前言

一般来说，幼儿大约从1~2岁开始学习自己吃饭，汤匙是幼儿学习自己吃饭第一种接触的餐具，但因为不熟悉使用方法，每次总会吃得到处都是，可能一碗饭有半碗会洒在外面，不仅造成许多新手爸妈的困扰也很浪费食物。而幼儿在成长的过程中，不同时​​期与年龄在进食时都有不同的手部发展过程，例如：当九个月大时，自己用手拿东西吃；并会抓握汤匙敲打[1]。

目前市面上辅助幼儿进食的学习汤匙，都是以改变汤匙的外型为主。而本作品除了增加G-Sensor感测功能，能够校正汤匙角度，并配合记录幼儿成长的APP，透过蓝牙将感测到的数值传送到手机端。

最后，我们可以透过此作品来了解幼儿使用汤匙的手部动作与操作方式。

系统特色

本作品的创作目的是为了让幼儿学习如何使用汤匙，及辅助幼儿进食，进而减少新手爸妈对幼儿独自使用汤匙的困扰。此外，透过手机APP完整记录幼儿的饮食状况，提供一个整洁、舒适与安全的用餐环境，进而帮助幼儿在安全与健康地环境中成长。以下，列出本系统的特色：

功能性

--马达校正摆动幅度，让食物不要洒落于汤匙外。

--手机APP记录幼儿的进食状况。

--可透过USB充电。

创新性

--自行开发​​设计手机APP以符合使用者需求。

--增设充电装置。

--判断动作产生相对抵销力，让食物不要洒落于汤匙外。

实用性

--帮助幼儿学习使用汤匙。

--辅助幼儿进食。

--维持用餐环境整洁。

--完整记录幼儿成长状况。

工作原理

本作品使用盛群半导体的HT66F70A 与G-Sensor+陀螺仪六轴感测器、伺服马达、BLE蓝牙、LM1117-3.3稳压IC等元件所设计而成。其中，主要的工作原理包含G-Sensor+陀螺仪六轴感测器与蓝牙模组等部分。以下，分别进行介绍。

加速度+陀螺仪六轴感测器

加速度感测器概念介绍

线性加速度感测器又称重力感测（G-Sensor），主要是提供速度和位移的资讯。加速度感测器应用，可以划分为6大感应功能：坠落、倾斜、移动、定位、撞击和震动。

加速度感测器原理

如图1所示，为加速度感测器原理图。其中，g-Cell（重力感测单元）感测器将侦测到的加速度信号送往电荷积分器做积分运算，接着经过取样电路、保持电路及信号放大处理。最后，再经由低通滤波器过滤高频杂讯，再经温度补偿后输出，即是类比加速度信号。

图1 : 加速度感测器原理图

陀螺仪原理说明

若以物理观点来看，绕一个支点高速转动的刚体称之为陀螺。陀螺仪的基本原理就是一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。因此，人们就根据这个原理，用它来保持固定的方向前进。

MPU-6050

本系统采用具备三轴加速度感测器+三轴陀螺仪所组成的MPU-6050，其共有24支接脚，主要使用介面为I2C以及SPI。 MPU-60X0系列可支援VDD范围为2.5V+/-5%、3.0V+/-5%或3.3V+/-5%。另外，MPU-6050还有一个VLOGIC接脚，用来为I2C输出提供数位讯号。 VLOGIC电压可取1.8+/-5%或者VDD。如图2所示，为MPU-6050接脚示意图：

图2 : MPU6050接脚示意图

蓝牙模组

CC2541是低耗能系统单晶片，该 SoC 可在输出功率?1MW 时，可将功耗降低 33%。在0 dBm 时，传送电流?18.5 mA，并同时确保稳健的RF效能。其中，同时支援蓝牙 4.0版以及250Kbps、500Kbps、1Mbps及2Mbps的专有​​模式。而其应用程式可直接写入CC2541，其可同时支援类比与数位周边介面。此外，透过以快闪记忆体为架构，韧体可快速更新，并可内建储存持久性资料。

