投稿類別 : 工程技術類篇名 : IOT 智慧門禁作者 : 林辰憲台北市立內湖高工電機科三年孝班吳宥宇台北市立內湖高工電機科三年孝班施仲庭台北市立內湖高工電機科三年孝班指導老師 : 吳承倫老師鄭錦鈞老師

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刑和
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1 投稿類別 : 工程技術類篇名 : 作者 : 林辰憲台北市立內湖高工電機科三年孝班吳宥宇台北市立內湖高工電機科三年孝班施仲庭台北市立內湖高工電機科三年孝班指導老師 : 吳承倫老師鄭錦鈞老師

壹前言一研究動機最近這些年, 由於對於方便性與安全性的追求, 越來越多營業辦公的場所, 都採用了感應的方式作為進出的管理方式, 這種感應的方式, 不僅可以更好紀錄人員進出的數據, 也比較不容易被偽造而我們就在想, 家庭中是否可以運用這種類似的方式, 來提高各種功能, 不僅是能使人員進出方便些, 在安全方面, 如果外人惡意破壞, 也可以第一時間獲得訊息, 以便提升門戶安全的品質,

2 壹前言一研究動機最近這些年, 由於對於方便性與安全性的追求, 越來越多營業辦公的場所, 都採用了感應的方式作為進出的管理方式, 這種感應的方式, 不僅可以更好紀錄人員進出的數據, 也比較不容易被偽造而我們就在想, 家庭中是否可以運用這種類似的方式, 來提高各種功能, 不僅是能使人員進出方便些, 在安全方面, 如果外人惡意破壞, 也可以第一時間獲得訊息, 以便提升門戶安全的品質, 讓家庭安全更穩固二研究目的 ( 一 ) 利用感測器與 arduino 晶片進行簡單的結合, 再搭配電磁閥, 模擬出簡易智能電子鎖系統 ( 二 ) 電子鎖系統能透過網路模組與網路的連接, 使用戶可以第一時間得到門戶訊息 ( 三 ) 加上其他功能整合成一整套系統, 例如 : 進門開燈出門關燈, 既增添方便性還可以順便省電三研究架構擬定好主題後, 透過蒐集相關教學內容及歸納整理, 構思本作品所需的功能在製作過程中, 透過諮詢老師小組間的合作及網路上的資源探究來解決問題, 最終完成作品, 其架構如 ( 圖一 ) 所示圖一 : 研究架構圖 ( 資料來源 : 研究者繪製 ) 1

貳正文一系統架構本研究希望透過網路, 告知屋主家內進出的情況研究者使用 Arduino 配合 RFID 感應票卡來確認身分 ; 另一方面為避免屋主忘記攜帶鑰匙卡時, 無法進入家門所以研究者在本作品的硬體配置上, 增設密碼鎖, 當門開啟時, 利用 7697 開發版連接手機網路, 透過 IFTTT 平台設定 line 推播訊息至預設的帳戶上如正確輸入密碼, 門開啟並通知屋主誰回家,

3 貳正文一系統架構本研究希望透過網路, 告知屋主家內進出的情況研究者使用 Arduino 配合 RFID 感應票卡來確認身分 ; 另一方面為避免屋主忘記攜帶鑰匙卡時, 無法進入家門所以研究者在本作品的硬體配置上, 增設密碼鎖, 當門開啟時, 利用 7697 開發版連接手機網路, 透過 IFTTT 平台設定 line 推播訊息至預設的帳戶上如正確輸入密碼, 門開啟並通知屋主誰回家, 若門被強制打開, 會通知屋主被入侵, 如 ( 圖二 ) 所示圖二 : 程式流程圖 ( 資料來源 : 研究者繪製 ) 二使用器具我們的研究是以 Linkit_7697 這塊開發版為核心, 結合其他的模組和網路平台來達成我們所要的效果, 所使用材料如下 ( 表一 ) 表一 : 材料使用表項目品名規格數量 1 開發版 Linkit_ 電磁鎖 24V 1 3 LCD 1602A 1 4 RFID RC 薄膜式鍵盤 4*4 1 6 繼電器 5V 控制 1 ( 資料來源 : 研究者整理 ) 2

