應用物聯網技術於提升保險櫃的安全性

Application of IoT to enhance security of safe deposit

box

研究生：陳柏孝

指導教授：黃克穠博士

義守大學

電子工程學系

碩士班碩士論文

A Thesis Submitted to

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

in

Partial Fulfillment of the Requirements

for the Master degree

with a

Major in Electronic Engineering

June ,2017

Kaohsiung, Taiwan

Republic of China

中華民國 一百零六 年 六 月

i

應用物聯網技術於提升保險櫃的安全性

研究生：陳柏孝 指導教授：黃克穠

義守大學電子工程研究所

摘要

本論文基於物聯網的應用與保險櫃結合，建構一套可運用在飯

店式管理保險櫃之系統，達到遠端監控降低失竊率之目的。

此系統於保險櫃內部安裝一套以 Arduino Mega 2560開發板作為

主控核心，可連結區域網路的系統並將原本的開鎖條件改變成電子

密碼鎖與 RFID磁卡以及對保險櫃的異常狀態偵測提高安全性，透過

TCP/IP網路協定作為通訊方式在區域網路下與主控端相互連結傳輸

訊息，藉由人機監控介面，使用者可掌握各樓層各房間保險櫃當前

的狀態，並將資訊記錄下來以供調閱，當有異常狀況時能自主處理

與電腦端也將發出警告訊息通知使用者，保持安全性。

關鍵字: 物聯網、智慧型保險櫃、TCP/IP

ii

Application of IoT to enhance security of safe

deposit box

Student: BO-SIAO CHAN Advisor: Ke-Nung Huang

Department of Electronic Engineering

I-Shou University

ABSTRACT

In this thesis, the design of the system, which is based on the applications of

Internet of Things , is able to combine with a safe, it can be used to manage safes in a

hotel and also prevent properties being stolen by using the remote monitoring control.

By installing a system, which includes Arduino Mega 2560 microcontroller board as

the major controller of the entire system, is able to connect to a local area network,

transform the original form of a lock into an electronic combination lock and a RFID

key card. And it not only provides a function of the unusual situation detection but

also improves the security of a safe.

By applying the TCP/IP Protocol Suite as communication method, this system

connects to the control terminal and transmits the data on a local network. The user

can clearly observe and know whether every safe in every room on every floor is still

untouched through the human-machine interface, and then record the information for

people to retrieve it.It can automatically deal with problems if the unusual situation

happens, and then control terminal will also warn the user of the emergency.

Keyword: IOT 、safe 、TCP/IP

iii

致謝

兩年來的碩士生涯學習到很多，感謝電子系林啟元老師在我剛進踏入碩士

時引導我方向，讓我去學習第一次碰觸的軟體程式，開始對程式語言有所基

礎。感謝指導老師黃克穠老師，雖然不太會管我們，但是關心猶在而去問問題

老師都會替我們解答與提供我們所需的資源。在這樣的環境下學習到自制的能

力，對於時間的規劃與每日的工作進度都得自己來，在研究室有共同目標以及

相互各有各的專業能力都能互相幫忙，相互提升自己所缺的能力。感謝民先教

導我軟體方面的知識，讓我在剛觸碰程式的兩年裡將基礎打好，感謝柏穎教導

我關於電路設計知識，這兩位在我碩士生涯學習中佔了大部分，實屬貴人。感

謝 3616 的學妹們怜妤、馨葒在我們撰寫論文的同時，煮東西給我們吃，陪我們

胡言亂語。感謝強大的學長們王秉杰、林駿翔、鄭任皓，教我們很多東西專業

與專業外的知識。感謝 3618與 3615的朋友們，在我熬夜龜在研究室的夜晚，

提供了生理與心理的支持，提供了食物滿足我的生理，互相聊天與幫助慰藉了

我的心理。感謝義守大學電子系的老師，在我們有問題時或需要甚麼樣的資

源，都能夠提供，在路上打招呼也會關心我們論文進度。在高雄待了這麼多

年，終於要離開進入社會了，感謝在高雄認識的人事物。

iv

目錄

摘要................................................................................................................................. i

ABSTRACT ................................................................................................................... ii

致謝.............................................................................................................................. iii

目錄............................................................................................................................... iv

圖目錄........................................................................................................................... vi

表目錄.......................................................................................................................... vii

第一章 緒論............................................................................................................ 1

1.1 研究動機.................................................................................................... 1

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

第二章 研究方法.................................................................................................... 2

2.1 通訊方式.................................................................................................... 2

2.2 保險櫃開關鎖方式.................................................................................... 4

2.3 保險櫃鎖頭種類........................................................................................ 4

2.4 異常檢測.................................................................................................... 5

2.5 保險櫃電源................................................................................................ 6

2.6 系統架構.................................................................................................... 7

第三章 系統設計.................................................................................................... 9

3.1 硬體架構.................................................................................................... 9

3.1.1 網路模組W5100 ........................................................................... 9

3.1.2 鍵盤式按鍵.................................................................................. 11

3.1.3 RFID感應 ................................................................................... 11

3.1.4 電磁鎖.......................................................................................... 12

3.1.5 異常檢測方法.............................................................................. 13

3.2 軟體架構.................................................................................................. 14

3.2.1 Server端程式架構 ...................................................................... 15

3.2.2 主控端網路連線流程.................................................................. 17

3.2.3 鍵盤程式流程.............................................................................. 18

3.2.4 RFID程式流程 ........................................................................... 19

3.2.5 異常狀況處理.............................................................................. 20

3.3 VB程式架構 ........................................................................................... 22

3.3.1 連線與自動更換 IP ..................................................................... 22

3.3.2 更新 IP 副程式流程 .................................................................... 23

