逢 甲 大 學

通 訊 工 程 學 系

專題研究報告

智慧居家監控

車用即時影像定位系統

Smart House and

System of Sharing Real-Time Video

and Position for Cars

指導教授：趙啟時

學 生：林昆佑

謝佳霖

中 華 民 國 一 零 六 年 三 月

i

中文摘要

人們生活水準不斷提高，日常中的各種需求也因應而生，本專題著重於現代

人對於「智慧家庭生活」、「即時畫面定位資訊分享」的想法，模擬出智慧居家及

車用裝置相互結合，在任何地方都可隨時透過 PC或行動裝置獲得當下即時資訊。

近年通訊技術的進步，且利用網路獲得即時資訊隨之興起，因此即使身在不

同地方也能透過手機或電腦隨時獲得居家環境訊息及家人當下路況或是附近資

訊。本專題是利用 Raspberry Pi、Webcam、Arduino 和許多模組來實現智慧居家

及車用系統，並用網頁和手機結合無線網路來獲得家中情況及車用即時影像及定

位的資訊。

關鍵字：智慧家庭、車用即時畫面、定位資訊分享、Raspberry Pi 和無線網路、

arudino 和藍芽傳輸

英文摘要

Since the standard of living keep rising, the variety of needs of daily life show up

definitely. This thesis focused on what people think about "smart living", "real-time

stream and location info sharing ", to imitate the mixture of smart living and vehicle

devices, you can get just-in information via PC or mobile devices wherever you are.

The improvement of the techniques of communication recently, and the rise of

getting information via internet, thus, even when you are at different places, you can

also use smartphones or computers to get message of your living environment and the

traffic situation of your family, or the information near you.

The thesis uses Raspberry Pi, Webcam, Arduino, and a lot of module to

accomplish smart living and vehicle system, and use web pages and smartphones to

connect with the internet to gain the situation at home and automotive current images

and the information of location.

Key words：smart living、real-time stream、the information of position、Raspberry

Pi and wireless network. 、 arudino and Bluetooth transmission

ii

目錄

第一章 研究背景與目的 ............................................................................................. 1

1.1 研究背景................................................................................................ 1

1.2 研究目的................................................................................................ 1

第二章 遙控車及居家模擬系統規劃 ......................................................................... 2

2.1 遙控車及系統設計 ............................................................................... 2

2.1.1 簡介................................................................................................ 2

2.1.2 示意圖............................................................................................ 2

2.2 居家模擬及系統設計 ........................................................................... 3

2.2.1 簡介................................................................................................ 3

2.2.2 示意圖............................................................................................ 3

2.3 設備........................................................................................................ 4

2.3.1 遙控車情境規劃 .................................................................................. 4

2.3.2 居家模擬情境規劃 ............................................................................. 4

第三章 基本原理介紹 ................................................................................................. 5

3.1 Raspberry Pi 3 ...................................................................................... 5

3.1.1 Raspberry Pi 3 介紹 ..................................................................... 5

3.2 Server 架設 ........................................................................................... 6

3.2.1 Raspberry Pi－LAMP ................................................................. 6

3.2.2 WAMP ........................................................................................... 7

3.3 元件介紹................................................................................................ 8

3.3.1 直流馬達 (L298N) ....................................................................... 8

3.3.2 即時影像........................................................................................ 9

3.3.3 GPS .............................................................................................. 10

3.3.4 MQ-5 ........................................................................................... 12

3.4 網頁運用.............................................................................................. 12

3.4.1 Google map ................................................................................. 12

第四章 系統實作 ....................................................................................................... 13

4.1 系統架構.............................................................................................. 13

4.1.1 架構說明...................................................................................... 13

4.1.2 Server 網頁說明 ......................................................................... 14

4.2 實作結果.............................................................................................. 15

4.2.1. 遙控車實體 ................................................................................ 15

4.2.2. 智慧居家實體 ............................................................................ 15

4.2.3 網頁操作 ................................................................................... 16

iii

第五章 結論與專題時程 ........................................................................................... 21

5.1 結論...................................................................................................... 21

5.2 專題時程.............................................................................................. 21

參考文獻...................................................................................................................... 22

