TWI517110B - 隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具 - Google Patents

Description

隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具

本發明係學習方法之發明，經開發整合模組配對達成創意學習，除開發基本功能之主控模組和受控模組，亦整合一種具模組配對機制提供無線遙控功能的隨插即用，且能透過電壓偵測完成連接模組機制之互動裝置結構；特別是關於模組串接時，如何透過配對機制達成擴充不同情境下互動模組呈現的多樣性，提供兩種模組配對組態，其一為基本預設主動配對主控模組與受控模組，其二為手機介面更彈性設定主控模組與受控模組不需實體相鄰，並從而提高其在跨領域電子電機創意教具上應用。

以市面常見LEGO模組(如2011年IEEE Transactions on,EDUCATION,VOL.54,NO.3,pp.452-461和Parallax Inc.,http：//www.parallax.com/)、運動控制理論(如2010年IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，VOL.57,NO.10,pp.3297-3307)或馬達控制教學實驗版(如2012年IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION,VOL.55,NO.4,NOVEMBER,pp508-516)，採用方法多是提供整套硬體電路搭配韌體程式，並佐以必需之演算法則。固定實驗版進行科學工程教育實驗平台，容易受限於單一平台僅能進行特定主題的教學目標和培養實用技能。例如LEGO的教學平台受限於固定的硬體教學平台，韌體程式也僅能調整部分參數，學生能在平台上學習技能受限；部分教學平台可進行韌體更新，但受限於硬體電路，所提供硬體實驗項目有限，這類研究若在應用時都進行韌體調整會由於暫存器與連線的關係不明，而有不易調整缺點。

技術之方法LittleBits係使用模組區塊連接時，透過自動偵測達成系統 功能。透過任意組合模組達成吸引讀者進行學習以提升教學效果(http：//littlebits.cc/為公司網址，目前尚未有深入探討的期刊論文)。其特點是將電路腳位以固定形式作為溝通機制，但並未探討其實作硬體或韌體程式偵測串接模組所需複雜程度；相關資訊並未探討模組間協商方法(autonegations)，無法判斷是否透過具彈性通訊協定達成模組溝通及減少傳輸封包節省通訊頻寬；值得一提是該機制並未探討模組配對機制，且輸出模組多固定一種形式而不易產生更多種組合，提供創意發想的情境。

本創作以創新想法將不同輸入和輸出模組進行創意組合轉換成一個模組配對問題，因此聲音、光感測、電源供應、主控和無線網路協定及未來其他實用功能易整合至本作品。相較於現今相關文獻教具或專利，本創作除提供學習一般模組(主控模組和受控模組)之方法及創意發想情境之實現外，也提供熱插拔和模組擴充滿足使用者創意發想所需功能，且因主控模組與受控模組均包含微控制器可依照使用者設計程式，達成更高彈性度、更高準確性之教學應用。並且互動模組融入教學的結果，也因由於架構簡單容易使用混合無線通訊形式(手機通訊和無線網路)，透過手機介面動態更新一組或兩組以上之主控模組與一個或多個受控模組連線，將使用者命令傳輸至串接組態第一模組，並透過模組間協定傳輸資訊和命令，達成所有模組功能設定，手機介面設定具彈性允許主控模組與受控模組不需實體位置相鄰。可作為高中職生、低年級科大學生和非本科系學生學習平台，達成跨領域學習和創作的目標。

圖一為依照本發明關於「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」模組串接之基本組態示意圖。

圖二為依照本發明關於「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」模組串接之複合組態示意圖。

圖三為依照本發明關於「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」模組電壓偵測示意圖。

圖四為依照本發明關於「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」模組串接之使用手機進行模組組態設定程序。

圖五為依照本發明關於「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」之主控模組與受控功能模組間之簡單傳輸封包格式示意圖。

圖六為依照本發明關於應用「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」之主控模組(單Master)與受控功能(單Slave)模組間之複雜傳輸封包格式1。

圖七為依照本發明關於應用「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」之主控模組(單Master)與受控功能(雙Slave)模組間之複雜傳輸封包格式2。

圖八為依照本發明關於應用「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」模組具有的功能示意圖。

圖九為依照本發明關於應用「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」模組功能轉換為配對問題，舉IR sensor與五種輸出元件之產生五種配對之示意圖。

圖十為依照本發明關於應用「隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具」於跨領域學習之產品使用情境示意圖。

本發明之較佳方法示於圖一。模組串接組態包含供應電壓模組(power module)、主控模組(master module)和受控功能模組(slave module)三種。主控模組可發送命令給受控功能模組，受控功能模組於接受命令後，將會依照命令做出適當設定，然後依照命令反應。