( 一 )Arduino & Linkit_7697 Arduino 使用的語法和開發環境與 JAVA 及 C 語言相似, 且具有開放原始碼的優點, 對於沒有接觸過程式訓練的我們來說, 相對容易上手依照需求的不同, 可使用的機型很多, 例如 :Arduino UNO Arduino Nano Arduino mega 等等本次研究者使用的是由聯發科技所開發的 Linkit_7697 如 (

4 ( 一 )Arduino & Linkit_7697 Arduino 使用的語法和開發環境與 JAVA 及 C 語言相似, 且具有開放原始碼的優點, 對於沒有接觸過程式訓練的我們來說, 相對容易上手依照需求的不同, 可使用的機型很多, 例如 :Arduino UNO Arduino Nano Arduino mega 等等本次研究者使用的是由聯發科技所開發的 Linkit_7697 如 ( 圖三 ), 它本身同時搭配了藍芽和 WIFI 的無線功能, 不會像 Arduino UNO 一樣, 需額外借助連接所需模組, 功能比較如 ( 表二 ) 表二 ; 規格比較 Linkit 7697 Arduino UNO R3 Arduino MEGA 2560 R3 Arduino Nano RAM 352KB 2KB 8KB 2KB Flash 4MB 32KB 256KB 32KB Wi-Fi b/g/n(2.4G) 需另外安裝模組需另外安裝模組需另外安裝模組 Bluetooth 4.2LE 需另外安裝模組需另外安裝模組需另外安裝模組尺寸 48*26mm 70*54mm 101*54mm 需另外安裝模組作業電壓 3V3 5V 5V 5V 輸入電壓 5V(microUSB) 7V~12V 9V 7V~12V USB2UART CP2102N ATMega16U2 ATmega2560 ATmega328 ( 表二資料來源 ; 研究者整理 ) 圖三 :Linkit 7697 ( 圖三資料來源 :MEDIATEK labs 2019 年 12 月 29 日, 取自 ; ( 二 )RFID 與 NFC 本研究利用 RFID 模組取代傳統的鑰匙來感應開門, 運作原理是利用電磁場來感應物品上的標籤進行識別 NFC 是由 RFID 演變而來, 又稱作近場通訊, 兩者間的不同在於他們完成識別方式的過程 RFID 以晶片上的讀寫器, 加上標籤上的答應來運行, 而 NFC 是交互訊息來完成過程,NFC 因為近距離的關係, 常用於手機的行動 3

56MHz 高頻 (HF) 1 低到中速小卡片 868-870MHz 特高頻 (UHF) 1-2 中到高速歐洲商品編碼 ( 被動式標籤 ) 2450-5800MHz 微波 802.11WLAN( 無線網路域 ), 藍 1-2 高速 (microwave) 牙標準 NFC 頻段範圍 ( 米 ) 速度工作模式 13.56MHz 0.