1

第一章研究背景與目的

1.1 研究背景

現代人的日常生活作息早已與資訊科技緊密的結合在一起，即時性以

及社群化的出現讓生活更加的便利，近年來不管是商業行為或是娛樂活動

都早已重視到這方面的重要性，這帶來的便利廣受大家喜愛。

然而隨著現代科技的不斷進步，為了提高改善人們的生活水平，幾乎

將傳統熟悉的電子設備，應用大數據分析使用習慣及「物聯網 IOT」概

念，搖身一變為「智慧化產品」，這成為一個重要的發展趨勢，因此各家廠

商各自研發產品及系統，可惜地設備與系統卻不能互通，未能達便利性，

於是透過此概念發展出此專題。以「整合」為概念主軸，將科技融入家庭

生活，使未來的生活將更便利和舒適。

透過 Raspberry Pi 連接上無線網路來分享即時狀態，讓所有資訊可以

透過任何連上網頁的裝置來使用，發展出智慧居家監控系統，而且幾乎每

個家庭都擁有交通工具，「行車紀錄」成為一個重要的發展趨勢。透過即時

性分享服務，整合安全、IT、網路、社群服務相關產業，將科技融入日常

生活中，使未來的生活將更便利和舒適。

1.2 研究目的

隨著時代的變遷和科技的進步，人們的生活水平提高，對於生活的要

求也越來越高，而現在生活型態重心以「便利」為主，因為人們對於各式

設備以及網路的期望越來越高，都希望未來的生活能更加便利、舒適，所

以我們將製作智慧居家監控系統，來達到在何時何地只要有網路都能觀看

居家中的一切，讓生活更加便利。

即時性分享行車畫面，可以讓行車畫面透過網路分享到網站上，透過

任何裝置看到即時影像還可以看到定位座標的地圖，並且能夠得到對方使

用者資訊。透過這樣系統可以分享即時路況，甚至是分享行車中的景色，

完整結合網路、影像、定位以及即時分享，將科技融入日常生活中。

2

第二章遙控車及居家模擬系統規劃

2.1 遙控車及系統設計

2.1.1 簡介

利用 raspberry pi 控制馬達製作兩台自走車，並加入用網頁來控制功能，用

此遙控車來模擬真實的車。並透過 webcam 來獲得即時影像，以及透過 GPS 來

得到定位資訊。

2.1.2 示意圖

圖 2.1 示意圖

3

2.2 居家模擬及系統設計

2.2.1 簡介

利用 raspberry pi 控制藍芽 HC-05 當作中央控制端，利用 Arduino 製作居家

模擬模型，並加入用網頁來控制功能，用此模型來模擬真實的居家。並透過

webcam 來獲得即時影像，以及透過撰寫 APP 增加使用者便利性。

2.2.2 意示圖

4

2.3 設備

2.3.1 遙控車情境規劃

I 遙控車

兩台遙控車來模擬兩台車實際行走的狀況，呈現出動態影像。且利用

網頁控制，因此任何裝置連上此網頁都能夠控制遙控車。

II 即時影像

當車子在移動時，車外景色會不斷變化，而攝像頭會將拍攝到的影像

即時呈現出來。

III GPS

GPS 模組經過處理將定位呈現在 google map 上，並透過登入 facebook

來獲得使用者資訊。

2.3.2 居家模擬情境規劃

I 房屋模型

房屋模型比擬居家。

模擬實際居家使用行為，呈現出動態影像。

利用網頁控制，因此任何裝置連上此網頁都能夠控制。

II Webserver

Raspberry pi 架設 webserver 提供使用者連線，網頁控制一切

可透過任何允許使用網頁的裝置來觀看即時影像。

5

III Android

提供使用者運用行動裝置可以快速操作

增加行動裝置的 NFC 功能增加便利性

第三章基本原理介紹

3.1 Raspberry Pi 3

3.1.1 Raspberry Pi 3 介紹

Raspberry Pi 3 是本次專題所使用的型號。Raspberry Pi 3 採用 64 位元

四核心 ARM Cortex-A53（1.2GHz）處理器，且擁有 1GB 的記憶體，GPIO

的接腳數量為 40 個，且 USB Ports 有 4 個，記憶卡為 Micro SD 。

圖 3.6 Raspberry Pi 3(正)

