●生活科技ch04

學習目標

1. 將生活科技的知識內容結合生活經驗，了解機電整合如何應用於日常之中。
2. 了解電的特性與使用方式，以期未來於實作課程或生活之中能安全使用。
3. 將實作課程設計更加全面，學會知識整合與生涯試探。
4. 在實作課程中更加了解機械與電的運用方式，加強解決問題的自信心。

機電面面觀

機電整合（Mechatronics）的應用非常多元，其中也不乏生活中常見的例子，像是自動販賣機、電風扇、電腦、智慧型手機、交通運輸、教室與工廠的自動化等，都可歸類在機電整合的範疇。從詞面可以看出，機電整合是由機械工學（Mechanics）與電子工學（Electronics）組成的跨領域學門，科技發展至今，奈米科學、光電科技等新興科技也逐漸加入其中，讓機電整合不只是機構學（機械學）和電子學的整合而已。

例如機器人透過機電整合科技，大幅簡化了傳統機構，還可藉由微控制器自我學習，甚至完成新的性能與動作。

從之前的章節介紹了機構的設計，加上國中學到的電與控制，接下來就讓我們認識基本電子零件與電路，藉由「電」讓我們的裝置動起來吧！

電路的種類

種種零件藉由電路板、麵包板等直接組合起來的電路，稱作離散電路；將所有元件都放在半導體晶片上的電路，則稱為積體電路。

知識不斷電

開迴路控制系統與閉迴路控制系統，兩種最大的差別在於，閉迴路應用了回授的訊號來達成控制的目的；開迴路則是當干擾訊號加入時，易造成系統輸出改變。

開迴路 閉迴路
（啟動就開，關閉便停止） （藉由光線的回授訊號控制電路）
電源→手動開關→馬達 電源→光敏電阻→馬達

離散電路（分立元件電路）

由電晶體、二極體、電容、電阻、開關等元件連接而成的電路。離散電路是電子電路實驗常用的電路方式，若想實現複雜電路則會造成元件數目過多、可靠性不足的問題。

積體電路（IC）

積體電路也稱作「微電路（Microcircuit）」、「微晶片（Microchip）」，經電路設計將電子元件放置於一片矽晶片的基板上，使其具有處理資訊的功能即為積體電路。具有體積小、處理資訊功能強的特性，有記憶體IC、邏輯IC、類比IC等不同功用的積體電路。

電路的控制

電路控制的前提是具有「電的變化」，訊號則是傳遞這些資訊的載體。然而，電路的控制可依照其訊息的不同，一般電路可分為類比和數位的控制電路，而單晶片微電腦控制則屬於數位控制電路，以下介紹為電路控制之介紹：

類比電路

如果訊號在時間與幅值上都是「連續」的，且可在某一點上取到一個任意值，這種訊號便稱為「類比訊號」；處理這種類比訊號的電子電路便稱為「類比電路」。主要功能在看波形的變化與影響，類比電路有處理訊號形狀、功率要求等等的多樣性，因此，現今仍會使用離散電路與積體電路相互配合。

數位電路

如果訊號在時間與幅值上是離散的，在幅值上只能夠取到「有限」個值，這類訊號便稱為「數位訊號」（圖示即是應用最廣的二進位數位訊號），處理這種數位訊號的電子電路便稱為數位電路。著重在輸入與輸出的邏輯運算關係也可看成一種「開關電路」，只有on（1）跟off（0）兩種狀態。

數位電路比起類比電路有精度更高、更容易微型化的好處，且多使用積體電路來實現，而現今應用最為廣泛的數位電路控制方法，便是單晶片微電腦控制。

單晶片微電腦（Microcomputer on a 
Chip）是把處理器、記憶體、輸入介面、輸出介面等整合在一塊積體電路晶片上的微型電腦，結合類比和數位電路控制的優點，可應用在各種機電設施上，簡化人類的工作程序，Arduino Uno便是單晶片微電腦經典的控制板之一。

