摘要
隨著現代社會經濟環境結構的關係，很多家庭為雙薪家庭，導致家中經常無人在家，因此遭到有心人士闖入屋內的機會大增。同時，當屋主下班回到家後，經常疲憊且已無多餘精力照顧家中瑣事。因此，我們設計了居家防盜與服務系統解決上述問題。當小偷入侵時，系統會判定並立即傳送簡訊告知屋主家中遭可疑人士入侵；而屋主可隨時透過手機監看家中的動態，並且將影像儲存於電腦中，提供追查宵小影像資料，而屋內的警報器也會隨之作響，來達到監視嚇阻的作用。而當屋主在家中時，可利用特定的手勢，來調整電器功率的大小、開啟、關閉等等。另外隨著現今環保意識逐漸抬頭，節約用電的觀念也是目前生活上的重要議題，故我們也設計了節能功能，當屋主離開房間經過一定時間後，系統便自動關閉家中所開啟之電器，來達到節能的效果。而在整個系統的設計上，以HT66F50作為系統主控晶片，並且結合Kinect，首先我們提出創新的結構，來改善Kinect無法左右移動的缺點，有效擴展其應用，進一步來完成此居家防盜與服務系統，使屋主出門在外可隨時注意家中安全，進屋後可藉由Kinect來控制家電，並能達到節能的效果。
1. 前言
1.1 創作動機
隨著社會現代化的變遷，雙薪家庭漸漸成為主流的家庭結構，男主外、女主內的觀念漸漸轉變，屋主在忙碌的工作回家後，通常已無其他精力做家中太繁瑣的事。故我們以增進居家生活安全與便利性為出發點，將目前各項技術的整合，架構出一套居家服務系統，並且提出創新硬體結構，改善我們所使用設備技術上的缺點，希望能讓使用者能透過我們的系統讓生活的操作模式變得更方便，更無須去擔憂家中的瑣事。
1.2 創新性
本作品使用HT66F50作為主系統晶片，將Kinect所感測之骨架追蹤、手勢辨識，感測後存取數值，再利用UART傳送數值給主系統晶片，並做出鎖定追蹤、居家服務、節能、防盜等功能，系統之服務流程如圖1所示，本作品創新性功能為：
●鎖定追蹤─Kinect骨架追蹤，跟隨人體
●居家服務模式─手勢辨識，控制家電
●防盜模式─緊急簡訊通知、影像監視/錄製儲存
●節能模式─家電智慧節能
1.3 作品功能
如下圖1為本系統功能流程圖，以盛群晶片及Kinect為主體，在做出相對應之服務。
而下一章節開始介紹本系統各種功能。
1.3.1 鎖定追蹤
本作品首先設計創新結構，利用骨架追蹤配合伺服馬達，使得Kinect可以左右移動，改善原本Kinect偵測範圍侷限的問題，當屋主在家中移動時，可鎖定並且追蹤屋主，隨時了解到屋主目前需要及提供適時之服務。
1.3.2 居家服務模式
鎖定追蹤屋主的同時，若屋主想控制屋內的家電，可利用骨架判斷作特定手勢，來開啟/關閉所指定之家電，甚至是家電功率大小的調節，使在屋內控制家電可變得更直覺更方便。
1.3.3 居家保全模式
若判定進屋內的人士並非屋主時，主系統會自動發送緊急簡訊至屋主手機，當屋主看到簡訊後可即時利用手機監看屋內動態，並將所監視到的畫面自動儲存於自家中電腦，而在同時屋內警報器也隨之作響。
1.3.4 節能模式
利用Kinect骨架的判斷，偵測屋中是否還有人，若一段時間內都未偵測到骨架，系統便會判定屋主不在房間現場，接著會自動關閉屋主所開啟之電器，來省下多餘的電費達到節能的效果。
2 工作原理
2.1 系統設備
2.1.1 HT66F50
本作品利用盛群HT66F50晶片[1]，如圖2所示，作為整個系統的主控晶片，搭配Kinect進行居家的防盜與服務，系統透過Kinect本身的骨架判別，判斷人體骨架的位置、動作，接著利用UART串列傳輸回傳數據給盛群HT66F50作出相對應之功能與動作，而因為HT66F50沒有內建UART串列傳輸的功能，所以需要再透過盛群另一顆晶片HT45B0F來完成串列傳輸的功能，主控晶片才能與Kinect作溝通。而我們系統運作時，HT66F50扮演了下列幾項重點功能:
●系統流程判斷與觸發