而CC2541与CC2540接脚对接脚相容，这有助制造商透过简易移植现有设计来充分发挥省电的优势。如图3所​​示，为CC2541接脚示意图。

图3 : CC2541接脚示意图

作品结构

硬体部分

如图4所示，为本作品之硬体系统架构图。其中，藉由G-Sensor及陀螺仪侦测幼儿的手部晃动，将以上资料传至MCU做出LED、震动马达以及汤匙上马达的控制及显示，并藉由CC2541蓝牙装置将数据传送至手机APP中。紧接着，规划外壳及外观，将整体电路从面包版移至利用3D印表机印制的模具内，在进行多次调整，规划出接近产品化的作品。而透过这些数据的分析，即可让新手爸妈能够了解幼儿的食用状况。

图4 : 整体系统的架构示意图

如图5所示，为本作品的硬体方块图。我们使用一组I2C控制G-Sensor，GPIO来控制震动马达及LED，并运用PWM控制汤匙上的马达。最后，再使用UART来控制蓝牙进行传输。

图5 : 硬体方块图

如图6所示，为本作品的硬体系统流程图。当开启功能后，即可抓取G-Sensor来侦测幼儿手部晃动，并针对手部晃动来调整汤匙上的马达。最后，再将以上数据透过蓝牙传送至手机APP。

图6 : 硬体系统流程图

软体部分

图7为本作品之软体系统流程图，开启功能后，可选择分析或是纪录功能。其中，分析功能为接收硬体传送的数据并分析，得出幼儿食用时间、幼儿手部晃动幅度及次数，并且可以藉由记录此数据，再透过记录功能查看。此外，记录功能则为一般重要记事、身高体重、岁数以及过去资料等功能。

图7 : 软体系统架构图

测试方法

G-Sensor陀螺仪六轴感测器测试

在此作品中，使用G-Sensor抓出手部晃动的数值，经由分析计算，配合演算法控制伺服马达的角度进行调整，并藉由多次调整找出最理想的角度系数。如图8所示，为G-Sensor+陀螺仪六轴感测器讯号测试图。

图8 : G-Sensor陀螺仪六轴感测器讯号测试图

蓝牙模组测试

如图9所示，为手机APP接收装置资料示意图。其中，手机APP接收装置资料规则为每笔资料传送包含晃动幅度开头码及晃动幅度等的两个位元组。此外，先在电脑端用XCTU测试蓝牙模组的传送。再利用蓝牙及开发的APP来接收汤匙传出的数据，以便进行后续的分析。

图9 : （上）手机APP接收装置资料示意图；（下）手机端接收蓝牙数据测试示意图

Android应用程式设计

如图10所示，本作品以Android应用程式设计图形化介面，使用者在开启Android应用程式后，并可在主选单上选择所需要使用的功能。以下，为各项功能的介绍：

图10 : 主画面选单操作示意图

*数据分析:透过蓝牙接收G-sensor陀螺仪六轴感测器的数据,并且透过分析来让家长知道幼儿使用汤匙的状况。

*成长记录：透过输入幼儿的基本资料，并转换数据之后可以得知幼儿目前的成长状况。

*饮食记录：可以每日记录幼儿的饮食状况。

结论

本作品以辅助幼儿进食为目的，希望可以减少新手爸妈育儿时的困扰，不管是在家里或是到餐厅用餐都可以维护用餐环境的整洁。而透过手机APP的搭配与使用，进而分析幼儿用汤匙的方式，帮助幼儿可以健康地成长。

（本文作者许永和1、颜宏儒2、刘育如2为国立虎尾科技大学资讯工程系1教授、2学生）

参考文献

[1] 吃的手部发展

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

[2]蓝牙BLE

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

[3]陀螺仪

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

[4]蓝牙BLE APP

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