知識不斷電

Arduino硬體與軟體在2005年誕生，其最大特色就是「開源」，不論軟硬體技術都公開於網路上供每個人使用，易於學習且能夠通過各種各樣的感測器來感知環境 ，同時Arduino也使用了脈衝寬度調變的方式（Pulse-width Modulation，簡稱PWM），可以將數位訊號模擬出類比訊號，增加了微調漸變的可能，例如對LED的控制不再只是單調的亮或不亮，而是可以設計成有層次變化的呼吸燈。在機電整合的作品設計上，增加許多發揮創意的空間。

基本電子元件

在學習怎麼操作電路前，需要先認識電子元件的特性、功能與運用模式。

電阻器  Resistor

電阻器主要用於控制某電路中的電壓與電流比例，也可用來調整電壓、產生熱能。

當電流經過物體時，可能會遭遇到類似機械摩擦力般的阻力，這種阻力會使電能轉換成熱能，稱為電阻。在電路中，被用來當作電阻以調整部分電路的電壓或電流時的零件，便稱為電阻器。

電阻器可區分為有固定阻值的固定電阻器，以及可視需求調整的可變電阻器。電阻器的規格會同時標示歐姆與瓦特數，除了考慮電路所需要的電阻值，同時亦要考量該電阻器能承受的功率上限，通常體積越大，承載的功率越高。

電阻會隨著某項變因調整，除了上述的固定電阻器與可變電阻器，還有許多功能相異的電阻器。

固定電阻器
Fixed Resistor

包含碳膜電阻器 CF（Carbon Film Fixed 
Resistor）、金屬膜電阻器 MF（Metal 
Film Resistor）、氧化膜式電阻器MOF（Metal Oxide Film Resistor）、晶片電阻器 RC（Chip Resistor）等。

可變電阻器
Variable Resistor

不同於固定電阻器，可變電阻器藉由改變轉軸角度來調整電阻值，音量調整的旋扭就是最為常見的例子。

光敏電阻器
Light Dependent Resistor

隨著光線的強弱而改變電阻值。使用的例子有市售的床頭夜燈、防盜警報器等。

熱敏電阻器
Thermal Resistor

隨著溫度的高低而改變電阻值，比如冷氣的溫度調節、電子式溫度計，都使用這類的電阻器。

壓敏電阻器 
Voltage Dependent Resistor

亦稱變阻器，隨著電壓的高低而改變電阻值，通常設計作為保護電路的防線。

知識不斷電

如果是像石英、木材等電阻係數很大且電流難以通過，便稱為絕緣體；而像銀、銅等多數金屬的電阻小且導電性好的材料，便稱為導體。

電容  Capacitance

簡單來說，電容就是儲存電荷的容器，就像水杯用來存水一般。電容通常是兩片金屬板相對，中間放置絕緣材料，金屬板的面積越大或兩片的間隙越小，電容所能儲存的電荷就越多。電容的規格會標示電量法拉與承受的最大電壓，依材質的不同有鋁殼電解電容、陶瓷電容、鉭質電容等。需注意市售常見的電解電容之電流有方向性，如果接反，極有可能造成爆炸的危險，因此在使用上要非常小心。

二極體  Diode

二極體相當於電流的單向閥門，讓電流只能順向流通，若是相反方向則會因為電阻值遽增而無法通過，也稱作逆向偏壓。二極體的種類繁多，最為常見的PN接面二極體即是利用矽或鍺加入五價元素製成N型半導體，再利用三價元素製成P型半導體，兩者結合而成為二極體。

二極體的應用廣泛，檢波、整流、穩壓、發光等，我們的手機充電器就是由四個二極體組成的「橋式整流系統」，讓家用插座提供的交流電能夠轉為我們要使用的直流電源。

發光二極體  Light Emitting Diode

即我們常稱的LED發光二極體，除了有電流單向輸送的特性外，在電流通過時還會發光，具有壽命長、成本低的特性。在電路上常被用來確認電流是否順利流通，然而在購買時應注意LED的功率、電流與電壓，過大的電流或電壓都會讓發光二極體燒毀，故使用上除了接對LED的極性（長腳為正極、短腳為負極），也需在電路上加上適當的電阻。

電晶體  Transistor

前述說明二極體是由一個PN接面製成的元件，而電晶體則是由兩個PN接面製成。由基極、射極與集極構成，讓微小的電流促成大電流的流通，完成放大訊號的功能。區分為npn型與pnp型。