3.3.3 狀態顯示流程.............................................................................. 24

3.3.4 RFID更新 ................................................................................... 25

3.3.5 連線判斷...................................................................................... 26

3.3.6 資訊儲存與讀取.......................................................................... 27

v

第四章 實驗結果.................................................................................................. 28

第五章 結論與未來研究方向.............................................................................. 34

參考文獻...................................................................................................................... 36

vi

圖目錄

圖 2-1、開放式系統互聯通訊參考模型(OSI)網路模型 ........................................... 3

圖 2-2、OSI 與 TCP/IP 協定之相關性 .................................................................... 3

圖 2-3、機械鎖盤 圖 2-4、保險櫃密碼鎖 ............................. 5

圖 2-5、網路線 T568A 及 T568B接線法 .................................................................. 6

圖 2-6、系統架構 ........................................................................................................ 8

圖 3-1、硬體架構方塊圖 ............................................................................................ 9

圖 3-2、Ethernet Shield W5100 乙太網路擴充板 ................................................... 10

圖 3-3、網路模組指示燈 .......................................................................................... 10

圖 3-4、(a)4*4矩陣式鍵盤(b)鍵盤電路圖 .............................................................. 11

圖 3-5、(a)Mifare RFID-RC522 模組 (b)Mifare RFID-RC522 模組接腳圖 .. 12

圖 3-6、(a)BS-0854 門鎖電磁鐵、(b)電磁鎖驅動電路 ......................................... 13

圖 3-7、外部電源檢測電路 ...................................................................................... 14

圖 3-8、保險櫃程式流程架構 .................................................................................. 16

圖 3-9、主控端網路連線 .......................................................................................... 17

圖 3-10、按鍵式鍵盤程式流程圖 ............................................................................ 19

圖 3-11、RFID 程式流程圖 ...................................................................................... 20

圖 3-12、保險櫃異常狀態流程圖 ............................................................................ 21

圖 3-13、VB連線流程 .............................................................................................. 22

圖 3-14、VB 自動更換 IP 流程 ............................................................................... 23

圖 3-15、VB狀態顯示流程 ...................................................................................... 24

圖 3-16、RFID 更新流程 .......................................................................................... 25

圖 3-17、VB 連線偵測流程 ..................................................................................... 26

圖 3-18、VB 歷史資訊流程圖 ................................................................................. 27

圖 4-1、保險櫃實體外觀圖 ...................................................................................... 28

圖 4-2、保險櫃內部硬體圖 ...................................................................................... 29

圖 4-3、VB監控介面 ................................................................................................ 29

圖 4-4、上為 VB未連線下為 VB已連線 ............................................................... 30

圖 4-5、保險櫃連線與否後狀態 .............................................................................. 30

圖 4-6、更新 RFID 卡號 ........................................................................................... 31

圖 4-7、功能選單 ...................................................................................................... 31

圖 4-8、VB其他功能 ................................................................................................ 31

圖 4-9、歷史資訊 ...................................................................................................... 32

圖 4-10、VB四種異常狀態顯示 .............................................................................. 33

vii

表目錄

表 3-1、RFID-RC522 晶片模組 ............................................................................... 12

表 3-2、內部 EEPROM 位置圖 ................................................................................ 19

