Iot tech with education

1. 物聯網於教育系統上的應用
虎尾科技大學 資訊工程系
陳國益
【英文拼字與機器人教具開發】

2. 物聯網概要
❖ Internet 至 IOT 演變
(ref:從網際網路到物聯網, http://epaper.gotop.com.tw/pdf/AEN002900.pdf)

3. 物聯網概要
■ 物聯網三層架構
(ref:從網際網路到物聯網, http://epaper.gotop.com.tw/pdf/AEN002900.pdf)

4. 物聯網常用感測器
❖ 常用感測器
(ref:UNO R3 Ultimate Starter Kit on eBay)

5. 物聯網設備需求
■ 在物聯網系統中，微控制器Micro Controller Unit（MCU）
扮演非常重要的角色，身邊常見的電器用品，諸如冷氣機、
洗衣機、微波爐甚至家用電話等，均包含各種功能不同的
微控制器，賦予電器用品各種不同的功能。
(ref:http://www.holtek.com.tw/)

6. 物聯網 MCU 示例
■ 而隨著積體電路技術的演進與開源軟硬體的推廣，MCU的單
位售價與開發難度都有顯著的降低，另一方面，MCU的易於
取得性與性能卻日益提高，這樣的趨勢，讓自造者能更輕
易的開發透過MCU控制的產品。現今，常用的MCU舉例如下：
Arduino UNO Arduino Mega Arduino Nano
新唐 NUC140 系列 盛群 HT32 系列 STM32F103C8T6

7. 整合型 MCU (直接內建 Wifi 模組)
■ Mediatek (聯發科)Linkit 7697
■ Espressif Systems (樂鑫) ESP32S
■ Realtek (瑞昱) Ameba RTL8195
■ Rasberry Pi 3

8. 物聯網 MCU 硬體實體

9. 物聯網案例：空氣品質感測器
■ 自製物聯網空品監測站
■ 與開放社群 LASS 合作

10. 物聯網案例：空氣品質感測器
■ 自2014年起於虎尾周邊布設12個監測站

11. 物聯網案例：空氣品質感測器
■ EdiGreen App

12. 物聯網案例：智慧拼字積木
■ 想解決的問題
○ 讓小孩學習英語拼字變的更有趣
12

13. 智慧拼字積木 Cont.
■ 不運用3C裝置，以運用實體為主
13

14. 智慧拼字積木 Cont.
■ Scrabble
14

15. 智慧拼字積木 Cont.
■ Spelling Toys
15

16. 智慧拼字積木 Cont.
■ 如何無須人力介入判斷？
■ 如何讓積木互相感測？
16

17. 智慧拼字積木 Cont.
■ 如何感測？
○ RFID
○ 紅外線
○ 超音波
○ 條碼與鏡頭
17

18. 智慧拼字積木 Cont.
■ 霍爾效應……
18

19. 智慧拼字積木 Cont.
19

20. 智慧拼字積木 Cont.
20
UART
UARTSPI
WIFI
Server
SPI
UART
ADC
WIFI
Client
Blocks

21. 智慧拼字積木 Cont.
21

22. 智慧拼字積木 Cont.
22

23. 智慧拼字積木 Cont.
23
23
Kid waits for question from server
Wait for result after combing cubes
Clients
receive letters
Server receives
the order and
analyze
Right answer
Wrong answer with
displaying the vocabulary
Combine the word by the
pronunciation and hint on screen

24. 物聯網案例：機器人教育
 為了能讓能社會大眾進一步瞭解機器人的構
造和原理、適當的機器人教具十分重要
24
(Ref : http://www.online-education.info/docs/s5093)

25. 25
機器人教具設計上常見的問題
 線路龐雜
(Ref : https://www.chiefdelphi.com/media/photos/39684)
(Ref : http://www.trossenrobotics.com/c/robot-cables-wiring.aspx)
(Ref : http://www.sciencebuddies.org/science)

26. 機器人教具設計上常見的問題
 零件眾多、組裝耗時
26
(Ref : https://arstechnica.com/gadgets/2013) (Ref : http://www.thumb.com.tw/article/4182)

