前言

一般來說，幼兒大約從1~2歲開始學習自己吃飯，湯匙是幼兒學習自己吃飯第一種接觸的餐具，但因為不熟悉使用方法，每次總會吃得到處都是，可能一碗飯有半碗會灑在外面，不僅造成許多新手爸媽的困擾也很浪費食物。而幼兒在成長的過程中，不同時期與年齡在進食時都有不同的手部發展過程，例如：當九個月大時，自己用手拿東西吃；並會抓握湯匙敲打[1]。

目前市面上輔助幼兒進食的學習湯匙，都是以改變湯匙的外型為主。而本作品除了增加G-Sensor感測功能，能夠校正湯匙角度，並配合記錄幼兒成長的APP，透過藍牙將感測到的數值傳送到手機端。

最後，我們可以透過此作品來了解幼兒使用湯匙的手部動作與操作方式。

系統特色

本作品的創作目的是為了讓幼兒學習如何使用湯匙，及輔助幼兒進食，進而減少新手爸媽對幼兒獨自使用湯匙的困擾。此外，透過手機APP完整記錄幼兒的飲食狀況，提供一個整潔、舒適與安全的用餐環境，進而幫助幼兒在安全與健康地環境中成長。以下，列出本系統的特色：

功能性

--馬達校正擺動幅度，讓食物不要灑落於湯匙外。

--手機APP記錄幼兒的進食狀況。

--可透過USB充電。

創新性

--自行開發設計手機APP以符合使用者需求。

--增設充電裝置。

--判斷動作產生相對抵銷力，讓食物不要灑落於湯匙外。

實用性

--幫助幼兒學習使用湯匙。

--輔助幼兒進食。

--維持用餐環境整潔。

--完整記錄幼兒成長狀況。

工作原理

本作品使用盛群半導體的HT66F70A 與G-Sensor+陀螺儀六軸感測器、伺服馬達、BLE藍牙、LM1117-3.3穩壓IC等元件所設計而成。其中，主要的工作原理包含G-Sensor+陀螺儀六軸感測器與藍牙模組等部分。以下，分別進行介紹。

加速度+陀螺儀六軸感測器

加速度感測器概念介紹

線性加速度感測器又稱重力感測（G-Sensor），主要是提供速度和位移的資訊。加速度感測器應用，可以劃分為6大感應功能：墜落、傾斜、移動、定位、撞擊和震動。

加速度感測器原理

如圖1所示，為加速度感測器原理圖。其中，g-Cell（重力感測單元）感測器將偵測到的加速度信號送往電荷積分器做積分運算，接著經過取樣電路、保持電路及信號放大處理。最後，再經由低通濾波器過濾高頻雜訊，再經溫度補償後輸出，即是類比加速度信號。

圖1 : 加速度感測器原理圖

陀螺儀原理說明

若以物理觀點來看，繞一個支點高速轉動的剛體稱之為陀螺。陀螺儀的基本原理就是一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。因此，人們就根據這個原理，用它來保持固定的方向前進。

MPU-6050

本系統採用具備三軸加速度感測器+三軸陀螺儀所組成的MPU-6050，其共有24支接腳，主要使用介面為I2C以及SPI。MPU-60X0系列可支援VDD範圍為2.5V+/-5%、3.0V+/-5%或3.3V+/-5%。另外，MPU-6050還有一個VLOGIC接腳，用來為I2C輸出提供數位訊號。VLOGIC電壓可取1.8+/-5%或者VDD。如圖2所示，為MPU-6050接腳示意圖：

圖2 : MPU-6050接腳示意圖

藍牙模組

CC2541是低耗能系統單晶片，該 SoC 可在輸出功率?1MW 時，可將功耗降低 33%。在0 dBm 時，傳送電流?18.5 mA，並同時確保穩健的RF效能。其中，同時支援藍牙 4.0版以及250Kbps、500Kbps、1Mbps及2Mbps的專有模式。而其應用程式可直接寫入CC2541，其可同時支援類比與數位週邊介面。此外，透過以快閃記憶體為架構，韌體可快速更新，並可內建儲存持久性資料。