1

第一章 緒論

1.1 研究動機

保險櫃從古至今一直都是保存貴重及重要物品的器具，古代以青銅鎖、鋼

鐵鎖來防止他人竊取裏頭物品。科技發展至今，鎖頭的種類、材料及開鎖方式

都有大大的進步，現今的開鎖方式從鑰匙、密碼鎖到現在的電磁鎖(RFID) 、指

紋辨識甚至是視網膜及人臉辨識，大大增加了保險櫃的安全性及堅固性。至今

物臉網的開啟，不只是智慧居家系統的開發有了大大進步，在大樓管理或物流

在人力及管理方面上已朝方便及節省人事成本方向前進。

1.2 研究目的

本論文利用物聯網的模式與普通的保險櫃做結合，建構一套完整的飯店式

保險櫃管理系統，在保險櫃方面內部安裝一台能夠使用網路以及改變保險櫃開

啟條件提升安全性使其形成 Server主系統，再以區域網路方式作為整套系統之

通訊方式，用以模擬飯店式保險櫃管理的整套系統。再者利用 VB程式界面顯

示各樓層各房間的保險櫃之狀態，飯店主要負責登記入住房客基本資料後給予

房間鑰匙與新的 RFID 卡並同時更新此房間保險櫃 RFID 碼與此配對，房客只要

手動設定保險櫃密碼，即可完成密碼鎖與 RFID雙重保護功能的設定。此目的

不僅有保險櫃原本的功能再加上 RFID 辨識系統，不僅在安全性上有所提高，

而飯店業者也可經由電腦介面方便監控房間的保險櫃，在整套系統下 Server即

使在離線時也可正常運作，以防盜竊事故發生。

2

第二章 研究方法

2.1 通訊方式

在通訊方式中，有很多種方式來傳輸，目前市面上通訊方面模組化的有紅

外線、藍芽、有線及無線通訊模組等，各有各的應用面及優缺點。在本研究中

保險櫃 Server與主控端之間的距離過長，所以紅外線及藍芽不納入考慮，而無

線模組也有分一般無線傳輸模組或是無線網路模組 ESP8266。本論文在通訊方

面透過網路運作而所要考慮的是對數據傳輸的穩定性及安全性，針對網路傳輸

方面分為有線及無線，無線方面好處在於無須牽網路線範圍極廣但因是安裝在

保險櫃裡，所以對於傳輸方面可能會有資料遺失的疑慮；有線方面雖然需要牽

網路線，但是資料數據透過有線的方式傳輸，在速度上比無線的快且降低發生

遺失數據的情況。所以在本論文採用了有線區網及傳輸網路 TCP/IP 協定作為通

訊方式。

TCP/IP 中文為網際網路協定套組(Internet Protocol Suite，縮寫 IPS) 是一個

網路通訊模型，以及一整個網路傳輸協定家族，為網際網路的基礎通訊架構

[1]。因為該協定家族的兩個核心協定：TCP（傳輸控制協定）和 IP（網際協

定），為該家族中最早通過的標準。由於在網路通訊協定普遍採用分層的結構，

當多個層次的協定共同工作時，類似電腦科學中的堆疊，因此又被稱為 TCP/IP

協定棧（英語：TCP/IP Protocol Stack），TCP/IP 提供點對點的連結機制，將資

料應該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標準化。

它將軟體通訊過程抽象化為四個抽象層，採取協定堆疊的方式，分別實作出不

同通訊協定。協定套組下的各種協定，依其功能不同，被分別歸屬到這四個階

層之中，常被視為是簡化的七層 OSI模型如圖 2-2所示 [2]。

3

圖 2-1、開放式系統互聯通訊參考模型(OSI)網路模型

圖 2-2、OSI 與 TCP/IP 協定之相關性

在通訊方式中除了使用 TCP/IP 的協定外，還需要使用應用層的協定，而應

用層的協定有超文字傳輸協定(HTTP)用於傳輸與瀏覽全球資訊網，簡單郵件傳

輸協議(SMTP)、檔案傳輸通訊協議(FTP)、轉換網域名稱的網域名稱系統

(DNS)、針對特定節點動態分配 IP 位址的動態主機設定通訊協議(DHCP)、節點

建立互動式 TCP 互連的 Telnet 協定、簡單網路時間協議(SNTP)以及簡單網路管

理協議(SNMP)八種歸納於應用層的網路協定。

本研究針對 Server端的 IP 位置如何設定，需使用到應用層的 DHCP 協議

分配 IP 位置。DHCP 為動態主機設定協定，是一個區域網路的網路協定，使用

4

UDP 協定工作，主要用途為用於內部網路或網路服務供應商自動分配 IP 位址

給用戶以及用於內部網路管理員作為對所有電腦作中央管理的方式。基於

DHCP 協定下，分為動態 IP 設定及靜態 IP 設定，將可設定每台 Server的 IP 為

192.168.0.0，而後兩位可以填選 0~255的數量，對於整套系統的管理配置可以

將 IP 後兩位分為樓層及房號，既 256層乘於 256間房等於可以管理 65535台，

依此數量足以將整棟飯店歸入管理。

2.2 保險櫃開關鎖方式

保險櫃的開關鎖的方式普遍都以鑰匙、撥碼式、掛鎖甚至運用電子產品來

提升保護，例如鍵盤式、RFID、指紋辨識等等都會在保護重要物品時加裝。鑰

匙方面有普遍的銅、鋁製的鑰匙、智能鑰匙、電子鑰匙等，而撥碼式大多以掛

鎖居多，也會搭配鑰匙來進行開鎖。鍵盤式的開鎖利用使用者自訂的密碼，存

入低功耗的MCU 來進行鎖定，開鎖除了密碼正確外多半會再加上鑰匙鎖或是

加入 RFID配對來提升安全性。指紋辨識上除了安全性上比其他方式高外，機

台的安裝及費用也比其他方式貴。在本研究的開鎖方式為安裝一鍵盤及 RFID

感應，兩者輸入時與保險櫃內系統密碼與磁卡配對成功即可開啟門。

2.3 保險櫃鎖頭種類

現今櫃子鎖頭種類琳瑯滿目，運用在保險櫃上的鎖頭更是越來越精密及高

科技，以置物櫃來說，運動場內的置物櫃多為鑰匙鎖或撥碼鎖方便存取，而一

般公司或家用的保險鐵櫃除了鑰匙鎖及掛鎖外還附有一機械鎖盤(圖 2-3)，提升

保管上的安全。運用在車站裡的投退幣式鎖會依照置物櫃大小來計費。在保險

櫃方面，家中或是運用在飯店式中較簡易的保險櫃多為按鍵鎖及鑰匙鎖(圖 2-

4)。此外除了普通的鎖頭，還有利用 RFID 無線射頻技術來控制鎖的開與關，

5

利用特定的 RFID 磁卡與鎖配對後即可開鎖，多為運用在家中大門門禁或公司

大門出入管制。

圖 2-3、機械鎖盤 圖 2-4、保險櫃密碼鎖

機械鎖盤還是存在著缺點，如果密碼使用出現錯誤從而導致自己無法處