圖二代表模組串接之複合組態較佳實施例。與圖一之第一種具體實施例不同的串接組態的韌體程式可以偵測兩組以上主控模組，這樣的改變可讓模組串接組態更一般化，透過額外韌體機制，讓使用者不限定串接組態僅能單一主控模組。

圖三關於模組電壓偵測示較佳實施例，針對圖一所提供基本模組串接組態，本電壓偵測模組可提供簡易卻有效的方法，對於每一個模組可快速偵測後面所銜接模組為何種功能組態，透過預先設定模組功能與偵測電壓的對應表格，值得一提為本作品的偵測電壓不需額外硬體和軟體。

圖四代表模組串接之無線網路態較佳實施例。第三種具體較佳實施例與第一種具體實施例不同的是在圖四中增列無線控制模組。串接模組的主控模組可透過無線網路接受 命令，讓遠端使用者透過無線機制傳遞命令給遠端的主控模組，主控模組再將命令傳遞給其他受控功能模組，讓每個受控功能模組做出適當輸出。透過這樣的機制可以讓設定者不必受限於電腦前才能控制遠端電子設備。

圖五代表應用主控模組與受控功能模組間之簡單傳輸封包格式具體實施例，封包格式將包含受控者編號和需要執行的命令內容。經由傳遞封包可以讓指定受控功能模組做出指定輸出行為。

圖六代表主控模組(單Master)與受控功能(單Slave)模組間之複雜傳輸封包格式1之第一種具體較佳實施例。與圖五第一種具體實施例不同的是在圖六採用基本的傳輸模式控制兩片主控板，單主控模組發送命令給單個受控功能模組，可以完整設定受控功能模組的輸出行為。

圖七代表之主控模組(單Master)與受控功能(雙Slave)模組間之複雜傳輸封包格式1之第二種具體較佳實施例。與第一種具體實施例不同的是在圖七中單一主控模組可以藉由命令達成控制兩個受控功能模組的初始化，並做出指定之輸出功能。

圖八代表模組具有的功能較佳實施例。所有模組可分主控模組與受控功能模組，未來有其他開發功能將可整合至這兩類模組，提升本作品之擴充功能性。

圖九代表模組功能轉換為配對問題之第一種具體較佳實施例。與圖一具體實施例不同的是在圖九將原本模組功能轉換成圖論配對問題，透過配對機制對主控模組和受控功能模組，可在設定情境功能提升輸出表現的種類。

圖十代表具跨領域學習之產品使用情境示意圖，透過本作品開發模組配對機制提高使用者的學習動機。與圖一實施例不同的是在圖十將說明跨領域學習優點，設計多種功能模組(以IR紅外線、LED漸層光條、超音波測距和聲音產生模組為例，實際應用不在此限)。設計產品使用情境，透過模組配對機制擴充使用範圍，並用無線網路設定使用情境提高使用者學習效率。

Power‧‧‧功率模組

Master‧‧‧主控模組

Slave‧‧‧受控功能

Vcc‧‧‧供應電壓

GND‧‧‧接地

RB‧‧‧電阻

Rf‧‧‧電阻

SCL‧‧‧串列傳輸時脈

SDA‧‧‧串列資料

Claims (8)