開關  Switch

開關的作用是控制電路的接通、斷路與變換電路，且開關種類繁多。常見的按鈕開關只有兩個接點，按下按鈕即可形成通路；而撥動開關、滑動開關和微動開關等，則會有三個接點：COM（Common）共接點、NC（Normally Close）常閉接點和NO（Normally Open）常開接點，NC與COM平常是通路狀態，讓開關保持關閉；NO則相反，與COM為斷路狀態，觸發開關才會觸發電路。

繼電器為一種靠電驅動的開關，利用電流磁效應， 通以小電流讓中心軟鐵產生磁性，吸附上方擺臂產生較大電流的通路。

知識不斷電

繼電器與電晶體差異：

繼電器，機械動作（金屬片直接接觸），大電壓大功率，反應時間慢。
電晶體，電子動作（以電流控制電流），DC小電壓，反應時間快。

蜂鳴器  Buzzer

聲音是由空氣分子的振動產生聲波，蜂鳴器依結構主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種；依訊號源則可分為有源蜂鳴器（自激式）與無源蜂鳴器（它激式）。有源蜂鳴式內含驅動電路與振盪結構，只要加入適當的直流電壓，即可發出固定頻率的聲音；無源蜂鳴器則會依給予的電流頻率不同而發出不同聲音。蜂鳴器可作為預警發生器件，在購買時應注意電壓標示，以免元件受損。

三用電表的使用

三用電表是電路設計與檢修的必備工具，用於測量電流、電壓與電阻等三項基本數值，這些數值可以幫助我們判斷電路是否有短路或斷路、電流是否會燒壞元件、確認電子元件的優劣等。依數值讀取方式的不同，分為數位和指針（類比）兩種形式，但操作方式大同小異。

以下為操作三用電表的步驟，以及使用前須了解的注意事項：

◆確認檔位的數值：表示該檔位最高可測量到的數值，如10A檔位最高只能測到10安培。
◆選擇檔位：不確定適當檔位時，應由最高檔位逐漸調降至適合的檔位，以免電表燒壞。
◆測量：測量時雙手不碰觸元件或電路，避免造成測量誤差。
◆確認關閉：不使用時轉至「OFF」或「關閉」檔位，避免電池耗盡。
◆指針零位調整：測量電阻值前須歸零，切換不同檔位測量電阻值時也須歸零才能測量出正確的數值。歸零方法：將紅、黑探棒相接後，將指針調整至0的位置。

數值讀取範例

此圖為指針式三用電表，在不同檔位時，此指針的位置代表不同的數值：

註1：電壓與電流的倍率為「檔位的數值／讀取刻度線的最大值」；電阻倍率同檔位。

註2：hFE測量電晶體直流電流增益。ICEO測量電晶體漏電電流。LI測量負載電流。LV測量負載電壓。dB測量分貝。

感測元件  Sensor

電路控制系統中，往往會有需要感應外界狀況（參數）的時候，尤其現今社會充斥各種穿戴裝置、電動科技，感測元件便能與其搭配，充分提高人類生活的便利性，種類不計其數，例如位置感測器、速率感測器、負荷感測器、壓力感測器、溫溼度感測器等。

馬達（電動機） Motor

電路控制系統中，包含感測器與致動器（Actuator），類似人體受器與動器的差別，是電路中將能量轉換為機械動能的一環。馬達在日常生活的應用層面廣泛，我們每天用到的電器中多少都與馬達有關聯。

馬達依電源可區分為交流（AC）馬達與直流（DC）馬達，交流馬達通常具備輕便、可靠、便宜的特性，目前市面上的使用相當廣泛；而直流馬達只須控制電壓大小就能控制轉速，在電路實驗中較常選用。以下介紹幾種常見的馬達：

直流馬達  DC Motor

利用電流磁效應與周圍的永久磁場不斷發生吸引、排斥作用進而轉動，是電子電路常見的傳動器；如果讓軸心經由外力快速旋轉，就會因電磁感應而產生電流。

直流馬達又可分為有刷式與無刷式，如右圖，有刷式的構造由「電樞」、「場磁鐵」、「集電環」和「電刷」組成，運作時線圈和電樞旋轉，場磁鐵和碳刷不轉；而無刷式則是線圈不動，磁鐵旋轉，故可以省去電刷的存在，減少摩擦，帶來省電又安靜的好處。