理。指紋辨識亦是，指紋辨識是高科技但也存在著缺點，在使用過程中要求也

比較高，手的溫度高低、乾溼程度都會影響指紋辨識的準確性 [3]。本論文對

於開關鎖之方式，由於保險櫃是保管重要物品之場所，所以不使用單一鎖具來

保護其保險櫃，也考慮到運用在飯店式這種需大量購置的地方，在成本上也是

一大考量，但又必須保證其安全性，至此引導本研究所採用的是鍵盤式密碼鎖

搭配 RFID磁卡，由保險櫃內部系統來控制電磁鎖開關鎖，不只是按鍵密碼鎖

本身的安全性，加上開啟 RFID需特定磁卡，兩種方式結合不只降低被有心人

士竊取也提高了安全性。

2.4 異常檢測

本系統除了保險櫃 Server基本功能外，還必須能夠偵測異常狀態的能力，

像是普遍密碼輸入錯誤多次、放錯 RFID 磁卡、無意間拉到保險櫃門把使門處

於微開的狀態、搬動及外部電源拔除，上述狀況都需納入異常狀態，因為不知

道是否故意或是非使用者來操作而導致。在異常狀態偵測裡除了使用系統判斷

密碼或 RFID感應外，搬動的偵測使用微動開關來判定，而外部電源異常除了

6

能夠偵測外還必須不能因為外部電源消失而導致內部系統關機。當 Server系統

進入異常狀況時所採取的措施為鎖定保險櫃，即使輸入正確密碼或是磁卡都無

效，只能等待主機端更新系統內部密碼磁卡資料外還需特定磁卡解鎖，解除流

程雖複雜但也藉此流程來確認使用者身分。

2.5 保險櫃電源

不管是在家中或是公司，一般而言在建屋時如沒特別要求，在電源線及網

路線上會個別牽線，以防止電流經過訊號線時產生的感電，使資料受損。而在

本研究的保險櫃供電方式中，雖可以使用外接電源來供給所需電源，但這也使

做工複雜度上升，但若使用網路線無用的接口，方可使電源線及網路傳輸線整

合在一起 [4]。在網路線的構造中共有 8 條線，網路線接頭分成兩種 T568A及

T568B，兩種接頭的應用點不一樣而接線方式也會改變，分為跳線及平行線兩

種。跳線用於兩部主機網路卡的資料互聯，雙方線的傳輸線接法不一樣、平行

線用於主機網路卡與集線器之間，而雙方的傳輸線接法一致如圖 2-5所示。

圖 2-5、網路線 T568A 及 T568B接線法

7

網路雖有 8條線連接著但有用的腳位只有 1、2、3、6隻腳，分別為 TX

Data+、TX Data-、Rx Data+及 Rx Data-用於網路傳輸訊號，而雖有連接線但沒

作用之腳位為 4、5、7、8四隻腳位，把網路座其中兩隻腳位的焊接點連接到主

控版上的 Vin 及 Gnd，對於傳輸訊號方面由於保險櫃使用電源並非大電流，所

以電源線與網路線靠近並不會影響資料傳輸的成功率，也使保險櫃不用多開孔

位來牽引電源線。此種連接方式必須透過能夠提供電力的 Hub或是自行外接網

路線電源，在本論文中採用直接外接電源的方式用以方便測試系統。

2.6 系統架構

本研究以一層樓數個房間做模擬，各房間都配有一個保險櫃，而每個保險

櫃內部各有主核心 MCU、網路模組以及給予指定 IP 暨為 Server 端。在兩端的

連線方式不可能將全部 Server的網路孔牽至主控端，而會是以每樓層各一 Hub

來連結所有的保險櫃 Server。在 Client 主控端主要為連接監控介面與 Server端

的橋樑同時也是一台 RFID感應器，Client 端接收監控介面所發出了命令對每台

Server做連線及讀取，以每隔一段時間透過網路線傳輸資料，經由 Hub連線至

指定 Server，在連線的狀態下 Server端會將保險櫃目前資訊傳回到主控端。

Server與 Client 之間的傳輸資料為:連線資訊、更新 RFID及清除密碼回歸預設

值。所有資訊以字串方式作為傳輸判斷，字串中帶有命令關鍵字及所需執行命

令的資料，Server端與監控介面處理字串後執行。本研究系統透過 TCP/IP 協定

傳輸與 DHCP 協定自訂 IP，透過此方式可擴大至好幾層，每樓層房間的保險櫃

Server透過 Hub連接起來為一層，在將所有樓層 Hub連接至一台多 Port的路由

器至主控端連線，在主機的監控介面上即可監測所有樓層保險櫃的狀況達到多

樓層多房間的控管。如圖 2-6所示。

8

圖 2-6、系統架構

9

第三章 系統設計

3.1 硬體架構

保險櫃硬體方面使用 Arduino MEGA 2560 作為核心，單晶片是由 Atmel公

司所開發，搭配W5100 網路模組、鍵盤式按鍵、RFID無線射頻模組、電磁鎖

及偵測是否有大幅度搬移的微動開關。而供電系統將透過 18650 鋰電池供應給

核心及驅動電磁鎖所需電源，如遇到外部電源被切斷時，內部還能進行緊急處

理的工作，圖 3-1 為硬體架構方塊圖。

圖 3-1、硬體架構方塊圖

3.1.1 網路模組W5100

本論文網路方面使用 Arduino Ethernet Shield W5100 乙太網路擴充板(圖 3-

2)透過 DHCP 自動取得 IP 位址。W5100 是一款功能齊全的單芯片互聯網

10/100 乙太網控制器專為易於集成，穩定，性能，面積的嵌入式應用而設計並

需要係統成本控制。W5100設計用於在沒有操作系統下也能實現互聯網的連

接，並符合 IEEE 802.3 10BASE-T和 802.3u 100BASE-TX標準。使用 TCP/IP

協定並支援 TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP 和 PPPoE。 [5]

10

圖 3-2、Ethernet Shield W5100 乙太網路擴充板

在W5100 網路模組除了連接網路指示燈外，模組板上有七顆 LED 指示燈

如圖 3-3，分別為

PWR: 表示 Arduino 控制板和 Ethernet Shield 已經上電

LINK: 網路指示燈，當燈號閃爍時代表正在傳送或接收資料

FULLD: 代表網路連線是全雙工

100M: 表示網路是 100 MB/s (相對於 10 Mb/s)

RX: 接收資料時閃爍

TX: 傳送資料時閃爍

COLL: 閃爍時代表網路上發生封包碰撞的情形 (network collisions are

detected) [6]

