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以RFID讀取器模組製作之互動式幼兒學習機
MCU創意設計與應用系列(15)

【作者: 施松村、陳沛妘、吳東錦、朱諺汝】   2009年05月05日 星期二

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在現代雙薪的社會中,大多數的家長忙於工作事業,而將小孩的學齡前期教育交給了安親班或是幼稚園,雖然部分孩童還是有學到了英文、中文的基礎字母、數字,但是也因為如此,在孩子心中亦也增加了與父母親之間的陌生感。


本作品製造孩童與家人之間的互動學習的機會,不僅可以學習英文、數字為日後的學習路程裡,打下良好的基礎,亦可以在學習的過程中,慢慢一點一滴的拉近親子關係,讓孩童熟悉父母的陪伴,而不會造成小孩長大後對父母親的陌生距離感,甚至恐懼感。


本作品採用與孩童快樂互動的方式來踏入學習的領域,不會讓孩童感到學習的困難,在過程中學習到英文及中文的基礎字母以及數字。當感應到卡片時自動發聲並顯示字,讓孩童可以知道如何去讀音,並且了解英文字母以及數字的樣子。


本作品因應現在電腦在家庭中的普及率節節高升,加上了可連接電腦的模式,與電腦做學習上的互動,以較大螢幕呈現出感應到的英文、數字搭配圖片,利用圖片的方式加速孩童的記憶、學習力,並且以電腦喇叭發聲。另外在使用電腦模式時,我們加入了小測驗的功能,當孩童認為自己學習足夠想要驗證自己是否有了解或是家長想要了解孩童是否有學習到,就可以利用此功能來做一個了解。讓孩童或家長了解到孩童哪裡學習較為欠缺或是孩童的學習進度到了哪裡。


(表一) 與其他作品之比較

??比較項目

B.B.L

插卡式

按鍵式

活動字卡

×

卡片遺損處理方式

只需取得新的Tag,再次燒入遺損Tag的產品碼。

購買新的卡片,可能還需買整套。

按鍵損壞相當麻煩,甚至修理還比購買新的費用還要高。

卡片遺損成本

最低

最高

卡片壽命

 

連結電腦

×

×

 

增加功能的方便

 

最佳
電腦模式只需更新程式與資料庫;硬體模式需更改硬體電路與程式。

較佳
整體需要更改但卡片較於按鍵式需多按鍵的方便度,則為較佳。

最差
按鍵和整體的更改,較於左列兩者為差。


本作品有鑒於一般市面上幼兒學習機,絕大部分皆使用按鍵式或插卡式,而按鍵式因按鍵已鑲嵌在硬體,在應用於教學互動上(例:幼稚園教師與小朋友的互動)會較不活潑,雖然插卡式有別於按鍵式可隨意拿取,但卡片材質易折損,卡片一經折損就無法使用了,插卡式的壽命也會相對的減少,而且幼兒學習機是針對小朋友,當然使用者也是小朋友,使用上小朋友也會因插卡時,沒對準插卡槽,而使卡片折損。本小組也曾至銷售幼兒學習玩具之櫃台詢問過幼兒學習機的市場接受度,由此得知大眾接受度不是很高,原因是幼兒學習機的使用不是很方便、發音不夠順暢及標準,所以才會造成一般父母較沒有購買的意願。


作品創新性

本作品使用盛群HT672A RFID讀取器模組來設計製作,運用其可讓使用者於生產過程自行燒入規劃的產品碼與所配合Reader線路完全相同之特色,因此如果Tag遺失或毀損(絕大部份是遺失,Tag在很惡劣環境還是可以正常運作),只要購買一塊新的Tag,再燒入該遺失Tag的原訂產品碼,而避免Tag遺失所造成的麻煩。然而本作品也針對發音的問題,增加可連接至電腦之功能,連結電腦之原因,是欲藉電腦的聲音處理功能來解決機器發音的問題,也大幅降低學習機本身的成本。


工作原理

作品功能

  • (1)電源開啟,經由紅外線感測。


  • (2)當紅外線感測到物品靠近,則開始RFID讀取偵測。


  • (3)Tag靠近,Reader讀取Tag之內容。


  • (4)Reader將讀取到的信號傳到HT46R232做辨識。


  • (5)HT48R06再做模式選擇。


  • (6)如果選擇獨立模式,則經由HT46R232編碼顯示於LCD。


  • (7)並由錄音IC發出該字的聲音。


  • (8)如果選擇電腦模式,則由HT46R232串列傳輸至HIN232。


  • (9)由HIN232轉換電路給RS-232再傳給個人電腦(PC)。



主要核心功能

本作品應用HT46R232的功能可分為獨立模式以及電腦模式:


在獨立模式中,HT46R232等待含RFID Tag的絨布圖卡靠近Reader時,當Reader感應出資料後,傳給HT46R232,HT46R232再做資料處理,並執行輸出至LCD顯示且播放該資料之對應語音內容。


在電腦模式中,HT46R232等待含RFID Tag的絨布圖卡靠近Reader時,當Reader感應出資料後,傳給HT46R232,HT46R232接收到Reader傳輸的資料後,再加以判讀,經由HIN232做準位轉換後,再經由通道RS232傳給電腦,讓電腦顯示資料,做更多樣化多媒體的互動學習方式。