1. 一種具隨插即用與互動模組配對之創意學習電子教具，其包含：(a)提供跨領域學習，讓使用進行創意組合不同輸入和輸出模組，透過開發之互動模組配對機制提高學習動機和效率。(b)其中互動模組配對機制所需該主控模組及受控模組介面電路，皆可由微控制器硬體與軟體實現。該主控模組(及受控模組)由微控制器、輸入訊號按鈕、感應器模組及介面電路(電壓偵測電路，如圖一之R _B 和Rf)組成。軟體則依照需求設計並燒錄至微控制器，經模組連接互動後，以自動判定特定腳為電壓方式，產生對應功能。(c)其中該主控模組與受控模組具自動判斷模組前後相連之該主控模組與受控模組功能，此偵測功能可透過電壓數值偵測機制(voltage-detection)達成。透過調整介面電路兩電阻數值，達成特定腳位具不同電壓值，根據電壓值區分為主控模組或受控模組。(d)其中該主控模組與受控模組串接系統能以混合無線通訊方式(hybridwireless communication)，達成所有模組功能設定。第一步驟將使用者命令透過手機介面(操作螢幕按鈕)傳輸至無線網路方式，經無線方式將命令傳至串接組態第一主控模組，第二步驟使用模組間協定傳輸資訊和命令，設定與主控模組連接之其他模組。互動模組配對組態有兩種，一種是自動配對，一種是透過APP無線通訊配對。
2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中互動模組配對問題包含(i)由主控模組和受控模組組成之系統(對於僅有一個主控模組即稱為模組串接之基本組態，也能針對兩個以上主控模組進行配對。互動模組配對組態第一種是自動配對，配對模組一定要相連；第二種是透過APP進行無線通訊配對，配對模組可不相連。)，(ii)透過電壓偵測機制偵測互動模組間連接的模組型態(可讓主控模組對其他受控模組進行自動配對)，(iii)根據模組串接系統能以混合無線通訊形式將使用者命令傳輸至串接組態第一模組(此類配對設定可更有彈性，配對模組可不相連)，以及(iv)傳遞模組間協定傳輸資訊和命令，達成所有模組功能設定(此類設定可更彈性過傳輸資訊達成配對模組)。
3. 根據申請專利範圍第2項之方法，經過模組間協定傳輸資訊、資料傳遞目標位址、確定收到命令，達成所有模組功能設定，其中該互動模組配對組態包含(i)經電壓偵測機制偵測互動模組間連接的模組型態(ii)使用者透過混合無線通訊形式設定之所 有模組功能設定(此類設定可更有彈性，配對模組可不相連)。
4. 根據申請專利範圍第3項之方法，其中模組配對問題的初始化狀態，可以應用電壓為基礎的機制，透過預先設定電壓範圍得以判斷後續連接模組的功能型態(可讓主控模組對其他受控模組進行自動配對)。
5. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中使用模組串接組態能以混合無線通訊型式傳輸資訊的作法包含(i)使用手機設定組態後，由無線網路協定將使用者命令傳輸至串接組態第一模組，(ii)透過模組間協定傳輸資訊和命令，達成所有模組功能設定(此類設定可更有彈性，配對模組可不相連)。
6. 根據申請專利範圍第2項之方法，模組間通訊封包格式的作法包含(i)說明傳輸封包格式(介紹傳輸封包格式每欄位，含資料傳到目標位址、指令資料內容和確定有無收到旗標等，經封包格式達成指令傳遞)，(ii)基本串接組態實現單個主控模組和多個受控模組(說明該主控模組傳輸資料給單一該受控模組，傳輸封包格式欄位數值。當封包格式address數值為0x01，顯示該封包將傳遞至編號1該受控模組)，以及(iii)複合組態實現多個主控模組和多個受控模組之串接組態(說明該主控模組傳輸資料給兩受控模組，傳輸封包欄位數值。當兩個封包格式address數值分別為0x01和0x02，顯示兩筆封包將傳遞至編號1和編號2該受控模組)。
7. 根據申請專利範圍第3項之方法，其中模組串接組態具多樣性，包含(i)單一主控模組和單一受控模組、(ii)單一主控模組和多個受控模組、(iii)多重主控模組與多重受控模組，以及(iv)具無線通訊模組之式多重主控模組和多重受控模組(說明該主制模組和該受控模組所具之功能。該主控模組功能如感應器、超音波模組和按鈕輸入等；該受控模組功能如LED、蜂鳴器、伺服器馬達和直流馬達等。該模組配對產生配對具多樣性，若有5種主控模組和5種受控模組，至多為25種配對。為能清楚說明僅列一種主控模組與其他受控模組，圖中連線表示該主控模組連接任一受控模組，並產生配對)。
8. 根據申請專利範圍第1項之方法，除達成基本組態和複合組態達成一般教學教具功能外(對於僅有一個主控模組即稱為模組串接之基本組態，也能針對兩個以上主控模組進行配對。互動模組配對組態第一種是自動配對，配對模組一定要相連；第二種是透過APP進行無線通訊配對，配對模組可不相連。)，可進一步整合模組配對法則機制自動產生多種有意義的配對組合(說明該主制模組和該受控模組所具之功能。該主控模組功能如感應器、超音波模組和按鈕輸入等；該受控模組功能如LED、蜂鳴器、伺服器馬達和直流馬達等。該模組配對產生配對具多樣性，若有5 種主控模組和5種受控模組，至多為25種配對。為能清楚說明僅列一種主控模組與其他受控模組，圖中連線表示該主控模組連接任一受控模組，並產生配對)，以及混合無線通訊達成設定第一個主控模組及後續連接模組之功能(此類設定可更有彈性，配對模組可不相連)，跨領域學習之產品使用情境(第一階段創意地學習主控模組和受控模組，跨領域與企管系創意發想課程。第二階段設計教學情境，使用主控模組和受控模組實作情境所需功能)。