GPIO

現在共有 40 個 GPIO 針，其中 26 針可以用作數位輸入或輸出。更重要

的是，14 個新的 GPIO 針裡有 9 針是專用的輸入/輸出（即是沒有特定功能

的針腳)，所以如果想使用 UART、I2C 或 SPI 的話，現在除了使用原有接腳

外還然有空閒的 GPIO 輸入和輸出可使用。

6

圖 3.8 Raspberry Pi 3 的 GPIO 排列圖

3.2 Server 架設

3.2.1 Raspberry Pi－LAMP

I LAMP 介紹

我們的架站環境為 LAMP，LAMP 是 Linux 系統上開源架站的組

合包，因此也可運用在樹莓派上，LAMP 是指一組通常一起使用來執

行動態網站或者伺服器的自由軟體名稱首字母縮寫：

Linux，作業系統

Apache，網頁伺服器

MariaDB 或 MySQL，資料庫管理系統（或者資料庫伺服器）

PHP、Perl 或 Python，指令碼語言。

7

3.2.2 WAMP

I WAMP 介紹

我們的架站環境為 WAMP， WAMP 是指一組通常一起使用來執

行動態網站或者伺服器的自由軟體名稱首字母縮寫：

Microsoft Windows，作業系統

Apache，網頁伺服器

MariaDB 或 MySQL，資料庫管理系統（或者資料庫伺服器）

PHP、Perl 或 Python，指令碼語言。

雖然大家都習慣於將 Apache、MySQL、PHP 架設在 Linux 系統

下，但 Windows 也有其優點，就是易用，界面友好，軟件豐富，操作

起來非常方面，因此對新手來說在 Windows 平台下使用 Apache、

MySQL、PHP 也確實是一個不錯的選擇。

圖 3.17 XAMPP 介面

8

3.3 元件介紹

3.3.1 直流馬達控制器 (L298N)