●PWM脈波寬度調變
●SPI to UART
●紅外線編碼控制
2.1.2 Holtek HT45B0F
本系統為了實現UART串列傳輸的功能，必須藉由HT45B0F來解決當下所需的技術[3]，這塊晶片用來實現SPI轉UART數據的功能，將Kinect所讀取到的數值，運用UART傳送至HT45B0F，數據經過SPI轉換後再傳送至HT66F50，最終完成雙邊通信的目的。
2.1.3 Kinect
我們使用之設備Kinect外觀如下圖3所示，透過Kinect鏡頭即時擷取使用者動作，接著再判斷骨架作出相對應動作，利用內建紅外線傳感器，發射出紅外光，藉由反射後接收數據的時間差異，建構出3D深度影像，判斷使用者的骨架位置，手勢動作等，根據判斷在作出相關的應用[2]。
根據其特定骨架位置、動作，我們可實現鎖定追蹤人體，判斷是否還有偵測到骨架，如下圖4所示，若沒有便關閉家電，若作特定手勢可控制屋內電器。
2.2 鎖定追蹤
而我們對Kinect所提出創新結構，如圖5所示，其動作原理如下：當Kinect偵測到的骨架座標超越我們所設定的左右基準點時，便判定人正在移動，骨架座標經計算後，運用UART串列傳輸回傳數值給主系統晶片，計算後觸發Kinect下的伺服馬達，來調整Kinect偵測的角度範圍，達到追蹤人體的目的，改善原本Kinect因無法左右移動而導致喪失骨架判別的效應。
當Kinect鎖定特定人士之後，即不理會其他骨架，避免Kinect同時偵測過多骨架導致當機的情況，直至鎖定人解除鎖定或離開Kinect偵測範圍時其他人方可使用。
當Kinect鎖定特定人士之後，即不理會其他骨架，避免Kinect同時偵測過多骨架導致當機的情況，直至鎖定人解除鎖定或離開Kinect偵測範圍時其他人方可使用。
2.2.1 伺服馬達(GWS S03T)
為了使Kinect達到追蹤人體的目的，在底部安裝了伺服馬達，如下圖6所示，而控制伺服馬達轉向的原理為：根據Kinect骨架偵測判斷後，回傳數據給HT66F50，接著根據骨架位置的不同，運用PWM脈波寬度調變調整Duty Cycle，伺服馬達能轉至不同的角度，致使Kinect偵測到更廣的範圍
2.3 居家服務模式
屋主被鎖定追蹤後，即可進行居家服務的模式，若屋主想控制家電，可利用特定的手勢來開啟／關閉電器以及控制電器功率的大小。
2.3.1 SM5021
當揮動手勢經由Kinect判斷後，主系統晶片接收到不同的命令，接著撰寫及傳送特定資料訊息至編碼IC SM5021，最後由紅外線LED發射出指令，完成手勢遙控電器的功能[4]。
2.4 防盜模式
有人進入家中後，需在指定時間內做特定動作讓系統判定是否為屋主，若在指定時間內沒有做骨架驗證的話，即判定為非屋主之人，緊接著再做出相對應防盜措施。
2.4.1 緊急簡訊通知／WebCam影像監看儲存
當小偷侵入家中，系統會利用骨架驗證是否為屋主，判定是小偷時，透過緊急簡訊功能傳送簡訊至屋主手機進行通知，當屋主查看到簡訊後立即開啟Web Cam監看到屋內狀況，視情況可線上報案。若屋主沒辦法再第一時間接收到簡訊，系統也會先將影像錄製儲存至家中電腦，以防未來若想看影像卻沒證據的窘境。
2.4.2 蜂鳴警報器
若小偷入侵家中，系統經判斷後會開啟警報器作響，達到聲響嚇阻的作用。此警報器工作電壓為12V，而盛群晶片工作電壓為5V，故無法直接傳送訊號使用，所以我們利用繼電器來實現此功能，當有小偷入侵家裡時，系統晶片會接收到指令，傳送電位差至繼電器輸入迴路，供應電壓後，繼電器輸出迴路短路導通，警報器即便做動。
2.5 節能模式
屋主進行居家服務模式時，若突然離開房間忘記關閉家電時，經過一段時間後，系統會自動關閉屋主先前所開啟之家電，達到節約用電的效果。
我們利用Kinect的骨架判別判斷是否有持續偵測到骨架，若無偵測到骨架，即判定屋主離開房間了，透過主系統晶片的延遲等待以及Kinect的持續偵測，確認屋主不在後，再使用紅外線將設定之電器關閉以達到節能的目的。