而CC2541與CC2540接腳對接腳相容，這有助製造商透過簡易移植現有設計來充分發揮省電的優勢。如圖3所示，為CC2541接腳示意圖。

圖3 : CC2541接腳示意圖

作品結構

硬體部分

如圖4所示，為本作品之硬體系統架構圖。其中，藉由G-Sensor及陀螺儀偵測幼兒的手部晃動，將以上資料傳至MCU做出LED、震動馬達以及湯匙上馬達的控制及顯示，並藉由CC2541藍牙裝置將數據傳送至手機APP中。緊接著，規劃外殼及外觀，將整體電路從麵包版移至利用3D印表機印製的模具內，在進行多次調整，規劃出接近產品化的作品。而透過這些數據的分析，即可讓新手爸媽能夠了解幼兒的食用狀況。

圖4 : 整體系統的架構示意圖

如圖5所示，為本作品的硬體方塊圖。我們使用一組I2C控制G-Sensor，GPIO來控制震動馬達及LED，並運用PWM控制湯匙上的馬達。最後，再使用UART來控制藍牙進行傳輸。

圖5 : 硬體方塊圖

如圖6所示，為本作品的硬體系統流程圖。當開啟功能後，即可抓取G-Sensor來偵測幼兒手部晃動，並針對手部晃動來調整湯匙上的馬達。最後，再將以上數據透過藍牙傳送至手機APP。

圖6 : 硬體系統流程圖

軟體部分

圖7為本作品之軟體系統流程圖，開啟功能後，可選擇分析或是紀錄功能。其中，分析功能為接收硬體傳送的數據並分析，得出幼兒食用時間、幼兒手部晃動幅度及次數，並且可以藉由記錄此數據，再透過記錄功能查看。此外，記錄功能則為一般重要記事、身高體重、歲數以及過去資料等功能。

圖7 : 軟體系統架構圖

測試方法

G-Sensor+陀螺儀六軸感測器測試

在此作品中，使用G-Sensor抓出手部晃動的數值，經由分析計算，配合演算法控制伺服馬達的角度進行調整，並藉由多次調整找出最理想的角度係數。如圖8所示，為G-Sensor+陀螺儀六軸感測器訊號測試圖。

圖8 : G-Sensor+陀螺儀六軸感測器訊號測試圖

藍牙模組測試

如圖9所示，為手機APP接收裝置資料示意圖。其中，手機APP接收裝置資料規則為每筆資料傳送包含晃動幅度開頭碼及晃動幅度等的兩個位元組。此外，先在電腦端用XCTU測試藍牙模組的傳送。再利用藍牙及開發的APP來接收湯匙傳出的數據，以便進行後續的分析。

圖9 : （上）手機APP接收裝置資料示意圖；（下）手機端接收藍牙數據測試示意圖

Android應用程式設計

如圖10所示，本作品以Android應用程式設計圖形化介面，使用者在開啟Android應用程式後，並可在主選單上選擇所需要使用的功能。以下，為各項功能的介紹：

圖10 : 主畫面選單操作示意圖

*數據分析：透過藍牙接收G-sensor+陀螺儀六軸感測器的數據，並且透過分析來讓家長知道幼兒使用湯匙的狀況。

*成長記錄：透過輸入幼兒的基本資料，並轉換數據之後可以得知幼兒目前的成長狀況。

*飲食記錄：可以每日記錄幼兒的飲食狀況。

結論

本作品以輔助幼兒進食為目的，希望可以減少新手爸媽育兒時的困擾，不管是在家裡或是到餐廳用餐都可以維護用餐環境的整潔。而透過手機APP的搭配與使用，進而分析幼兒用湯匙的方式，幫助幼兒可以健康地成長。

（本文作者許永和1、顏宏儒2、劉育如2為國立虎尾科技大學資訊工程系1教授、2學生）

參考文獻

[1] 吃的手部發展

http://baby.syinlu.org.tw/knowledge_detail.php?k=3&id=35

[2]藍牙BLE

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%97%8D%E7%89%99

[3]陀螺儀

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99%80%E8%9E%BA%E5%84%80

[4]藍牙BLE APP

https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html