圖 3-3、網路模組指示燈

11

本研究例用 Ethernet Shield 本身可以達到瀏覽功能及網頁功能下，以

HTML網路格式建立一個可以用於傳輸及收取資料的網頁，給予 Client 端設定

的 IP 後用此 IP 去瀏覽在區域網路下的所有 Server網頁並讀取所需資料。

3.1.2 鍵盤式按鍵

鍵盤主要目的為輸入密碼及更新密碼，捨棄了傳統撥碼式及機械式鎖盤，

運用按鍵來自訂密碼用此來達到不易破解及安全性的條件。本研究採用 4*4 矩

陣鍵盤做為保險櫃按鍵式密碼如圖 3-4(a)，具有 4列、4行共 8 條線，行與列之

交集點為一按鍵點，最多可控制 16個按鍵如圖 3-4(b)所示。將接腳接上

Arduino MEGA以掃描方式掃描其行列線，偵測行列的變化即可得知現階段按

下哪顆按鍵。

圖 3-4、(a)4*4矩陣式鍵盤(b)鍵盤電路圖

3.1.3 RFID感應

RFID感應方面採用 Mifare RFID-RC522 模組如圖 3-5(a)其接腳使用如圖 3-

5(b)，其特點為低電壓、低成本、體積小。RC522 可以支援 13.56MHz 下所有類

型的被動分接觸式通信方式與協定，同時支援 14443A相容應答器信號，數位

部分處理 ISO14443A 幀和錯誤檢測 [7]。和 Arduino MEGA 以 TTL方式做溝

通。每張空白卡片都擁有出廠時的固定 16 BIT UID 碼，配合程式撰寫，將可驅

動 RFID匹配。

12

表 3-1、RFID-RC522 晶片模組

RFID 模組 Funduino RFID-RC522 AN

工作頻率 13.56MHz

支援卡類型 mifarea S50, mifarea S70, mifareaUltraLight,mifare,mifare

Pro,mifare Desfire

工作電流 13~26mA / 直流 3.3 V

空閒電流 10~13mA / 直流 3.3 V

本研究在 RFID 方面，由於只更改磁卡 UID 碼而不改保險櫃系統內部的

話，如被有心人士拷貝磁卡內容，就有機率被入侵開啟保險櫃，所以在變更

RFID的 UID 碼是直接更改 Server端也就是保險櫃本身，這樣即使持有磁卡，

配對碼不對一樣不能開啟，安全性也有所提升。

圖 3-5、(a)Mifare RFID-RC522 模組 (b)Mifare RFID-RC522 模組接腳圖

3.1.4 電磁鎖

電磁鎖，或稱磁力鎖（Magnetic lock），其設計和電磁鐵一樣，是利用電生

磁的原理，當電流通過矽鋼片時，電磁鎖會產生強大的吸力緊緊的吸住吸附鐵

板達到鎖門的效果 [8]。電磁鎖種類繁多而自帶鎖舌的電磁鎖缺點為體積大，

本研究著重於系統的功能呈現所以模擬保險櫃本身架構體積與正常保險櫃相對

的小，所以保險櫃門鎖的部分採用了自帶鎖舌框架式推拉式電磁鐵如圖 3-6(a)