減速馬達  Gear Motor

俗稱TT馬達，在一般馬達上加裝減速齒輪組，用於減慢轉速與增加扭力，市售常見的減速比為1：48至1：256，購買時應特別注意。

步進馬達  Stepper Motor

成本低、易控制、小誤差是步進馬達的優點，可固定每一步旋轉角度的DC直流馬達，每步的大小可以從90度到0.9度甚至更小。步進馬達由轉子與定子組成，常見的轉子為永久磁鐵製成，定子藉電流產生極性讓轉子吸附，這樣的運作原理讓步進馬達不會因慣性而脫離角度，同時不需要位置感應器便能知道馬達的正確位置。步進馬達應用極為廣泛，包含醫療檢測儀器、工業生產設備等。

伺服馬達  Servomotor

伺服馬達三大特色為轉速應用範圍廣、轉矩不會因速度改變、可控制迴路等，因此，伺服馬達通常比步進馬達更為穩定，但伺服馬達只能在閉迴電路運行，也較為昂貴。伺服馬達常出現在小型的機電整合實作中，如飛機模型、步行機器人、機械手臂等。

機電整合

Arduino線上模擬軟體

Tinkercad Circuits是由Autodesk提供的線上模擬器，擁有大部分Arduino的各種功能， 只需要打開瀏覽器、註冊後登入Tinkercad（https://www.tinkercad.com/）就可以使用各種電子元件及接線路，並運用積木程式或文字程式來摸擬控制電子元件，此種方式適合剛接觸Arduino的學習者。

跟著下方的例子，就可以簡單快速的完成用Arduino控制板讓RGB LED達到各種變化。

登入後選擇Circuits並建立新電路

練習三色LED RGB燈號切換

① 從右側所有零件中拉出Arduino UNO的主板及RGB LED燈，並接上各個電路。建議要在LED的共陰極上串聯一個適當大小的電阻來保護LED，避免電流過大而燒毀。
② 針對RGB LED的相對腳位做積木程式的控制，高電壓表示該色LED亮，等待1秒後再設為低電壓讓LED熄滅。
③ 設定RGB LED輪流明滅，依RGB腳位的連接孔位，編寫對應的積木程式，設定高低電壓及等待時間。
④ Circuits可以切換顯示純積木、積木＋文字及純文字介面讓使用者可以參照積木程式及文字程式之間的關係。

PWM介紹：脈衝寬度調變  PWM–Pulse Width Modulation

PWM原理是什麼？

想像我們以快到不能用肉眼察覺的速度切換燈的開關，當切換速度快到不行的時候，我們只會看到燈光較暗，並不會看不到一閃一閃的情況；當我們微調開與關的時間比例，我們就會看到燈光稍微的變亮或變暗了。

這就是PWM的原理，藉由數位訊號高頻率的切換，調整開關的比例，可以模擬出我們需要的類比訊號。

依高電壓及低電壓所佔的時間比例脈衝調變，例如佔用80%時，輸出值便是高電壓5V的80%，即變成4V；20%就變成1V。

三色LED呼吸燈：讓LED燈漸漸亮起來再漸漸暗下來

Arduino UNO板子上只有部份的數位腳位有PWM功能，所以RGB三色LED就需接到PWM有「～」符號的孔位。以下使用D11、D10、D9孔位為例。

① 我們試著運用廻圈（for）的語法，來完成紅色LED（D11）孔位電壓的遞增或遞減，會看到紅色燈光慢慢變亮再慢慢變暗。

② 同時間我們也可以加一行程式，把變數i的值利用串列監視器列出來，如此我們就可以更清楚現在PWM孔位的實際輸出值，較好判斷程式是否正確。

③ 完成單色LED的呼吸變化之後，依序將另外兩色的程式加到下方，就可以達到三色LED輪流呼吸的功能。若測試沒問題，也可以把列印串列監視器的程式碼拿掉，讓整個程式更精簡。

