摘要

随着现代社会经济环境结构的关系，很多家庭为双薪家庭，导致家中经常无人在家，因此遭到有心人士闯入屋内的机会大增。同时，当屋主下班回到家后，经常疲惫且已无多余精力照顾家中琐事。因此，我们设计了居家防盗与服务系统解决上述问题。当小偷入侵时，系统会判定并立即传送简讯告知屋主家中遭可疑人士入侵；而屋主可随时透过手机监看家中的动态，并且将影像储存于电脑中，提供追查宵小影像资料，而屋内的警报器也会随之作响，来达到监视吓阻的作用。而当屋主在家中时，可利用特定的手势，来调整电器功率的大小、开启、关闭等等。另外随着现今环保意识逐渐抬头，节约用电的观念也是目前生活上的重要议题，故我们也设计了节能功能，当屋主离开房间经过一定时间后，系统便自动关闭家中所开启之电器，来达到节能的效果。而在整个系统的设计上，以HT66F50作为系统主控晶片，并且结合Kinect，首先我们提出创新的结构，来改善Kinect无法左右移动的缺点，有效扩展其应用，进一步来完成此居家防盗与服务系统，使屋主出门在外可随时注意家中安全，进屋后可藉由Kinect来控制家电，并能达到节能的效果。

1. 前言

1.1 创作动机

随着社会现代化的变迁，双薪家庭渐渐成为主流的家庭结构，男主外、女主内的观念渐渐转变，屋主在忙碌的工作回家后，通常已无其他精力做家中太繁琐的事。故我们以增进居家生活安全与便利性为出发点，将目前各项技术的整合，架构出一套居家服务系统，并且提出创新硬体结构，改善我们所使用设备技术上的缺点，希望能让使用者能透过我们的系统让生活的操作模式变得更方便，更无须去担忧家中的琐事。

1.2 创新性

本作品使用HT66F50作为主系统晶片，将Kinect所感测之骨架追踪、手势辨识，感测后存取数值，再利用UART传送数值给主系统晶片，并做出锁定追踪、居家服务、节能、防盗等功能，系统之服务流程如图1所示，本作品创新性功能为：

●锁定追踪─Kinect骨架追踪，跟随人体

●居家服务模式─手势辨识，控制家电

●防盗模式─紧急简讯通知、影像监视/录制储存

●节能模式─家电智慧节能

1.3 作品功能

如下图1为本系统功能流程图，以盛群晶片及Kinect为主体，在做出相对应之服务。

图一 : 系统流程图

而下一章节开始介绍本系统各种功能。

1.3.1 锁定追踪

本作品首先设计创新结构，利用骨架追踪配合伺服马达，使得Kinect可以左右移动，改善原本Kinect侦测范围局限的问题，当屋主在家中移动时，可锁定并且追踪屋主，随时了解到屋主目前需要及提供适时之服务。

1.3.2 居家服务模式

锁定追踪屋主的同时，若屋主想控制屋内的家电，可利用骨架判断作特定手势，来开启/关闭所指定之家电，甚至是家电功率大小的调节，使在屋内控制家电可变得更直觉更方便。

1.3.3 居家保全模式

若判定进屋内的人士并非屋主时，主系统会自动发送紧急简讯至屋主手机，当屋主看到简讯后可即时利用手机监看屋内动态，并将所监视到的画面自动储存于自家中电脑，而在同时屋内警报器也随之作响。

1.3.4 节能模式

利用Kinect骨架的判断，侦测屋中是否还有人，若一段时间内都未侦测到骨架，系统便会判定屋主不在房间现场，接着会自动关闭屋主所开启之电器，来省下多余的电费达到节能的效果。

2 工作原理

2.1 系统设备

2.1.1 HT66F50

图二 : HT66F50

本作品利用盛群HT66F50晶片[1]，如图2所示，作为整个系统的主控晶片，搭配Kinect进行居家的防盗与服务，系统透过Kinect本身的骨架判别，判断人体骨架的位置、动作，接着利用UART串列传输回传数据给盛群HT66F50作出相对应之功能与动作，而因为HT66F50没有内建UART串列传输的功能，所以需要再透过盛群另一颗晶片HT45B0F来完成串列传输的功能，主控晶片才能与Kinect作沟通。而我们系统运作时，HT66F50扮演了下列几项重点功能:

