390单晶片微电脑结合物联网技术,实现集中式远端饭店安全监控管理系统。透过中央伺服器与多个房间中的单晶片微电脑,结合大楼内现有的网际网路,完成同时具备门禁、安全、入退房管理的整合系统。


透过中央伺服器,向每位新房客自动产生独立的房门密码,提供房客对特定房号的通关管理服务。同时房客可用行动装置认证方式进行远端开锁,解决饭店业者对门禁卡的管理或房客遗失等问题。并结合房内烟雾感测器,确保房客与大楼的人身安全,如遇火灾等危险状况,中央伺服器马上推播紧急通知给消防局与管理者,同时透过各房门感测器即时掌握灾害的伤害范围与灾害即时资讯。


本作品主要成果如下:


(1) 透过系统随机产生入住密码给每位房客,同时传输密码至选定房门并订定密码有效时间。


(2) 透过行动装置更正系统实现安全的远端开门功能。


(3) 於紧急火灾事故时能即时触发大楼警报系统并传送紧急 email 讯息通知至消防单位与饭店管理人员。


(4) 能在第一时间透过伺服端监控系统了解并掌握大楼的起火地点与灾害范围,提供消防单位更有效的灭火与抢救资讯。


(作者陈宏明1、简文浩、2王铭典、2陈威志2为建国科技大学电子工程系1教授、2研究生;本文为第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


(5)


叁考文献

[1] 烟雾感测器,http://www.lifeinsight-tech.com/defihome-262342493523478236212417921488.html,6月2018年。


[2] HT66F2390资料手册,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 超炫专案与完全实战(第二版),??峰资讯股份 有柯博文,Raspberry Pi 超炫专案与完全实战(第二版),??峰资讯股份 有限公司,2016 年。限公司,2016 年。。


[8] 施威铭,Ubuntu Linux 系统管理与架站实务 第二版,旗标科技股份 有限公司 2017 年。


[9] 柯博文,Raspberry Pi 最隹入门与实战应用(第二版),??峰资讯股份 有限公司,2016 年。


[10] 陈会安,新观念 PHP7+MySQL+AJAX 网页设计范例教本第五版 , 旗标出版股份有限公司 2016 年。


[11] PHP7+MySQL+AJAX 网页设计,http://www. books.com.tw/products/0010712911,6月2018年。


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