彩虹呼吸燈：RGB三色LED的輪動漸變完整操作

❶  確認問題需求與限制

製作一個讓RGB三色LED可以有彩虹顏色燈光的輪動漸變作品。

❷  蒐集資訊

① 呼吸燈的意思就是讓LED有著慢慢變亮及慢慢變暗，像是「吸氣~吐氣~」一樣的呼吸效果，根據前述的例子就可以使用廻圈的語法處理。

② 了解光學三原色的變化，透過RGB三原色光各種不同的強度組合，可以產生256×256×256＝1677萬種的色光，例如紅光+綠光=黃光、藍光+紅光=紫光。

③ 彩虹是一種光學現象，可見光經過折射之後，產生了紅色、橙色、黃色、綠色、藍色和紫色的彩虹光譜。

④ 想要完成彩虹呼吸燈，也可以先收集彩虹各色光之RGB參考值。

❸  發展方案

① 方案一：試著讓各色光的RGB值等距遞增或遞減，讓各色光產生明暗的效果並切換輪動。也就是說紅光（255,0,0）慢慢增加或慢慢減少， 然後輪到橙光（255,165,0）慢慢增加或慢慢減少，再來是黃光以此類推。

② 方案二：彩虹色光輪動漸變的情況就是RGB三原色之間的遞增與遞減的交互變化，彩虹呼吸燈意思就是RGB三色在正確的時間差上輪流進行呼吸的動作。當紅燈R最亮時，綠燈G開始漸漸變亮同時紅燈R開始漸漸變暗，在綠燈G最亮時，紅燈R已經滅了。這時藍燈B開始上升，綠燈G開始下降，以此類推。
 

❹  選擇最佳方案並研擬計畫

① 方案一：這種方法看似簡單，但是程式不易控制混合色光的遞增或遞減，例如要控制紅光（255,0,0）的漸亮與漸暗很簡單，只要其他兩個顏色固定為0，運用廻圈的方式遞增或遞減紅光R的數值就行；但是控制橙色光（255,165,0）時，很難同時遞增或遞減紅光R與綠光G且還要維持發光比例。

② 方案二：只要了解鄰近的RGB三原色間的強弱變化，例如紅光R漸弱且綠光G漸強時，就會產生紅橙黃綠等色光的變化，如此類推很容易就可以得到彩虹光之間依序的漸層變化。

所以方案二是比較容易處理的最佳方案。

❺  建構原型並進行評估

確認最佳方案後，就要開始思考如何進行。一開始紅光R全亮，然後再開始遞減，同時綠光G一開始為0，再開始遞增，而藍光B在這時還沒有動作，所以我們可以將這樣的過程稱為步驟一。依此概念類推，步驟二就是紅光R為0，綠光G遞減，藍光B遞增；步驟三就是紅光R遞增，綠光G為0，藍光B遞減。

步驟一：紅光→黃光→綠光

步驟二：綠光→藍綠光→藍光

步驟三：藍光→紫光→紅光

❻  測試與溝通

經過Tinkercad Circuits軟體的模擬測試，三色LED確實可以達到紅➡橙➡黃➡綠➡藍➡紫的彩虹顏色輪動變化，但好像還是有些許不順暢，這時可以和同學或老師討論可能的原因為何？

調整每次遞增的幅度或改變等待的時間，可以讓顏色之間的轉換更順暢，進行各項參數的調整並測試（如圖），依序漸層變化。

❼  改進與最佳化

為了讓色彩變化更順暢，經過各數值的測試，調整遞增或遞減的幅度後，有了最佳化的結果，也就是每一次由增減1改成增減5，每次等候的時間也可以變長為100毫秒，讓整個色彩變化的更美麗順暢。

課間活動   IoT物聯網智慧小屋的設計與製作

❶  確認問題需求與限制

請試著利用工程繪圖軟體設計一模型小屋，並利用數位輸出方式（雷射切割機）或傳統加工方式（傳統機器或手動鋸切）將設計的模型小屋組裝將完成。可參考下列介紹的物聯網裝置安裝於小屋之中，預期能將感測的各項數值呈現於顯示器上，試著將感測的數值同步上傳到雲端物聯網平臺上。分析各項感測數值並設計各種互動控制，達到大數據與智慧居家的概念。

❷  蒐集資訊

好用的線上積木程式編輯器介紹——motoBlockly

① motoBlockly是由慧手科技開發的線上Arduino程式編輯器，內建許多Arduino常用的感測元件。只需連上Motoduino官網就可以使用各種預建的電子元件，利用拉積木的方式寫好程式，最後再搭配實體元件的組裝，便可以快速上手機電整合與程式控制設計。