I 說明

a. 直流馬達的特性

直流馬達轉動的方向會根據電流的流向來決定其旋轉的方向。直流

馬達的電源接腳有兩個，沒有正負電位之分，當顛倒接時，因電流方向

改變，所以會讓轉向相反。可以藉由控制電壓來決定轉速。

b. L298N 模組

Raspberry Pi 接行動電源所供應的電流不夠讓馬達轉動，所以我們

要接外部電源來供電給 L298N。

c. 直流馬達運轉

ENA IN1 IN2 功能

HIGH HIGH LOW 馬達 A 正轉

HIGH LOW HIGH 馬達 A 反轉

HIGH IN1=IN2 IN1=IN2 馬達 A 快速停

止 LOW Ignored Ignored 馬達 A 慢速停

止 表 3.3 直流馬達運轉方法

II 直流馬達範例

圖 3.19 直流馬達接腳圖

9

3.3.2 即時影像

I. 說明

使用羅技 c170 網路攝影機透過 USB 連接於 Raspberry Pi。

a. 羅技 c170

圖 3.20 羅技 c170

500 萬畫素照片拍攝

內建抗噪式麥克風

定焦式鏡頭

1024x768 XVGA 鏡頭

強化低照度下視訊效能

每秒 30 頁 Video 錄影

表 3.4 羅技 c170 規格

b. Mjpg-streamer

結合 Mjpg-streamer 套件來得到影像。MJPG-streamer 是將鏡頭

拍攝的視頻分解成一張張分離的 JPG 圖像數據發送到 Client 端顯

示，即可形成影像。

圖 3.21 mjpg-streamer 架設成功畫面

10

3.3.3 GPS

I GPS 簡介

GPS(Global Position System)，全球定位系統。GPS 的衛星會一直

發送訊號，當接收機收到訊號時，比對時間差在乘上光速，就可以得

到使用者和衛星的距離，以衛星為圓心畫一個立體的球，使用者可能

的位置就在球面上的任一位置，此時再加入另一顆衛星的距離後，可

以得到兩個球面的交會平面，最後要計算出使用者真正位置必須有第

3 顆衛星，這樣就可以精準得到使用者和接收機的位置。

GPS 系統通常是以 4 顆衛星當作最低標準，使用者必須在接收機

能夠收到 4 顆衛星以上的資料時，才可以有定位的功能。

II. 電路配置

a. GPS 模組

圖 3.22 GPS 模組

圖 3.23 Raspberry Pi 和 GPS 接腳圖

11

II GPS 簡介

GPS(Global Position System)，全球定位系統。GPS 的衛星會一直

發送訊號，當接收機收到訊號時，比對時間差在乘上光速，就可以得

到使用者和衛星的距離，以衛星為圓心畫一個立體的球，使用者可能

的位置就在球面上的任一位置，此時再加入另一顆衛星的距離後，可

以得到兩個球面的交會平面，最後要計算出使用者真正位置必須有第

3 顆衛星，這樣就可以精準得到使用者和接收機的位置。

GPS 系統通常是以 4 顆衛星當作最低標準，使用者必須在接收機

能夠收到 4 顆衛星以上的資料時，才可以有定位的功能。

III. 電路配置

b. GPS 模組

圖 3.22 GPS 模組

圖 3.23 Raspberry Pi 和 GPS 接腳圖

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3.3.4 MQ-5 氣體感應器

I. 說明

a. 市售的器體感應器有很多種，偵測各種氣體，MQ-5 主要偵測天

然氣，液化石油氣，符合我們的需求偵測廚房瓦斯外漏。

b. MQ-5 有提供四個接角，分別 AO、DO、GND、VCC，容易上手

AO：提供類比資料輸出

DO：提供數位資料輸出

3.4 網頁運用

3.4.1 Google map

目前的 Google Maps API for Work V3 版本，提供開發人員透

過同一套 JavaScript 程式所開發完成的程式即可在 Chrome、

firefox，甚至在行動裝置 Android 及 iOS 上都可以讀取。V3 版的

API 讓開發人員省下許相當多的時間，因為僅需要撰寫一套程式

即可在不同裝置與瀏覽器上讀取，即使未來更新時，也僅需要更

新 JavaScript 語言一次即可。

13

第四章系統實作

4.1 系統架構

4.1.1 架構說明

圖 4.1 系統架構圖

I. 裝置連接

在智慧居家系統的 Raspberry PI 架設 server，透過 wifi 網

路來連進網站獲取資訊

所有家電、感測器皆由 Arduino 的接腳連接控制

攝像頭由車子的 Raspberry Pi 的 USB 連接

GPS 晶片由 Raspberry Pi 的 GPIO 連接

II. 功能運作方式

a. 即時影像

運用 mjpg-streamer 來實現即時影像，將單獨只有影像

的網址嵌入到架設在 Raspberry Pi Server 上寫好的網頁，並

透過按鈕與第二台車的即時影像或是地圖資訊切換畫面。

b. GPS

透過 Python 程式得到經緯度，再透過 shell script 的程

14

式將經緯度轉換到 google map 上，並嵌入到 Raspberry Pi

Server 上寫好的網頁，讓地圖資訊和即時影像在網頁上可以

使用按鈕互相切換。

c. 遙控車

使用 Webiopi 來透過網頁對 Raspberry Pi 上的 GPIO 腳

位來控制馬達。網頁方面是使用 Javaspcript、CSS 和 HTML

來完成，而 Raspberry Pi 是透過 Python 來與網頁作溝通以

至於控制馬達的運轉。

4.1.2 Server 網頁說明

圖 4.2 網頁架構圖

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4.2 實作結果

4.2.1. 遙控車實體

4.2.2. 智慧居家實體

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4.2.3. 網頁操作

I. 系統首頁

首頁有左邊和右邊可以選擇，左邊為智慧居家右邊為車用

即時影像定位系統。

圖 4.4 系統首頁

II. 遙控車首頁

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III. 遙控車操作網頁

按鈕可以控制遙控車動作，背景為即時影像。

圖 4.5 遙控車網頁

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IV. 行動中心

19

V. 智慧居家首頁

20

VI. 電風扇頁面

21

第五章結論與專題時程

5.1 結論

現在人手一支智慧型手機 ,手機現在是不可或缺的科技產品，功能

越來越多，許多東西在未來或許都會被取代，像是：信用卡，悠遊卡，

遙控器等等。都能夠將功能全部放入手機裡，出門只要攜帶一支手機就

足夠，未來的智慧型手機與更多東西所做的結合，將會帶來更多元且更

方便的生活。

車用即時影像定位分享系統，可以透過任何能夠使用瀏覽器的裝置

使用，因此更別說現今的智慧型手機。透過智慧型手機獲得即時資訊已

經是現在的趨勢，完整結合網路、影像、定位以及即時分享，將科技融

入日常生活中，使生活更加充滿便利性。

5.2 專題製作時程

103 學年度 104 學年度

上

學

期

寒

假

下

學

期

暑

假

上

學

期

1.Linux 作業系統訓練

2.Raspberry Pi 實作訓練

3.PHP&HTML 程式語言訓練

4.Raspberry Pi 影像串流開發

5.Raspberry Pi 實作 GPS 定位

6.實作網頁

7.實作 Raspberry Pi 控制馬達

8.遙控車實體製作

9.Android APP 開發

10.程式整合

11.系統整合

12.整合測試

13.書面報告

22

參考文獻

[1] 孫宏明，Android 程式設計入門、應用到精通 第三版(2015)，碁峰資訊 出

版。

[2] 柯博文，Raspberry Pi 最佳入門與實戰應用(深入 Raspberry Pi 的全方位指

南)(2014)，碁峰資訊 出版。

[3] 柯博文，Raspberry Pi 超炫專案與完全實戰(深入 Raspberry Pi 的全面開發經

典)(2015)，碁峰資訊 出版。

[4] 介紹 Raspberry Pi B+ http://www.rs-

online.com/designspark/electronics/chn/knowledge-item/content-1278

[5] XAMPP 官網 https://www.apachefriends.org/zh_tw/index.html

[6] Raspberry Pi LAMP 安裝 http://tonyhack.familyds.net/wordpress/?p=3523

[7] 羅技網路攝影機 C170 http://support.logitech.com/zh_tw/product/webcam-

c170#warranty

[8] Raspberry Pi WIFI radio controlled rc vehicle from

http://www.cardboard-car.com/top-story-en/raspberry-pi-robot-

introduction/6904?lang=en