5 支付, 相對於 RFID 比較安全 RFID 有很多頻率, 每個頻帶的的特色都不同, 個個都有不同方面的運用, 而 NFC 是在 13.56MHz 的頻帶, 但距離從 RFID 的 1 米變成 20 公分, 雖然距離變短, 但是有能夠避免不必要的雜訊未來研究方向, 我們希望把 RFID 更換成 NFC 模組, 這樣能更符合現在手機的使用方式表三 :RFID 及 NFC 規格比較 RFID 頻段分級範圍 ( 米 ) 速度應用 KHz 低頻 (LF) 0.1 低速動物識別工廠數據 13.56MHz 高頻 (HF) 1 低到中速小卡片 MHz 特高頻 (UHF) 1-2 中到高速歐洲商品編碼 ( 被動式標籤 ) MHz 微波 WLAN( 無線網路域 ), 藍 1-2 高速 (microwave) 牙標準 NFC 頻段範圍 ( 米 ) 速度工作模式 13.56MHz Kbit/s 212Kbit/s 或卡類比模式讀卡模式及對等 424Kbit/s 模式 (P2P) ( 表三資料來源 ; 研究者整理 ) ( 三 )Arduino IDE & BlocklyDuino Editor 開發環境上,Arduino IDE 是用來撰寫 Arduino 最常見的使用方式 ;BlocklyDuino Editor 是聯發科技用 Google 提供的 Blockly( 視覺化語言編輯程式庫 ) 為基礎製作的軟體, 不過能做的事相較 Arduino IDE 就是相形見絀, 所以研究者只有用 BlocklyDuino Editor 來建構大致的雛型, 剩下沒有提供的功能和修改 BUG 都利用 Arduino IDE 進行程式碼的編譯開發軟體畫面如 ( 圖四 ) 及 ( 圖五 ) 圖四 :BlocklyDuino Editor ( 圖四圖五由研究者拍攝 ) 圖五 :Arduino IDE 4

這顆鏡頭配合時, 可以簡單地達到家庭監控攝影, 甚至是人臉辨識的功能而使用 ESP32 還需要用到 USB TTL 工具圖七 :ESP32-CAM 及 OV2640 ( 資料來源 :TaiwanIOT studio

6 ( 四 )IFTTT IFTTT 是一個網路的平台, 他提供連結各種網路服務, 它的運作方式跟她得口號一樣 if this then that, 我們是以 Arduino 觸發 Webhook 然後連結 LINE 來發送訊息 ( 五 )ESP32-CAM 圖六 :IFTTT 研究所寫的兩個方案 ( 資料來源 ; 研究者拍攝 ) ESP32-CAM 對於監控來說是非常好的選擇, 價格不貴自帶網路的功能, 跟 ov2640 這顆鏡頭配合時, 可以簡單地達到家庭監控攝影, 甚至是人臉辨識的功能而使用 ESP32 還需要用到 USB TTL 工具圖七 :ESP32-CAM 及 OV2640 ( 資料來源 :TaiwanIOT studio 2020 年 3 月 20 日取自 : 四硬體接線圖為了避免線路脫落的意外, 我們畫了接線圖以利修復電鎖方面以電磁閥的圖示表現, 而電路部分用焊接的方式固定在電路板上, 電路圖如 ( 圖八 ) 5

$圖八 : 接線圖 ( 資料來源 : 研究者繪製 ) 五軟體功能測試 ( 一 ) 鑰匙卡感應以事前紀錄好的鑰匙卡和沒有紀錄的鑰匙卡測試驗證的結果在液晶螢幕顯示 ( 圖十 ), 若成功就會發送訊息 ( 圖九 ) id = mfrc522_readid(); / / 讀取 RFID 所讀到的值 if (id!= "") { Serial.$

7 圖八 : 接線圖 ( 資料來源 : 研究者繪製 ) 五軟體功能測試 ( 一 ) 鑰匙卡感應以事前紀錄好的鑰匙卡和沒有紀錄的鑰匙卡測試驗證的結果在液晶螢幕顯示 ( 圖十 ), 若成功就會發送訊息 ( 圖九 ) id = mfrc522_readid(); / / 讀取 RFID 所讀到的值 if (id!= "") { Serial.println(id); if (id == "4a09d116") { / / "4a09d116" 設為事先儲存好的鑰匙卡 ID name = "mom"; / / 把 "4a09d116" 設為媽媽的鑰匙卡 } else if (id == "bbd80c1c") { / / "bbd80c1c" 設為事先儲存好的鑰匙卡 ID name = "dad"; / /"bbd80c1c" 設為爸爸鑰匙卡的 ID } else { name = "unknow"; / / 不明的 ID 設為 unknow}} if(id=="bbd80c1c" id=="4a09d116"){ / / 如果 ID 為爸爸和媽媽 digitalwrite(2 LOW) / / 電磁閥鬆開 lcd.nocursor(); lcd.clear(); lcd.print("welcome home!"+name);/ / 螢幕顯示歡迎回家媽媽或爸爸 invokeifttt("dsyv6dcvpsnw66beanseqk", / / IFTTT 金鑰 front_door_opened", String(name), String(0), String(0)); / /IFTTT 要執行的方案, 設定的數值, 最多三個 delay(3000); resetlocker(); / / 重製螢幕 } 6