② 使用motoBlockly時，若想直接呈現文字程式，直接選擇右側的Arduino按鈕便可以顯示程式碼。不管是Tinkercad Circuits或motoBlockly，都可以將積木程式轉換成文字程式，並複製貼到官方版的Arduino IDE程式中。

③ 有些感測元件需要使用函式庫使編輯程式變得簡單，只要下載motoBlockly上所有相關硬體的library，再解壓縮到文件中Arduino內的libraries即可。

④ 還有一種方法可以不用下載函式庫，也不用安裝Arduino IDE公版程式，那就是下載motoBlockly_broker程式，開啟程式後就可以直接執行燒錄，系統可以直接偵測COM PORT。

容易上手的雲端物聯網平臺介紹

① ThingSpeak
是由軟體商MathWorks建置的物聯網應用平臺，整合了該公司的MATLAB軟體作為數據運算支援，在數據記錄與分析的應用上十分便利。

② IFTTT（IF This Then That）
IFTTT 是一個網路服務平臺，可以將不同的App、連網裝置和軟體服務整合，讓支援IFTTT的某服務（或App、連網裝置）去觸發另一個服務（或App、連網裝置），具網頁版和手機App使用者介面，不論使用電腦或手機操作設定都可以。

③ LINE Notify
只要與其他網路服務完成連動設定，即可透過「LINE Notify」官方帳號接收該網路服務的通知訊息。

④ Google表單
表單可以協助收集及整理資料，無論資料多寡都能輕鬆搞定，而且完全免費，可以用於規劃露營活動、管理活動報名資料、快速進行意見調查、收集電子報訂閱者的電子郵件地址、建立隨堂小考等。

常見的電子元件介紹

① 溫溼度感測器 DHT11：感測環境的溫度與溼度後回傳數值。

② 煙霧感測器 MQ-2： 用於家庭和工廠的氣體洩漏濃度監測，接於類比腳位。

③ ESP 8266 WiFi模組： 透過SSID及金鑰方式連接無線網路，傳送接收資料。

④ LCD模組： I2C液晶顯示器，顯示各種資訊數值（不能顯示中文）。

⑤ 4位數七LED顯示器： 簡單快速呈現4位數字。

⑥ 超音波感測器 HC-SR04： 回傳物體的距離（cm）。

⑦ 蜂鳴器（Buzzer）： 利用蜂鳴器可以發出各種頻率的音高。

⑧ 伺服馬達 SG90 Servo： 可以用程式控制轉動角度，範圍0~180度。

⑨ 繼電器（Relay）＋直流風扇：低電位時NC與COM腳位接通， 高電位時則NO與COM腳位接通，可以啟動風扇進行抽風及散熱使用。

⑩ RGB LED： 利用光的三原色，可以發出各種顏色的光。

❸  發展方案

雲端平臺的運用方案之發展

LINE Notify

①到https://notify-bot.line.me/zh_TW/，登入LINE帳號。

② 到個人帳號上，點選個人頁面。

③ 發行存取權杖，不須登錄網站服務，就可以設定通知。

④ 填寫權杖名稱（將於傳送提醒時顯示），並選透過一對一聊天接收通知。

⑤ 複製發行的權杖，但要注意若離開該頁面，將不會再顯示新發行的權杖，所以離開頁面前，請先複製權杖。

⑥ 到程式編輯器中拉積木程式，當觸發條件滿足時，就發訊息通知。

Google表單

① 建立題目，請選擇簡答題格式。

② 建好題目後請先預覽，網址為：「https://docs.google.com/forms/d/e/ XXXXXXXXXX /viewform」，其中的XXXXXXXXXX 就是motoBlockly程式中Google表單的API_KEY（寫入授權碼），如右圖。在填欄按右鍵點選「檢查」會出現程式碼。

③ 在程式碼上按CTRL+F，搜尋entry，就可以找到每個填答欄位的ID，透過這個Google表單的API_KEY及每個題目的ID，就可以使用Arduino程式把資料回寫到Google表單之中。