所示，體積小，適用於自動門鎖、小型儲物櫃等。此電磁鎖操作在 DC9~12V

13

工作電流為 600mA 而 Arduino MEGA最高提供 40mA電流無法驅動電磁鎖，因

此需要利用MOS 電晶體開關功能來達到小電流驅動大電流如圖 3-6(b)。的保險

櫃電磁鎖的狀態分為關門時電磁鎖開閉鎖及開門時電磁鎖開閉鎖，由於系統無

法直接由電磁鎖來知道保險櫃目前門的開關狀態，所以在保險櫃內部加裝一個

微動開關來偵測保險櫃的門目前狀態，一來可知道門是否緊閉二來如果電磁鎖

發生損壞問題使門打開，系統將會進入異常狀態處理。

圖 3-6、(a)BS-0854 門鎖電磁鐵、(b)電磁鎖驅動電路

3.1.5 異常檢測方法

搬動檢測的方法為在保險櫃箱體下加裝一微動開關共接點為地，利用輕觸

的功能來判定當搬動時偵測腳為 1反之為 0。外部電源檢測電路圖如圖 3-7，

Server保險櫃內除了連接外部電源提供基本供電外，內部擁有 18650 鋰電池當

作獨立電源在外部電源拔除或是斷電時，內部系統也能正常運作。VCC 為

AC/DC 外部電源 Vin 為負載端，Battery為鋰電池電路運用電晶體操作在截止區

與飽和區形成開關狀態，外部電源存在時基極為 1使集極與射極導通 Detection

偵測為 0，反之無外部電源集極因還有電池提供電源使 Detection 為 1，系統藉

由此功能來判斷外部電源是否斷電。

14

圖 3-7、外部電源檢測電路

3.2 軟體架構

本研究系統軟體除了賴於 Arduino MEGA 2560 豐富硬體，I/O、I2C、SPI…

等其軟體平台用於方便開發與資源豐富能夠快速打造整套系統。軟體架構分為

主控端、保險櫃系統 Server端及 VB監控介面。主控端主要功能是作為 VB介

面與 Server端的聯繫，收發資訊全部經由主控端。在保險櫃 Server系統上除了

基本功能外，必須考慮所有可能發生的狀況即使不再連線中也能判斷。Ethernet

W5100 網路模組是以 SPI與 Arduino 做溝通 RFID也是，所以如何克服在同一

系統版上同時與兩種模組溝通，以及鍵盤掃描的速度快慢此方面系統時序必須

配合好。VB軟體主要為呈現所有 Server的狀態給業者觀看及操作所需功能，

主控端與主機 VB監控介面連結為 USB COM port 轉 UART來傳遞訊息。VB監

控介面不只是監控所有 Server保險櫃狀態，同時也是自動更換 IP 連線的命令

端，主控端會透過區網每 5秒連線至保險櫃取得當前狀態回主控端，確保保險

櫃是否正常有無錯誤。本論文將以三台 Server 與一台主控端做模擬，若是把

Server增加到 100 台以上，可以把連線的時間縮短，雖然每次偵測完 1輪所需

15

耗費時間可能需一至兩分鐘，這時保險櫃必須在沒連線狀態下也可以自體處理

狀況，並記錄起出錯的狀況，直到連線時回傳狀況訊息。

3.2.1 Server端程式架構

保險櫃 Sever 內的 Arduino 系統開機時各項條件初始化，進入主系統後首

先會先判定是否為異常狀況、外部是否斷電以及開始連線程式，如不是異常狀

況下即使沒連線程式也將會繼續執行讀取當前狀態，保險櫃門的狀態、是否有

更新密碼、RFID 卡號資訊，在連線狀態下讀取資訊完成後就會透過網路將各類

資訊依序傳回主控端。不管保險櫃連線與否，保險櫃主系統都能自主處理狀

況，不會因沒連線而讓系統處於被動狀態。而保險櫃是否能被開啟取決於安裝

於保險櫃上的密碼鎖及 RFID，兩者輸入都為正確時才可開啟，保險櫃 Server

主架構流程如圖 3-8。

16

圖 3-8、保險櫃程式流程架構

17

3.2.2 主控端網路連線流程

圖 3-9為系統主端連線方式，透過 Ethernet W5100 與路由器的區域網路方

式連線。每台 Server 的 IP 設定都有所不同，以 10個保險櫃為例，設定個別 IP

為 192.168.1.1xx，xx從 00到 09，起始連線 IP 為 100，在流程圖中連線包括與

主控端 VB程式連線，成功連線後保險櫃內部系統會將目前保險櫃的狀態回傳

至主控端系統，而主控系統會接收 VB程式端所送出的自動更新 IP 資料以每 5

秒為一間隔自動換取更換 IP 位置來連線其他保險櫃，若連線 IP 到達 109時為

結束 IP，此時系統將跳回 IP 為 100 重新讀取，以此循環。

圖 3-9、主控端網路連線

18

3.2.3 鍵盤程式流程

系統開始時，軟體以 I/O方式掃描按鍵式鍵盤狀態，如沒按下任何按鍵，

將會持續地掃瞄鍵盤，連續按下 4碼密碼，如與使用者密碼吻合，系統會成立

密碼配對成功旗標，進而判斷是否與 RFID 旗標同時成立，若無同時成立，鍵

盤旗標將會持續 5 秒時間等待 RFID旗標成立，而雙方同時成立後方能開啟保

險櫃如圖 3-10所示。如房客初次使用保險櫃，按下鍵盤上的〝 * 〞鍵 3次，

系統進入自訂密碼程式，輸入 4碼確認後系統將會把 4byte密碼存入系統內部

的 EEPROM如表 3-2，就完成自訂密碼步驟，即使斷電重啟時系統會讀取

EEPROM回復之前設定的密碼。而本系統設定自訂密碼只能一次，以防其他人

也可以隨意竄改密碼本身，若設定的密碼忘記或是輸入錯誤，需要更改只能通

知業者由主機端進行更改。本系統的安全措施之一為輸入密碼配對失敗大於 3

次，系統將進入異常狀態，將保險櫃上鎖。

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圖 3-10、按鍵式鍵盤程式流程圖

表 3-2、內部 EEPROM 位置圖

內部 EEPROM位置

高位元

低位元

自訂密碼 2 3

RFID卡號 4 5

3.2.4 RFID程式流程

圖 3-11所示，RFID 程式一開始，將會透過系統來決定是否更新 UID碼，

以防磁卡被拷貝的問題，之後就等待使用者使用 RFID磁卡靠近讀取器。系統

內部會儲存系統使用者所有的 RFID用以匹配。卡號 RFID 磁卡 UDI碼若與系