●系统流程判断与触发

●PWM脉波宽度调变

●SPI to UART

●红外线编码控制

2.1.2 Holtek HT45B0F

本系统为了实现UART串列传输的功能，必须藉由HT45B0F来解决当下所需的技术[3]，这块晶片用来实现SPI转UART数据的功能，将Kinect所读取到的数值，运用UART传送至HT45B0F，数据经过SPI转换后再传送至HT66F50，最终完成双边通信的目的。

2.1.3 Kinect

我们使用之设备Kinect外观如下图3所示，透过Kinect镜头即时撷取使用者动作，接着再判断骨架作出相对应动作，利用内建红外线传感器，发射出红外光，藉由反射后接收数据的时间差异，建构出3D深度影像，判断使用者的骨架位置，手势动作等，根据判断在作出相关的应用[2]。

图三 : Kinect外观

根据其特定骨架位置、动作，我们可实现锁定追踪人体，判断是否还有侦测到骨架，如下图4所示，若没有便关闭家电，若作特定手势可控制屋内电器。

图四 : 骨架侦测

2.2 锁定追踪

而我们对Kinect所提出创新结构，如图5所示，其动作原理如下：当Kinect侦测到的骨架座标超越我们所设定的左右基准点时，便判定人正在移动，骨架座标经计算后，运用UART串列传输回传数值给主系统晶片，计算后触发Kinect下的伺服马达，来调整Kinect侦测的角度范围，达到追踪人体的目的，改善原本Kinect因无法左右移动而导致丧失骨架判别的效应。

图五 : 创新结构构想设计图

当Kinect锁定特定人士之后，即不理会其他骨架，避免Kinect同时侦测过多骨架导致当机的情况，直至锁定人解除锁定或离开Kinect侦测范围时其他人方可使用。

当Kinect锁定特定人士之后，即不理会其他骨架，避免Kinect同时侦测过多骨架导致当机的情况，直至锁定人解除锁定或离开Kinect侦测范围时其他人方可使用。

2.2.1 伺服马达(GWS S03T)

为了使Kinect达到追踪人体的目的，在底部安装了伺服马达，如下图6所示，而控制伺服马达转向的原理为：根据Kinect骨架侦测判断后，回传数据给HT66F50，接着根据骨架位置的不同，运用PWM脉波宽度调变调整Duty Cycle，伺服马达能转至不同的角度，致使Kinect侦测到更广的范围

图六 : 伺服马达GWS S03T

2.3 居家服务模式

屋主被锁定追踪后，即可进行居家服务的模式，若屋主想控制家电，可利用特定的手势来开启／关闭电器以及控制电器功率的大小。

2.3.1 SM5021

当挥动手势经由Kinect判断后，主系统晶片接收到不同的命令，接着撰写及传送特定资料讯息至编码IC SM5021，最后由红外线LED发射出指令，完成手势遥控电器的功能[4]。

2.4 防盗模式

有人进入家中后，需在指定时间内做特定动作让系统判定是否为屋主，若在指定时间内没有做骨架验证的话，即判定为非屋主之人，紧接着再做出相对应防盗措施。

2.4.1 紧急简讯通知／WebCam影像监看储存

当小偷侵入家中，系统会利用骨架验证是否为屋主，判定是小偷时，透过紧急简讯功能传送简讯至屋主手机进行通知，当屋主查看到简讯后立即开启Web Cam监看到屋内状况，视情况可线上报案。若屋主没办法再第一时间接收到简讯，系统也会先将影像录制储存至家中电脑，以防未来若想看影像却没证据的窘境。

2.4.2 蜂鸣警报器

若小偷入侵家中，系统经判断后会开启警报器作响，达到声响吓阻的作用。此警报器工作电压为12V，而盛群晶片工作电压为5V，故无法直接传送讯号使用，所以我们利用继电器来实现此功能，当有小偷入侵家里时，系统晶片会接收到指令，传送电位差至继电器输入回路，供应电压后，继电器输出回路短路导通，警报器即便做动。

2.5 节能模式

屋主进行居家服务模式时，若突然离开房间忘记关闭家电时，经过一段时间后，系统会自动关闭屋主先前所开启之家电，达到节约用电的效果。

我们利用Kinect的骨架判别判断是否有持续侦测到骨架，若无侦测到骨架，即判定屋主离开房间了，透过主系统晶片的延迟等待以及Kinect的持续侦测，确认屋主不在后，再使用红外线将设定之电器关闭以达到节能的目的。