Arduino UNO開發板上的常見電子元件之方案發展

① 溫溼度感測器：連接A0腳位，可感測溫度與溼度，在監控視窗中顯示環境的溫度與溼度。

② 煙霧感測器：連接A1腳位，用於家庭和工廠的氣體洩漏濃度監測裝置，適用於液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的探測。直接使用類比腳位讀出數值顯示監控視窗中，使用噴過酒精的衛生紙測試，數值會突然飆高。 可以手動調整靈敏度， 經多次測試得到下列較佳的臨介值： 正常：0~200、 稍高：200~400、 危險：400以上。

③ WiFi模組：連接A2與A3腳位，A2接串列輸出腳位（TX）、A3接串列輸入腳位（RX）。選擇STATION模式，設定好SSID及金鑰密碼後， 透過監控視窗就可以看到連線成功， 並取得IP位址。

④ LCD顯示器：只能連接A4&A5腳位，SDA接4、SCL接A5。I2C匯流排中一條時脈線（SCL）和一條數據線（SDA），因此I2C匯流排所使用的通訊協定也被稱為「雙線」通訊協定。

當我們使用Arduino時，板子內A4和A5的接腳分別具有SDA和SCL的功能。當使用I2C時，需安裝LiquidCrystal函式庫（直接從motoBlockly網頁下載），下載後解壓縮到文件中Arduino的libraries目錄中即可。這個程式是在LCD顯示器中呈現MQ-2煙霧感測器的感測數值，也可以用來顯示溫度與溼度的各項數值。

⑤ 4位數七段LED顯示器：連接D1&D2腳位，D1接Clk腳位、D2接Data腳位。直接使用函式庫程式（一起由motoBlockly網頁下載），就可以輕鬆的在4位數七段顯示器中呈現MQ-2煙霧感測器的數值，同樣也可用來顯示溫度與溼度的各項數值。

⑥ 繼電器（Relay）+ 直流風扇： 繼電器連接D5腳位。因為直流風扇需較高的電流啟動，所以無法直接使用數位接腳的高電壓啟動，這時就可以透過繼電器的方式。當D5是低電位時，NC與COM是導通的，風扇不運轉；當D5是高電位時，NO與COM導通，風扇運轉，就可以把室內不好的空氣往外抽。

⑦ 超音波感測器：連接D7&D8腳位，感測物體的距離。D7接Trig腳位、D8接Echo腳位，若有人員或物體接近時可以立即發現，並做後續處理。

⑧ 三色LED：連接D9&D10&D11腳位，可透過三原色搭配PWM功能調出各色的光源，或單獨控制RGB各色LED的強度調出想要的顏色，也可以使用「彩色RGB LED」積木程式選擇顏色。

⑨ 蜂鳴器：連接D12腳位，可發出不同的音階。蜂鳴器可以發出警示聲音，當有緊急狀況時可以用聲音提醒。

⑩ 伺服馬達：連接D13腳位，可控制伺服馬達轉動的角度， 角度區間為0~180度。使用前先校正到0度，再把方向舵鎖上，此時0度為開門，而關門的角度設為30度。伺服馬達到定位後，建議移開伺服馬達腳位，斷開伺服馬達的控制。

❹ 選擇最佳方案並研擬計劃

有了雲端平臺的服務及屋內各項Arduino 檢測器，整合各種功能便可以得到理想中的智慧小屋該有的功能：

① 屋內環境監控：包含屋內危害氣體濃度的檢測、溫溼度檢測等數值，可以透過小屋的LCD顯示器及4位數七段顯示器來即時呈現數值。

② 雲端資料上傳：定時把各項檢測的數值透過WiFi將資料上傳雲端物聯網平臺，使用容易上手且普及率高的LINE Notify及Google表單，前者可以立即通知，後者可以長期監控，更能以圖表呈現，一目了然。

③ 智慧安全機制：例如當屋內瓦斯氣體的濃度正常時（MQ2值＜200），RGB LED的燈號呈現安全的綠色；若濃度偏高時（400＞MQ2值＞200），RGB LED的燈號呈現注意的黃色；若濃度過量時（MQ2值＞400），RGB LED的燈號呈現危險的紅色，蜂鳴器發出警示音，繼電器啟動風扇抽風，同時伺服馬達控制的大門就會自動打開以利逃生。此外，也可以在小屋的必要通道上裝設超音波感測器，當有人靠近時系統會傳訊息到屋主手機的LINE，提醒有人接近了。