統內更新完的 UID 碼配對成功系統將開啟 RFID 旗標，與鍵盤旗標同時成立

時，保險櫃就能解鎖開啟。如同鍵盤程式，更新 RFID卡號都儲存在內部

20

EEPROM，RFID 旗標成立鍵盤則無，系統會等待 5秒時間確認雙方旗標，無則

取消旗標。RFID 配對失敗大於三次時，系統會進入異常狀態，鎖定保險櫃。

圖 3-11、RFID 程式流程圖

3.2.5 異常狀況處理

本論文對於保險櫃發出的異常狀況與處理情形如圖 3-12。此異常狀態處理

判定分為三部份。一、當按鍵密碼輸入錯誤或是 RFID磁卡與系統 UID碼不符

合大於三次時，將關閉按鍵輸入功能、鎖定保險櫃並透過 LAN 傳輸至業者主控

端，發出警示。二、當外部電源被拔除或是有異常導致斷電時，鎖定保險櫃向

主控端傳輸警訊。三、保險櫃被搬動觸動底部微動開關時，將透過線路傳輸主

控端發出警示。

21

而上述三點異常狀態，即使密碼輸入正確或是 RFID匹配成功都無法重新

開啟保險櫃，只有保管業者持特定解除鎖定的磁卡在與主控端重新設定 RFID

及清除密碼後才可重新使用。此異常狀態只要唯一觸動，都必須由業者親自來

解除異常，除了確認異常狀況也同時確認保險櫃使用者的身分，進而做下一步

處理。

圖 3-12、保險櫃異常狀態流程圖

22

3.3 VB程式架構

3.3.1 連線與自動更換 IP

在 VB程式中，使用 comboBox 下拉式選單選取與電腦連線的主控端系統

comPORT，選取後按下連線按鈕，VB程式的 Serial.port 將會打開，此時就完成

VB與 Arduino 的連線。而 VB程式中將會以每 5秒傳送自動更新 IP 的資料至

主控端，由主控端接收資料後再對其 server做連線，連線成功後即可開始收取

資料。如圖 3-13 所示。

圖 3-13、VB連線流程

23

3.3.2 更新 IP副程式流程

本論文中主要功能之一是可以自動連線每台保險櫃 Server用於監控狀態及

收發各項資訊。如圖 3-14所示，在自動更新連線功能中，必須連線時間短又必

須有足夠時間來讀取訊息及發送資訊。在本論文模擬中以每五秒進行一次換台

連線的功能，而 VB程式中用以時間進行的元件為 Timer，設定需要秒數及此時

間內該做的事情，與主控端聯繫更換 IP 方法先傳輸更新 IP 要求在傳輸需要連

線的 IP 資料，即可達到自動更換 IP 的功能。

圖 3-14、VB 自動更換 IP 流程

24

3.3.3 狀態顯示流程

如圖 3-15所示，系統主控端與 VB連線時將會傳回各種狀態訊息，傳訊時

會先傳一段狀態字串的關鍵字，後面才跟隨著狀態資料，VB介面端所需要處

理的是將這些關鍵字放入字串暫存器以. IndexOf(自訂字串)方式把整串收進來的

資料與自訂字串作比對，整體資料當中與自訂字串比對成功時暫存器會 return

從第幾個字比對成功，在用 return的資料來判斷是哪種狀態的關鍵字，在使用

程式中Mid(資料字串，自訂字串長度，往後讀取數量)語法往後讀取一位元，讀

取到的資料就是分離出來程式所需的資料。依此比對字串的方法，就可判斷

VB接收到的資料是分別代表的是何種狀態，再將這些狀態一一判斷及放入所

要顯示的訊息及地方。

圖 3-15、VB狀態顯示流程

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3.3.4 RFID更新

本系統中可依照需求來對指定房號保險櫃進行 RFID卡號的更新如圖 3-

16，於每次使用者退房後，RFID 的卡號匹配必須更換。在 VB監控介面中只需

按下更新房卡按鈕後，VB程式中會先關閉自動更換 IP 的 Timer 切換至指定房

號 IP。主控端系統接收此命令後進入更改卡號副程式，感應選取的卡號後主控

端對指定 server傳送更新 RFID 的關鍵字以及所選取的卡號資訊進行更新，更

新卡號同時也清除 Server的密碼，更新完成後將再開啟自動更新 IP 的 Timer，

繼續監控其他保險櫃。

圖 3-16、RFID 更新流程

26

3.3.5 連線判斷

由於系統對每台保險櫃的連線為每數秒更換連線 IP，沒被連線的保險櫃並

不代表斷線如圖 3-17所示。而保險櫃 Server 如果斷線系統本身會嘗試重新連

線，但斷線時無法傳送任何訊息，這時主控端要能夠判斷連線與否。在連線方

面由主控端 Arduino 去對每台保險櫃 Server做連線，在 Server連線成功時傳送

代表連線中的資料，而每台 Server傳輸的資料都不同，進而雙重判斷連線的為

哪台保險櫃及是否斷線。VB收到由主控端傳送的連線資料為斷線時，開始計

數收取的斷線資料的次數，若再計數途中收到重新連線的資訊計數歸零，而當

計數到達設定的次數後便判定為失去連線進入異常狀況，VB介面同時顯示斷

線資訊，提醒業者查看。

圖 3-17、VB 連線偵測流程

27

3.3.6 資訊儲存與讀取

本研究中考慮到如果保險櫃是非使用者操作錯誤時，除了保險櫃主系統會

立刻進入異常狀況外，VB程式方面也會跟著紀錄相關資訊。如圖 3-18所示在

系統開始連線時，記錄歷史資訊的程式在連線的這段期間以每一秒的速度紀錄

一次連線房號的狀態以及系統時間，只要在連線期間狀態改變都會被記錄下

來，而記錄的檔案會以.txt 檔案的方式存取在系統資料夾下，只需操作 VB監控

介面的歷史資訊功能即可開啟想要查詢的紀錄檔。此功能是可以當使用者不再

時清潔人員誤觸所導致錯誤或是有非使用者操作，此功能可查看當時時間以及

發生狀況來判斷當時情況。

圖 3-18、VB 歷史資訊流程圖

28

第四章 實驗結果

本論文為一套可運用於飯店式樓層房間保險櫃管理系統，在測試部分概分

為主控端與各保險櫃之網路連結及主控端與 VB溝通，包括操作模擬保險櫃之

樣品，按鍵式鍵盤的密碼輸入與變更密碼，RFID 感應解鎖功能等。在主控端方

面與 VB連線的監控介面操作，顯示讀取資料和指定保險櫃更改 RFID卡號