圖九 :Arduino 連接 IFTTT 圖十 : 讀取名為 mom 的鑰匙卡 ( 資料來源 : 研究者拍攝 ) ( 二 ) 密碼鎖用薄膜式鍵盤輸入設定的密碼 ( 圖十一 ), 判斷成功後 ( 圖十三十四 ), 用網路系統傳訊通知主人 ( 圖十二 ) String passcode = "1234567"; // 預設密碼 String inputcode

setcursor(0, 1); // 切換到第 2 行 if (inputcode == passcode) { // 比對密碼正確 lcd.clear(); lcd.print("welcome home!

8 圖九 :Arduino 連接 IFTTT 圖十 : 讀取名為 mom 的鑰匙卡 ( 資料來源 : 研究者拍攝 ) ( 二 ) 密碼鎖用薄膜式鍵盤輸入設定的密碼 ( 圖十一 ), 判斷成功後 ( 圖十三十四 ), 用網路系統傳訊通知主人 ( 圖十二 ) String passcode = " "; // 預設密碼 String inputcode = ""; // 暫存用戶的按鍵字串 bool acceptkey = true; // 代表是否接受用戶按鍵輸入的變數, 設為接受 void checkpincode() { acceptkey = false; // 暫時不接受用戶按鍵輸入 clearrow(0); // 從第 0 個字元開始清除 LCD 畫面 lcd.nocursor(); lcd.setcursor(0, 1); // 切換到第 2 行 if (inputcode == passcode) { // 比對密碼正確 lcd.clear(); lcd.print("welcome home!"); digitalwrite( relay, HIGH); cardid=high; // 用來判定是否為入侵的變數,LOW 是沒經過驗證 name ="someone use codelock"; invokeifttt("dsyv6dcvpsnw66beanseqk", "front_door_opened", String(name), String(0), String(0)); //IFTTT 告知有人用密碼鎖回家 } else { lcd.print("***wrong!!***");} // 比對錯誤 7

圖十一 : 輸入七位數密碼圖十二 : 用密碼鎖回家圖十三 : 輸入正確 ( 資料來源 : 研究者拍攝 ) 圖十四

透過網路系統發送訊息 int cardid = LOW; // 拿來處存是否通過驗證 void dooropen(){

9 圖十一 : 輸入七位數密碼圖十二 : 用密碼鎖回家圖十三 : 輸入正確 ( 資料來源 : 研究者拍攝 ) 圖十四 : 輸入錯誤 ( 三 ) 未經驗證門就打開用 LS 開關偵測門的啟閉, 再由程式觀察是否有經過驗證, 若沒有則透過網路系統發送訊息 int cardid = LOW; // 拿來處存是否通過驗證 void dooropen(){ void dooropen(){ // 開門的副程式 if(cardid==low){ // 若沒經過驗證 invokeifttt("dsyv6dcvpsnw66beanseqk","detect_unknow_inside_house", String(name), String(0), String(0)); // 連接 IFTTT 偵測陌生人的專案 }else{ // 若有經過判定 cardid=low; // 把變數重製 } void setup(){ attachinterrupt(0, dooropen, FALLING); // 如果偵測開門時, 進行副程式 dooropen 8