27. 機器人教具設計上常見的問題
 功能較單一化
27(Ref : http://www.dx.com/p/four-wheel) (Ref : https://www.sainsmart.com/sainsmart)
(Ref : https://www.electronickits.com/sound)

28. 機器人教具設計上常見的問題
 組裝說明繁複
28
(Ref : https://www.pinterest.com/pin/19773685842000837/)
(Ref : http://www.thenxtstep.com/2015/11)
(Ref : https://www.yumpu.com/en/document/view/29776618)

29. 機器人教具設計上常見的問題
 價格昂貴
29
(Ref : http://www.thenxtstep.com/2016/11)

30. 使用者不同的需求
 使用者著重方向不同
 著重於邏輯控制、程式開發
 著重於結構設計與組裝
 著重在外觀設計
30
(Ref : http://www.toysrus.com/robotics/wow-wee)
(Ref : http://www.dx.com/probot)
(Ref : http://www.dx.com/gundam)

31. 如何改善/滿足這些需求？
■ 無複雜線路
■ 零件數量少、組裝快速
■ 功能多樣化
■ 組裝說明容易
■ 價格便宜
■ 開源設計、建立社群
■ 同時滿足不同的對象需求
 邏輯控制
 程式開發
 結構設計與組裝
 外觀設計 31
(Ref : http://www.google.com/404)

32. 我們提出的設計
 機器魔方 Robot Cubes
32

33. 系統架構
■ 使用異構模組化機器人(Heterogeneous modular
robot)以及集中控制器(Centralized Controller)
33
armCube wheelCube
catchCuberotationCube
MainCube
photoTransistorCube
ultrasonicCube
Motion Cubes Sensor Cubes

34. 系統架構 Cont.
34
Arduino
ATmega 328
Arduino
ATmega328
HC-SR04
超音波
感測器
ATmega328 ATmega328 ATmega328
Main Cube
Ultrasonic cube Color cube Arm cube
Wheel cube
GY-31 ARS-3216HTG
N20 Motor
L9110
I2C-BUS
GPIO Button
RGB LED
...
行動裝置
WI-FI
超音波方塊 辨識方塊 關節方塊
馬達驅動方塊

35. 機構雛型
■ 採用模組化的設計
35

36. Slave方塊設計
■ 內部構造(以Rotation Cube為例):
36

37. Slave方塊設計 Cont.
ArmCube ARS-3216HTG+HV
RotationCube ARS-3216HTG+HV

38. Slave方塊設計 Cont.
38
WheelCube
N20*2
L9110
CatchCube
ADS-660LTG

39. Slave方塊設計 Cont.
39
UltrasonicCube
PhotoTransisterCube
PhotoTransister
SR04

40. 機構模擬、驗證
■ 透過在Solidworks排列方塊模型，並模擬
各種組裝可能之姿態
40

41. Master
Top Left Front Right Bottom
Left Bottom Top
Bottom
N <=5
搜索演算法 – 拓樸關係
■ 每個方塊的各表面與其他方塊的拓樸關係
41

42. 搜索演算法 Cont.
■ 以樹狀結構來描述方塊位置關係
42
Master
A
Layer
B
C
D
E
F
G
H
I
LEVEL 1
LEVEL 2
LEVEL 3
LEVEL 4
LEVEL 5

43. 設計特色
■ 將繁複的機器人關鍵功能，包裝成單一方塊
，解決零件眾多，組裝耗時的問題。
43
Lego EV3 關節.
42個零件.
組裝耗時8分鐘
(Ref : https://Lego.com/ev3)

44. 設計特色 Cont.
 以自行設計的電環改善線路龐雜問題
44
Robot Cubes 組
裝
完全無外露線材
傳統機器人教具
外露線材較多
(Ref : https://Lego.com/ev3)
(Ref : https://hexrobot.com/rh435)

45. 設計特色 Cont.
 透過不同方塊自由組裝搭配，達到功能多樣
化的目的
45
傳統機器人教具
功能單一
Robot Cubes 可自由組合，並建構嶄新功能
(Ref : https://www.makeblock.cc/mbot/)
(Ref : https://robovr.robot.com/robc)

