一、初步探究
剩餘輪椅空間探測:micro:bit、鱷魚夾電線、錫紙
剩餘座位數目探測:棉花、海綿、絨布、膨脹海綿、紙黏土、木方、珍珠板、瓦通紙、百潔布、薄膜壓力感應器、micro:bit、擴展板
初步製作的座位模型 (一),以絨布作表面,棉花作主體,中間包裹長方體的紙黏土以增加壓力感應器的感應效果。
初步製作的座位模型 (二),中間的紙黏土製作成倒角錐/圓錐的形狀,並在底部加了珍珠板作承托,得到較佳的壓力感應效能。
初步製作的座位模型 (三),以木方作為座位主體,比棉花有較佳的承托力,以應付乘客的重量。
二、最終模型
剩餘輪椅空間探測:micro:bit、錫紙(安全帶)
剩餘座位數目探測:
座位坐墊:膨脹海綿(製作倒金字塔形坐墊核心部分)、棉花(承托坐墊)、寶貼萬用膠 (固定材料)
座位椅背:木材、珍珠板、壓力感應器、絨布
顯示屏:micro:bit、擴展板
測試工具:1 公斤法碼、500 克法碼
坐墊主體
材料:膨脹海綿
形狀:倒金字塔形
尺寸:5 cm X 5cm (最大面積層,逐層遞減 0.5cm)
原因:由於壓力感應器的感應薄膜直徑約為1 cm。進行測試的時候發現,手掌施加壓力後,無法令壓力感應器偵測到壓力;但以手指頭施壓時,感應器則能夠正常運作。因此,我們經多次改良後,在設計坐墊主體時把多層膨脹海綿黏合成倒金字塔形結構,令在坐墊上方所施加的壓力能逐層減少受壓面積,最終壓力聚集在感應薄膜上。
是次探究分可分為三個階段:搜集資料及測量、編寫程式、製作模型及測試。
一、搜集資料及測量
階段目標:
搜集不同感應器的資料,從而分析各種感應器的利弊,選擇合適的感應器來量度剩餘座位數目,以及輪椅空間有否被佔用。
適度調節感應器的判斷條件,使感應器能有效達成上述目標。
我們首先搜集市面可接觸的感應器資料,了解不同感應器的運作方式,分析他們是否能用於判斷座位或輪椅空間是否已被乘客佔用,並探討他們在成效、可行性、技術難度及經濟性上的優缺點,從而選擇合適的感應器。我們把搜集所得的資料整理如下:
Google 文件:《不同感應器的優缺點分析》
綜觀上述討論,我們認為可以在巴士車廂每個座位安裝薄膜壓力感應器,以探測現時座位所承受的壓力,從而檢視座位是否已被乘客佔用;至於輪椅空間,因輪椅使用者在使用車廂內的輪椅空間時必須扣上安全帶,所以我們可以把安全帶連接電路,透過偵測安全帶是否已被扣上(即是否形成通路),來判斷輪椅空間是否被佔用。我們可以在 micro:bit 預先輸入車廂內座位及輪椅空間的總數,扣除被佔用的數目,便可以輸出剩餘的座位或輪椅空間數目。
表格:壓力感應器的感應測試。
在選擇薄膜壓力感應器作為檢測工具後,我們要為感應器設置合適的判斷數值,以確認感應器能有效檢測座位上是否有乘客就座。
我們以放置 1 公斤法碼的方式,模擬乘客坐在座位時的情形。我們把壓力感測器的判斷感應數值設為 500,並逐步遞減,直至感應器能有效並穩定地檢測到 1 分斤法碼所施加的壓力。
最終我們把感應器的判斷數值設置為 120。
二、編寫程式
階段目標:根據搜集所得的資料,編寫 micro:bit 的程式,使其有效顯示剩餘的座位數目及剩餘的輪椅空間數目。
輪椅空間位置
部分巴士設有兩個輪椅座位,因此我們設定程式時,也把剩餘輪餘空間的初始值設定為 2。
運用閉合電路的原理,當安全帶被扣上 (即引腳被按下),形成通路時,micro:bit 中的變數便會減少 1。我們在設計當中運用了並聯電路,令 micro:bit 可以分別偵測兩個輪椅空間的安全帶是否被扣上。
剩餘座位數目
我們在模型中設置了三個座位,因此設定程式當中剩餘的座位數目的初始值設為 3。
我們在每個座位的坐墊下安裝薄膜壓力感應器,每個座位的感應器會接駁到擴展板上。當每個感應薄膜感應到的壓力數值大於 120,micro:bit 中的變數便會減少 1。
三、製作模型及測試
階段目標:製作車廂模型,測試所編寫的程式是否能正確偵測出剩餘的座位及輪椅空間的數目。
座位設計圖
巴士模型設計圖
巴士模型
巴士模型測試圖
模型測試
(1) 剩餘座位數目測試:
我們會分別在 3 個座位上放置 1 公斤法碼,模擬座位被佔用,檢視實際的剩餘座位數目與程式所顯示的數目是否相同。為了確保測試準確,我們會把測試劃分為以下三種情況:
(A) 座位 A、B、C 分別被佔用時
(B) 兩個座位同時被佔用時
(組合AB、組合AC、組合BC)
(C) 三個座位同時被佔用時
(2) 剩餘輪椅空間數目測試:
我們會連接輪椅空間的錫紙條,模擬輪椅空間的安全帶被扣上,即輪椅空間被佔用時的情形,檢視實際的剩餘輪椅空間數目與程式所顯示的數目是否相同。為了確保測試準確,我們會把測試劃分為以下兩種情況:
(A) 兩個輪椅空間的安全帶分別被扣上時
(B) 兩個輪椅空間的安全帶同時被扣上時
測試片段
剩餘座位數目測試的結果
剩餘輪椅空間數目測試的結果
綜觀上述測試數據,兩個 micro:bit 分別所顯示的剩餘座位數目及剩餘輪椅空間數目,均符合測試時實際的剩餘數目。由此可見,我們設計的巴士模型及所編寫的程式能有效偵測巴士車廂內的輪椅空間數目及剩餘座位數目。
參考資料:
〈紅外線感應器原理 紅外線感應器的作用〉,《每日頭條》,2015 年 6 月 9 日。
〈雷射測距感測器模組〉,《TAIWANIOT》,蒐集日期:2021年3月21日。
〈KS-103 超音波模組 超聲波感測器 超聲波測距模組〉,《TAIWANIOT》,蒐集日期:2021年3月21日。
〈電阻式壓力感測器〉,《TAIWANIOT》,蒐集日期:2021年3月21日。