本作品使用盛群的RFID Reader標準版,透過Reader產生13.56MHz的RF能量,經天線傳輸出去,提供Pump up voltage(提升電壓) 給Tag經過濾波整形後,做為Tag整個系統電壓使用之需,此時Tag內部的128bit資料會連續的輸出而與Reader的13.56MHz RF信號調變,而產生了ASK信號,再經由天線將ASK信號送到Reader的解調電路(波峰檢測)將RF(13.56MHz)濾除,只剩下所需資料信號,再經由放大電路,將信號放大送到HT46R232做控制。



《圖一 Reader標準版方塊圖》
《圖一 Reader標準版方塊圖》
《圖二 Tag外部結構圖》
《圖二 Tag外部結構圖》

《圖三 內部方塊圖》
《圖三 內部方塊圖》

作品結構

硬體部分

本作品具有兩種連接方式,分別為電腦模式、獨立模式。


  • (1)電腦模式:讀取HT672A Tag訊息後,Reader上的MCU以串列傳輸之方式,利用HIN232轉換電位,經由RS-232,將資料傳至電腦上判斷處理。


  • (2)獨立模式:讀取HT672A Tag訊息後,Reader上的MCU以串列傳輸之方式,傳至另一顆MCU,利用MCU內儲之程式,將資料轉為喇叭及LCD模組要顯示之訊息。



軟體部分

HT46R232的韌體設計

  • (1)開始介面;


  • (2)紅外線感測是否有靠近;


  • (3)判別為獨立或電腦模式;


  • (4)獨立模式時,顯示該字並發聲;


  • (5)電腦模式時,再加串列傳輸顯示至電腦。



Visual Basic 介面

設定兩種學習的方法使學習更快樂及有效:


  • (1)開始介面;


  • (2)學習功能(由小朋友拿取想學習的圖卡藉由RFID讀取後,讓學習機發音及顯示圖像);


  • (3)測驗功能(由學習機發出訊息,讓小朋友找尋答案拿取正確的圖卡,藉由讀卡判定對錯)。



《圖四 硬體部分》
《圖四 硬體部分》
《圖五 韌體程式流程圖》
《圖五 韌體程式流程圖》

測試方法

測試環境

學習機只需要在任何平坦的桌面或平台都可以進行學習的工作。


測試方法

獨立模式

一開始先拿想要學習的圖卡至學習機讀取台上讀取,則學習機即會發出該卡片所要教學之聲音並且在LCD顯示卡片上所要學習字母或數字。


電腦模式

和獨立模式的步驟一樣,也是將想要學習的圖卡拿至學習讀取台上讀取,並把與電腦連結RS232的線連接至學習機的RS232埠上面,當進入電腦模式中的學習模式時,讀取平台會在感應到RFID圖卡的資料後,於電腦上顯示教學軟體部分並顯示該教學圖片和教學聲音;如果是進入測驗模式時,電腦會隨意產生一個亂數字母或數字,接下來只要讓學習機讀取台讀取到正確的字母或數字圖卡就可以得到鼓勵,如果放置的圖卡不對則會顯示「加油!你一定做得到! 」等鼓勵字句。


軟體介面

本作品於作答錯誤時,無任何警示視窗及音效,直到使用者作答正確才會出現鼓勵視窗及音效,此構思為避免幼兒於學習過程中飽受挫折,而失去學習動力與自信心。


《圖七 測驗模式》
《圖七 測驗模式》

外觀包裝設計

Tag的部份(如圖十八),是個非常簡易的外型,且無任何標記指示,所以本小組設計了符合幼童們學習的外包裝,外包裝的構思有設想到對幼童會不會造成傷害(例如:刺傷眼睛等),所以選擇柔軟的不織布為基底材料,然後再將可愛與色彩繽紛的圖案手工縫製上去,本組製作的外包裝是雙面的,一面是字母(如圖十九),一面是圖案(如圖二十)。本作品使用的Tag總共36個,而之中包括10個為數字0~9,26個則是英文字母A~Z。


結語

本作品為一運用RFID科技的互動式幼兒學習機,採用盛群之HT672A RFID讀取器模組來設計製作。本作品不僅可於家庭中使用,也可於幼稚園、補習班與托兒所等場所使用。本作品並預留一些擴充介面的空間,可方便於商品化後擴充增加功能的設計,同時本作品也有實地於托兒所使用實驗過,小朋友普遍的接受度頗高。由此可知,本作品可讓小朋友在學習之餘,有學習之樂趣,換句話說就是讓小朋友在玩樂中無壓力的學習,且希望小朋友在後續未來的發展中可以提升想像與創造能力,而不是像當下台灣制式的填鴨式教育使小朋友的想像創造能力被受限制與壓抑。


參考文獻

  • 1. 鐘啟仁,”HT46xx微控制器理論與實務寶典”,全華科技圖書


  • 2. 王國榮,”新觀念的Visual Basic 6.0教本”,旗標出版社


  • 3. 范逸之、陳立明、賴俊朋,”Visual Basic與RS232串列通訊控制”,文魁出版社


  • 4. VB Tceh Lab. & 瀨戶 遙,”嗯!Visual Basic入門應用”,博碩文化


  • 5. 張慶龍,”單晶片控制與網路傳輸應用-使用HT48R系列晶片”, 全華科技圖書


  • 6. http://www.vbex.net/,VB範例網


  • 7. http://www.holtek.com.tw/chinese,盛群半導體公司


  • ---作者施松村為正修科技大學電子工程系副教授;陳沛妘、吳東錦、朱諺汝為該系研究生---


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