46. 設計特色 Cont.
■ 組裝說明容易，短暫練習後即可無須說明書
自由創作
46
傳統機器人教具
組裝繁複
Lego EV3 賽車
共需 452 個步驟
Robot Cubes 組裝簡易
每個作品不超過十步
(Ref : https://Lego.com/ev3)

47. 設計特色 Cont.
■ 可滿足重視外觀設計的使用者
 透過不同轉接板的設計，機器魔方可以很容易的
與市售積木（如樂高、智高）等結合，因此創作
素材無窮，可盡情發揮創意
47

48. 設計特色 Cont.
■ 可滿足重視邏輯控制與程式開發的使用者
 Robot Cubes 具有 S4A(Scratch to Arduino)功能
 可透過 Scratch 語言直接改寫 robot cubes 韌體程式邏
輯，等於可開發全新功能的機器人。
48
(Ref : https://scratch.mit.edu/) (Ref : https://s4a.cat)

49. 設計特色 Cont.
■ 無須另購遙控器，任何行動裝置安裝App後均可操作
■ 操作邏輯可在App上自行定義，由使用者決定操作的
目的方塊及其行為。
49

50. 設計特色 Cont.
■ 單機模式下提供了數種範例模型，當組裝完
機器開機後，主機會自行拓樸搜索是否有相
符模型
■ 透過簡易的操作介面，可以達到控制輪胎前
進/後退、記憶扭臂彎折等多樣化的功能
■ 達到無須外部控制，也能享受創造機器人的
樂趣。
50

51. 範例展示 : Remote control car
51

52. 範例展示 : Ultrasound car
52

53. 範例展示 : Racers
53

54. 範例展示 : Chasing light car
54

55. 範例展示 : Joints type 1
55

56. 範例展示 : Joints type 2
56

57. 範例展示 : Joints type 3
57

58. 設計優勢
■ 低成本
■ 高自由度
■ 組裝快速
■ 說明簡易
■ 功能擴充性強
■ 開源設計
■ 對應不同的使用者需求
■ 能改善目前多數機器人教具的問題 58
(Ref : https://123rf.com/302571)

59. 與市售智慧機器教具比較表 Cont.
59
Lego EV3
樂高 EV3
XYZ 火流星
多軸機器人
M-Bot Robot Cubes
機器魔方
線路複雜度 複雜 極複雜 中等 完全無外露線路
組裝耗用時間 較長(1hr) 極長(5 hrs) 中等 極快(< 1 min)
說明書複雜度 極複雜 極複雜 中等 簡易
功能擴充性 高 低 中等 高
互動方式 APP、
P-brick(PC)
遙控器 遙控器、
Mblock(PC)
App遙控 、S4A韌
體改寫，手控彎折
記憶功能
購置成本 極高(20K) 極高(30K) 中等(6K) 低(2.5K)
兼顧不同需求的使
用者
是 僅高階使用者 中階使用者 兼顧三種不同使用
者的需求
多用途 是 單一用途
(機器人)
單一用途
(自走車)
是
是否開源 部分開源 無 部分開源 完整軟硬體開源，
可供同好自行開發

60. 台灣教育機器人市場分析
■ 2005 ~ 2015 年間，台灣益智/教育機器人產值已提升四倍
(5%~20%)，市場約 500億，是深具展望的新藍海市場
■ 相較於傳統機器人教具，Robot Cubes機器魔方挾以上各方面優
勢，進入市場潛力可期。
60
(Ref: 蕭佳明, 黃瑛綺, 樂高機器人應用於科學與創意教育市場創業之研究, 遠東學報第二十九卷第三期,2012/09)

61. 未來展望
■ Open Source！
 將英文拼字方塊、核心方塊程式邏輯、硬體設計
、轉接介面等資訊均開源，讓更多對機器人教具
有興趣的伙伴能輕鬆投入。
■ 繼續為機器人教育投注心力，開發多種功能
方塊，使Robot Cubes做到機器人能做到的更
多功能。
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