等，使之形成一套完整的管理系統。本章節由實驗結果驗證了保險櫃 Server與

主控端傳輸的資訊，而主控端也能依照需求對每一台 Server進行連線收取資

料，與監控介面的聯繫透過 UART將資訊反映在其位置上，Server的異常狀況

處理與解除也都能一一顯示並及時處理，不會因沒連線而導致無法判斷或是當

機。在外部電源被拔除時其透過內部鋰電池供應系統所需外也能正確偵測到外

部電源異常。圖 4-1為保險櫃實體圖，圖 4-2為內部主電路。

圖 4-1、保險櫃實體外觀圖

29

圖 4-2、保險櫃內部硬體圖

如圖 4-3所示為本系統 VB監控介面，本研究使用三台保險櫃做模擬，若

擴充到好幾樓幾十台時，在介面設計上可以設計成各樓層的按鈕，點擊後可監

控各個房間的保險櫃，而其中有出現異常狀況時則優先跳出警示視窗提醒業

者。監控介面裡分別有系統開始時連線按鈕，各房間保險櫃之狀態，與指定保

險櫃更改 RFID卡號功能。

圖 4-3、VB監控介面

在連線方面的下拉式選單中，選取主控端 Arduino COM Port 口，按下

Connect 後，就會執行連線程式，確定連線後狀態將從 OFF 至 ON。連接房號

30

會顯示目前連線的房號。

圖 4-4、上為 VB未連線下為 VB已連線

本系統 VB介面會顯示保險櫃讀取的狀態並顯示出來，保險櫃門是否開

啟，密碼鎖正確與否，RFID感應成功與否狀態。圖 4-5為以 100 號房為例分別

為未連上與連上後進行正確密碼及磁卡配對的操作。由此得知當 Server輸入正

確的資訊時保險櫃開啟，而這些資訊也一一的傳回監控端顯示目前的動作狀

態。

圖 4-5、保險櫃連線與否後狀態

系統初始化時，未使用房間之保險櫃的 RFID 配對卡都必須經由更新 RFID

卡號確認沒有跟其他房間相互衝突。當房客退房後業者可自行更新 RFID配對

31

卡號，以防被拷貝的疑慮。在更新卡號中，只需將所要房卡放在主控端 RFID

感應器上，按下 VB介面中需要更新房卡按鈕後，VB程式會命令主控端與指定

保險櫃 Server IP 連線，並傳輸更新卡號相關的資訊至主控端，經由主控端更新

指定保險櫃卡號已完成更新卡號的功能。由於是重新使用，所以當執行更新卡

號的功能時也一併清除上一使用者所自訂的保險櫃 Server密碼。(圖 4-6)

圖 4-6、更新 RFID卡號

在操作介面底部設有清除密碼功能如圖 4-7所示，此功能為使用者設定密

碼上操作錯誤或是輸入密碼錯誤導致進入異常狀態，此時使用清除密碼功能，

選定要清除的房號保險櫃按下確定即可清除密碼使 Server重新開啟設定密碼。

圖 4-7、功能選單

在介面底部功能部份，還有直接與房間保險櫃連線功能，遇到使用者有問

題或是密碼設定錯誤等等，可利用直接連線功能觀看保險櫃的狀態，是否有問

題，再依情況而定實施解決辦法。

圖 4-8、VB其他功能

32

在本系統中操作錯誤大部分都是使用者本人，而少部分操作錯誤可能是清

潔人員不小心誤觸所導致，所以系統必須去判斷在哪個時間點發生了何種狀

況。所以在 VB程式中有歷史資訊功能，當發生異常狀況時紀錄發生的時間點

及狀況，可利於業主及使用者查詢。如圖 4-9所示，點擊歷史資訊選取所要查

看的日期及房號以.txt檔案的方式打開，檔案中存取是在與房號連線的這段時間

紀錄每秒紀錄當前狀態以供查詢。

圖 4-9、歷史資訊

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當 VB接收到異常狀態訊息後，會判斷是由哪一台保險櫃 Server所發出的

及異常狀態為何。在本論文中安全性為最高考量，只要一有異常狀態保險櫃系

統除了立即鎖定外還發送異常訊息，讓 VB介面判斷何種異常並顯示。所有異

常狀況解決途徑都為特殊磁卡匹配、VB介面重新更新卡號及清除密碼。圖 4-

10以 100 號房為例模擬四種異常狀況顯示。

圖 4-10、VB四種異常狀態顯示

34

第五章 結論與未來研究方向

在本研究站在使用者角度操作保險櫃以及在過程中可能會出現的錯誤狀況

均納入實驗方法並加以判斷及排除，整套系統以 Arduino MEGA 2560 強大的硬

體設備作為保險櫃與主控端核心，模擬飯店樓層中各個房間的保險櫃包含保險

櫃開關門、密碼鎖、RFID 磁卡感應、搬動等狀況，所有功能經由實驗結果驗證

了本論文所要達到的提高安全性之目的。Server與主控端之間的連線透過區域

網路以有線的方式進行資料的傳輸及溝通，搭配 VB程式介面來顯示所有保險

櫃 Server目前的狀態，更能進行多台循環連線進而快速掌握保險櫃 Server的狀

況，達到了樓層多台監控、方便操作保險櫃、簡潔有力的操作介面。綜合以上

所述，此系統能提高使用者對於飯店的保險櫃在使用上的信心及信任，也讓系

統使用者能夠方便地知道每個樓層各房間保險櫃的狀況，一有狀況及可立刻處

理。

本論文未來研究方向在通訊方面可朝無線網路方向出發，以成本上的考量

要牽引數十條連結房間及樓層 Hub的網路線成本實屬過高，若保險櫃 Server能

以無線網路的方式連線至飯店專用的 Wifi 網路或是直接連線至專用的雲端平

台，資料放置雲端平台在抓取資料方面只要主機連上雲端即可一次抓取所有樓

層房間的 Server資料，但同時也必須克服安置在保險櫃裡的無線網路在傳輸資

料是否會被保險櫃箱體給擋掉發送時的電波或飯店 Wifi 收訊品質問題。在速度

方面如本論文系統設計，主控端在與每台 Server連線的轉換時間雖可調至最低

為大約 1秒，這取決於 Server端程式效率以及網路模組 W5100 的連線速度等

等，在實驗方面運用到 3台 Server，如果運用在實際環境上，至少二到三十幾

台，而台數一多，整體所耗費的連線時間也會變長，同時也會因網路模組版本

35

不同、出產不同以及 Hub的機台選擇進而影響連線的速度及品質。

36

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