STEAM校園多事幹：拆解STEAM原理
【明報專訊】香港教育大學早前舉辦「粵港澳．中小學精英校際STEM智能家居創作大賽2018」，鼓勵同學多動腦筋，發揮創意，利用與STEM有關的工具如編程、3D打印、電子元件等，開發智能家居產品。聖愛德華天主教小學及英華小學的參賽作品分別奪得亞軍及季軍，讓我們看看它們的過人之處！
■作品一
魚樂無窮
設計原意
養魚須定期打理
養魚需要時間與心機打理，劉嘉璐(圖)有親身經歷，「我經常忘記餵魚及清洗魚缸，令魚兒捱餓且沒有良好生活環境，結果牠們便容易生病甚至死亡」。有見及此，同學便設計智能魚缸，利用編程解決問題。
原理一
電路板
電路板設定功能
智能魚缸上有5個按鈕，同學以電路板micro:bit設定不同功能，既可自動餵魚，又可提醒用家清潔。
原理二
編程
編程設定 定時餵魚
魚缸安裝摩打連接螺旋漿，轉動時可令魚糧跌入魚缸。從編程界面可見，用家按下A按鈕時，摩打會以70速度轉動，維持2000毫秒(即2秒)，熒幕會顯示「Feeding the fish」(正在餵魚)，相隔86,400,000毫秒後重複餵飼程序，共7次。
原理二
編程
裝有蜂鳴器及LED燈
魚缸連接蜂鳴器及LED燈，經過編程設定，按下D按鈕啟動計時172,800,000毫秒，到時蜂鳴器便響鬧，LED燈亦會亮起，熒幕則顯示「Wash the Fish Tank!」(清洗魚缸！)。若用家按下E按鈕，蜂鳴器及LED燈都會關閉，熒幕則顯示「Fish Tank is Clean!」(魚缸已清潔，圖a)。
■製作心得
裝嵌硬件最難忘
請教校工用電鑽
同學最深刻是硬件裝嵌，例如將按鈕固定於魚缸，「我們請教校工，先以電鑽打洞，再上螺絲，並用熱熔膠槍固定」，陳浩賢(圖)說。起初作品沒有電池位置，他們便以膠片製作尺寸合適的小盒子；螺旋漿也經改良，本來葉片太短難撥落魚糧，同學便加上膠片延長，「膠片不易屈曲，我們需要邊以熱熔膠槍黏貼，邊扭曲膠片，才能做到葉片形狀」，劉嘉璐說。
■作品二
智能門欄
超聲波感應
設計原意
利用高度差異
防止兒童亂入廚房
曾有兒童因誤進廚房被熱湯灼傷，同學留意到部分家庭或會在廚房入口安裝欄柵，但廖崇一(圖b)指出，這樣不便成人捧着菜餚或碗碟進出，「於是我們思考：可否有個自動門欄只擋住小朋友呢？」。透過超聲波距離感應器、伸縮桿等配合編程，智能門欄正式誕生！
原理一
超聲波
超聲波測距離 電路板控制門欄
兒童與成人的高度有明顯差異，智能門欄便利用伸縮桿將超聲波感應器固定在高處。成人經過時感應器會傳送資料到mBot電路板，啟動程式控制門欄上的摩打轉動，摩打與車輪連接，車輪向前行時會帶動門欄開啟。
■STEAM知多點
人類耳朵聽不到的聲波
人類耳朵只能分辨頻率20至2萬赫的聲音，頻率高於此範圍的就是超聲波。由於聲波遇到障礙物會反射，只要分析回傳時間就可計算障礙物距離。同學設定的超聲波感應器以約50厘米為探測距離，感應器會探測到走進範圍內的成人。
原理二
限位開關
限位開關叫停摩打車輪
車輪不能無止境前進，門欄打開後該何時停止呢？這視乎門鉸所設的限位開關。它是個輕力觸碰就能感應的按鈕，門欄開盡時會觸碰到，從而指令摩打停轉，超聲波感應器偵測不到有人站在門前，就會使摩打及車輪帶動門欄關上。門欄下方同樣設有限位開關。
設計智能門欄要面對多個問題，同學如何解決？
1. 如何將摩打固定於門欄上？
需要尺寸及形狀合適的支架，少許誤差都會影響門欄開關。經過多次畫圖及度尺，同學利用3D打印出理想零件。
2. 車輪轉動時會凌空，無法帶動門欄開啟，怎樣可令車輪壓在地面？
同學在3D打印支架的鉸位套上橡筋，藉拉力使車輪盡量緊貼地面。
■製作心得
「做出幫助社會的作品」
產品經過同學多番努力後終面世，廖崇一說：「最開心是可利用產品告訴公眾，不止發明家及建築師可設計智能家居產品，只要我們細心思考，其實也能做出作品幫助社會。」
■情報
「粵港澳．中小學精英校際STEM智能產品創作大賽2019」現正接受報名，參考過上屆同學的得獎作品，你有設計意念嗎？
■STEAM知多點
物件扭轉的力
車輪移動帶動門欄開關是與力矩相關。門鉸在任何時候都固定，可被視為支點。車輪向前走會帶動門欄以順時針方向旋轉；車輪向後走則會帶動門欄以逆時針方向旋轉；這種使物件扭轉的力稱為力矩(moment)。
■考考你
1000毫秒等於1秒，
以下數值分別等於幾多小時？
1. 86,400,000毫秒
2. 172,800,000毫秒
(1. 24 2. 48)
■關鍵詞
智能家居 smart home
魚缸 fish tank
門欄 gate
超聲波 ultrasound
■想一想
你會為家居設計什麼智能產品呢？
文：李嘉鈴
圖：李嘉鈴、受訪者提供
[常識學堂 第130期]