3. 作品結構
在一進家門，Kinect便會先偵測骨架驗證是否為屋主，若不是屋主，即進入防盜模式，觸發相對應動作。若驗證為屋主時，進入居家服務模式，同時鎖定追蹤屋主，在判斷作出相對應服務，當Kinect未偵測到骨架一段時間後立即關閉家電達到節能省電的效果。
下圖8為主系統晶片與其他硬體結構關係說明，以主系統晶片出發，達到所有模組相互結合之應用，各項皆有所功能，進而完成居家防盜與服務系統。
4. 測試方法
在作品各個模式功能完成後，緊接著即是要將整個系統整合起來實際測試，我們的測試方法主要以從屋主進門開始，測試各個模式的使用情境以及動作。
下圖9為本系統屋主進門後的使用情境圖，當屋主一進門後，Kinect即轉向門口，同時偵測骨架及手勢，此時必須做出特定手勢確認是否為屋主身份，若沒有即判斷為非屋主之人侵入，進入居家保全模式，將傳送緊急簡訊告知屋主，屋主看到訊息後可即時用監看屋內動態，同時將所監視到的畫面自動儲存於家中電腦，並且屋內警報器也會隨之作響。
若使用者進入屋內後有做特定手勢判定為屋主時，Kinect便鎖定追蹤屋主，屋主不管走到何處，系統皆會跟隨偵測著屋主的骨架，隨時等待屋主是否有使用要求，在觸發做出相對應的動作及服務。
當進入屋內驗證屋主身份除了鎖定屋主以外，同時也會進入居家服務模式，如下圖10為屋主在家中使用本系統的使用情境圖，若屋主想控制家中電風扇，可利用特定手勢，來開啟/關閉電風扇以及功率大小的調節等，讓使用者在屋內控制家電變得更直覺更方便。
若屋主在居家模式之下，突然離開房間並且忘記關閉電風扇時，經過一段時間後，系統便會自動關閉電風扇，來達到節能的效果。
而本作品於實作過程中，主要有兩種必須進行仔細調整與測試之項目：
●伺服馬達PWM控制
●Kinect手勢設定與指令測試
4.1 伺服馬達PWM控制
為了能夠讓系統完成鎖定追蹤的目的，控制伺服馬達為最首要且重要的測試，利用Kinect骨架定位識別，當骨架座標超越我們所設定的左右基準點時，便判定人正在移動，骨架座標經計算後，回傳數值給主系統，計算後觸發伺服馬達，來調整Kinect偵測的角度範圍。
而為了使伺服馬達做出相對應轉向，我們運用STM PWM輸出脈波，伺服馬達接收的訊號為20ms的週期脈波，藉由控制高電位的長度(工作週期duty cycle)，可讓伺服馬達運轉到特定的角度。
當工作週期為0.75%(1.5ms高電位)時，伺服馬達轉至0度，此為Kinect歸零之角度。
當工作週期為0.55%(1.1ms高電位)時，左轉至-45度。
當工作週期為0.95%(1.9ms高電位)時，右轉至45度。
4.2 Kinect手勢設定與指令測試
本作品結合Kinect進行骨架偵測與動作辨識，骨架偵測應用於追蹤模式與節能模式，手勢辨識則應用於鎖定功能以及家電控制功能，我們為了完成各個動作的功能，進而測試手勢不同方向與動作。
●鎖定功能：當屋主進入屋內後即刻舉起左手使Kinect偵測到屋主手勢便馬上鎖定。
●追蹤功能：鎖定到屋主後便自動啟動追蹤功能，當偵測到屋主骨架座標超越我們設定的左右基準時，伺服馬達引導Kinect鏡頭來追蹤屋主骨架，方便接下來家電控制的感測。
●家電控制功能：鎖定人體骨架後，當屋主左手平舉移動便控制家中燈具開/關；右手向上舉設定為開啟電器及控制家電功率大小；右手平舉則設定為關閉家電。
●節能模式：當Kinect未偵測到骨架時，經過一段時間的延遲及繼續判斷是否有骨架進入，若無，便關閉家中電器已達到省電的效果。
(本文由盛群半導體提供 作者為樹德科技大學 電腦與通訊系顏錦柱教授、李宗達、郭亮逞、許祐禎、張皓勛)
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