3. 作品结构

在一进家门，Kinect便会先侦测骨架验证是否为屋主，若不是屋主，即进入防盗模式，触发相对应动作。若验证为屋主时，进入居家服务模式，同时锁定追踪屋主，在判断作出相对应服务，当Kinect未侦测到骨架一段时间后立即关闭家电达到节能省电的效果。

图七 : 系统动作流程图

下图8为主系统晶片与其他硬体结构关系说明，以主系统晶片出发，达到所有模组相互结合之应用，各项皆有所功能，进而完成居家防盗与服务系统。

图八 : 硬体架构图

4. 测试方法

在作品各个模式功能完成后，紧接着即是要将整个系统整合起来实际测试，我们的测试方法主要以从屋主进门开始，测试各个模式的使用情境以及动作。

下图9为本系统屋主进门后的使用情境图，当屋主一进门后，Kinect即转向门口，同时侦测骨架及手势，此时必须做出特定手势确认是否为屋主身份，若没有即判断为非屋主之人侵入，进入居家保全模式，将传送紧急简讯告知屋主，屋主看到讯息后可即时用监看屋内动态，同时将所监视到的画面自动储存于家中电脑，并且屋内警报器也会随之作响。

图九 : 进入屋内的使用情境图

若使用者进入屋内后有做特定手势判定为屋主时，Kinect便锁定追踪屋主，屋主不管走到何处，系统皆会跟随侦测着屋主的骨架，随时等待屋主是否有使用要求，在触发做出相对应的动作及服务。

当进入屋内验证屋主身份除了锁定屋主以外，同时也会进入居家服务模式，如下图10为屋主在家中使用本系统的使用情境图，若屋主想控制家中电风扇，可利用特定手势，来开启/关闭电风扇以及功率大小的调节等，让使用者在屋内控制家电变得更直觉更方便。

图十 : 进入屋内的使用情境图

若屋主在居家模式之下，突然离开房间并且忘记关闭电风扇时，经过一段时间后，系统便会自动关闭电风扇，来达到节能的效果。

而本作品于实作过程中，主要有两种必须进行仔细调整与测试之项目：

●伺服马达PWM控制

●Kinect手势设定与执行测试

4.1 伺服马达PWM控制

为了能够让系统完成锁定追踪的目的，控制伺服马达为最首要且重要的测试，利用Kinect骨架定位识别，当骨架座标超越我们所设定的左右基准点时，便判定人正在移动，骨架座标经计算后，回传数值给主系统，计算后触发伺服马达，来调整Kinect侦测的角度范围。

而为了使伺服马达做出相对应转向，我们运用STM PWM输出脉波，伺服马达接收的讯号为20ms的周期脉波，藉由控制高电位的长度(工作周期duty cycle)，可让伺服马达运转到特定的角度。

当工作周期为0.75%(1.5ms高电位)时，伺服马达转至0度，此为Kinect归零之角度。

当工作周期为0.55%(1.1ms高电位)时，左转至-45度。

当工作周期为0.95%(1.9ms高电位)时，右转至45度。

4.2 Kinect手势设定与执行测试

本作品结合Kinect进行骨架侦测与动作辨识，骨架侦测应用于追踪模式与节能模式，手势辨识则应用于锁定功能以及家电控制功能，我们为了完成各个动作的功能，进而测试手势不同方向与动作。

●锁定功能:当屋主进入屋内后立刻举起左手使Kinect侦测到屋主手势便马上锁定。

●追踪功能：锁定到屋主后便自动启动追踪功能，当侦测到屋主骨架座标超越我们设定的左右基准时，伺服马达引导Kinect镜头来追踪屋主骨架，方便接下来家电控制的感测。

●家电控制功能：锁定人体骨架后，当屋主左手平举移动便控制家中灯具开/关；右手向上举设定为开启电器及控制家电功率大小；右手平举则设定为关闭家电。

●节能模式：当Kinect未侦测到骨架时，经过一段时间的延迟及继续判断是否有骨架进入，若无，便关闭家中电器已达到省电的效果。

(本文由盛群半导体提供 作者为树德科技大学 电脑与通讯系颜锦柱教授、李宗达、郭亮逞、许佑祯、张皓勋)