❺ 建構原型並進行評估

小屋的設計與各角度外觀

想要完成一個物聯網智慧屋，就要把上述的最佳方案結合起來。

① 參考8.5 House的建築設計小屋的外型

② 利用RHINO等3D建模軟體，畫出小屋外型的立體圖。

③ 再分解成平面，並找適當的位置畫出各個感測元件的對應孔位。

④ 2D向量圖型完成後，使用雷射切割機加工後組裝模型小屋，再安裝各種感測元件（如右圖）。

建構程式碼

各項功能利用Arduino主板控制並呈現，讓感測器正確運作後把數值呈現在顯示器上，並同時傳送到Google表單中，若出現警示訊息則傳送訊息給LINE帳號，參考程式碼如下：

屋內環境監控

把屋內的空氣品質、溫度、溼度等各項數值皆以LCD顯示器呈現，同時將數值傳到Google表單中記錄，此外可以匯出資料到試算表程式中，以圖形的方式呈現數據，更容易分析判斷，如右圖。

❻  測試與溝通

將所有的感測器全部接上且運作時，就會發現Arduino UNO主板供電有些不足，造成某些感測元件或顯示裝置無法正常運作，這時就要交叉測試，特別是WiFi裝置、直流風扇及伺服馬達等耗電量較高的裝置，可以使用外部電源使其正常運作。經過多次測試，程式也依感測器元件調整而更動，找到一個最穩定的狀態；再者，由伺服馬達控制的大門，轉動的角度該如何與大門啟閉連動？這些都是需要經過不斷的測試，才能找到答案。

❼  改進與最佳化

功能改進最佳化

若經費充足下，也可以將DHT11的溫溼度感測器改用PMS5003T的空氣品質檢測器取代，除了可以檢測溫溼度外，還可以檢測空氣中的PM1.0、PM2.5、PM10的含量，來確定小屋中的各項數值。

例如將PMS5003T空氣品質檢測器接在D3&D4腳位，D3設為串列輸出腳位（TX）、D4 設為串列輸入腳位（RX），在監控視窗上或雲端平臺上顯示PM1.0、PM2.5、PM10、溫度與溼度的各項數值。

綠色能源的運用

若是能在小屋的屋頂建置太陽能板，平時白天時能夠供給Arduino及各感測器電力，同時給予鋰電池充電，光線不足再由鋰電池供電，讓整個小屋系統可以達到綠能運用。

例如使用常見的太陽能充電模組，可以整合太陽能板、充電板及鋰電池，提供Arduino板子5伏特1安培的穩壓供電裝置。白天大太陽時進行充電狀態，夜晚或陰天時就可以給系統供電，達到使用綠色能源的概念。

小屋各項感測器配置最佳化

最初設計把Arduino主板固定在小屋下層內部，但感測器及顯示器的杜邦線不容易插上和拔出，而且一不小心接線就會脫落，可以試著將主板調整到上層，如此一來便能有效解決接線的問題。

多功能開發板的選擇

為了改善過多感測與顯示元件而造成供電不足的狀況，可以試著改用聯發科開發的LINKIT7697開發板安裝在麵包板上，其主板已內建WIFI功能；還可以使用整排的外部電池供電，讓各項感測器都能發揮最佳效能；也可以使用慧手科技開發的motoduino主板，內建直流馬達增壓功能，直流風扇就可以直接上，不用再外接增壓裝置。

整合了上述最佳化的配置，就可以完成一個多功能的IoT物聯網的智慧小屋。還可以依這種工程設計的發展模式，增加雨量檢測器、土壤溼度檢測器、火焰感測器等各種實用功能的感測元件，發展出屬於自己的智慧小屋，並實際將各種元件安裝在住家環境，達成真正的智慧居家生活。

IoT物聯網智慧小屋設計與製作作品分析

IoT物聯網智慧小屋設計與製作作品分析

IoT物聯網智慧小屋設計與製作作品分析

IoT物聯網智慧小屋設計與製作作品分析

IoT物聯網智慧小屋設計與製作作品分析