參結論圖十五 :IFTTT 偵測到入侵的專案 ( 資料來源 : 研究者拍攝 ) Arduino 晶片模組有很多的擴充模組,

過程中遭遇了許多困難, 但都有所克服, 從中也學習到了許多新事物, 最終製作出成品, 希望我們製作的成品可以讓生活更方便更安全一研究成果 :

我們試著安裝我們的系統到舊鎖上面, 這樣新舊結合的形式實際安裝到門上時, 便不需要動到門的其他部分, 能省些力, 也能減少我們的開銷圖十六 :

10 參結論圖十五 :IFTTT 偵測到入侵的專案 ( 資料來源 : 研究者拍攝 ) Arduino 晶片模組有很多的擴充模組, 可以發展成很大的系統, 甚至把整個家都包含進來雖然我們目前做的部分並不太大, 但因為是第一次嘗試做, 所以花了很多時間製作, 過程中遭遇了許多困難, 但都有所克服, 從中也學習到了許多新事物, 最終製作出成品, 希望我們製作的成品可以讓生活更方便更安全一研究成果 : ( 一 ) 將門鎖系統與舊的電所結合 : 因為考慮到很多用戶都使用傳統電鎖, 我們把電磁閥換成舊的電鎖如 ( 圖十六及十七 ), 我們試著安裝我們的系統到舊鎖上面, 這樣新舊結合的形式實際安裝到門上時, 便不需要動到門的其他部分, 能省些力, 也能減少我們的開銷圖十六 : 整合起來的小盒子圖十七 : 電鎖組裝 ( 資料來源 : 研究者拍攝 ) ( 二 ) 成功透過網路連接 IFTTT 由 LINE 傳送入侵訊息至手機 ( 三 ) 用網路連接 ESP32 完成監控功能 9

11 二未來展望 : 在監控方面 ESP-32 一顆晶片只能配置一顆鏡頭, 所以我們沒辦法同時達到人臉辨識和家庭監控的效果研究者選擇使用監控的功能, 是因為這顆晶片較低階, 進行人臉辨識較難以負荷在這部分我們遇到的困難是網路的部分, 因為家中通常是浮動 IP, 所以每次分享出來的 IP 位置不同, 配合 IFTTT 平台較難傳送 IP 位置, 但是經過我們的測試, 如果使用手機的熱點所建立的 IP 位置都一樣, 而如何克服此項問題, 則可以繼續研究將 NFC 取代 RFID: 因為現在手機的盛行, 而新的手機都有內建 NFC 的功能, 所以我們將 NFC 取代 RFID 用於門鎖開鎖感應系統, 這樣更符合這手機盛行的時代肆引註資料施士文 (2014) Arduino 微電腦應用實習新北市 : 台科大圖書股份有限公司曾吉弘 (2017) [LinkIt 7697 開發板上市啦!] 燒燙燙開箱規格報你知 2019 年 12 月 9 日, 取自夜市小霸王 (2019) ESP32-CAM(arduino) 影像伺服器及臉部辨識教學原始檔 Video Stream Server 2020 年 1 月 18, 取自 cubie(2018) Arduino 4 4 薄膜鍵盤模組實驗 2019 年 12 月 29 日, 取自 Felix Lin(2018) Tutorial LinkIt 7697 與 IFTTT 譜出雲端協奏曲 2019 年 12 月 29 日, 取自 MEDIATEK labs(2018) LinkIt 7697 BlocklyDuino 使用指南 2019 年 12 月 29 日, 取自維基百科 (2020) 無線射頻識別 2020 年 3 月 20 日, 取自維基百科 (2020) 近距離無線通訊 2020 年 3 月 20 日, 取自 10

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投稿類別 : 工程技術類 篇名 : IOT 智慧門禁 作者 : 林辰憲 台北市立內湖高工 電機科三年孝班 吳宥宇 台北市立內湖高工 電機科三年孝班 施仲庭 台北市立內湖高工 電機科三年孝班 指導老師 : 吳承倫老師鄭錦鈞老師

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