4-1 媒材選擇
本研究系統設計主要開發環境使用 Arduino UNO 、Processing、無線傳輸部分透過 Zigbee 來設計雕塑資訊的實體互動系統，本章包含電路的搭配、媒材的選擇、介面處理、
溝通通訊的建立，基於開放原始碼的精神將實作內容忠實呈現，讓後續研究者得以繼續發 學在設計課上製作的 Performance By Behavior Registry，善用此特性製作一個輔助釣魚 學習裝置，此設計利用 LED 發出的亮光來展演一整個釣魚的過程，以一種表演形式呈現，
51
Figure 0-1 performance by behavior registry(鄭家凱, 2012)
4-1-1 步進馬達
步進馬達(Figure 4-2)是一種易於控制角度和轉動圈數的馬達，常見於需要精確定位的自動 控制系統(趙英傑, 2013)而因為本研究希望能夠被準確的控制體現出使用者所表現的行為 狀況，所以選擇於此。步進馬達種類大概分為四線式、五線式、六線式，原理大同小異，
必須透過磁場極性的變化來驅動馬達旋轉，而不同的馬達又不同的磁圈激磁方式，步進馬 達的驅動是將馬達轉一圈的動作分成解成好幾百個小步驟所完成，本研究因為需要讓馬達 本身具有被教導後的學習性，而初期實體實驗分別將各種步進馬達進行發電測試測試後發 現，可將 led 負極腳位插在五線式步進馬達的 COM 端上(如 Figure 4-3)，可透過五線式步 進馬達共 COM 的特性，將電流方向可產生可逆性結果，所以選擇了電流供應較為單純的 五線式步進馬達，實驗五線式馬達所產生的微小逆電流是否能成為有規律的訊息，進而將 此透過電腦整理演算。
Figure 0-2 各種步進馬達
(http://www.dimamotor.com.tw/product-detail-197560.html)
52 裝置的 Arduino 單晶片，由 Massimo Banzi 等人開發研製(Banzi, Cuartielles, Igoe, Martino, & Credits, 2006)，是一個開放原始碼(Open Source)的單晶片控制器。透過 Arduino 控制板加上簡單的電子零件，強調沒有機電背景的藝術家和設計師可以利用簡單 的 範 例 或 者 是 參 考 網 路 上 玩 家 分 享 自 己 的 案 例 迅 速 簡 單 的 整 合 互 動 作 品 原 形 (Prototype)，讓更多不同領域的人能夠製作自己的互動物件。因應各項不同使用者物件的 製作需求，Arduino 產生了許多不同的型號，例如: Arduino mini 板形態較為嬌小比較適 合製作小物件。
本研究初步階段以最為方便更改電路的 Arduino UNO 當作主要的單晶片控制器，利用此 來與電腦、步進馬達和人之間產生溝通並處理步進馬達的控制，但要精準的控制步進馬達 或馬達必須有機構負載時除了主要的單晶片外，通常都還會加上一顆驅動 IC 例如: L293d、
ULN2003。本研究在 3-1-1 所提到發現五線式步進馬達可成為感測器的可能性，選擇了五 線式的 HMS-61187 DC12VU 兩相激磁步進馬達，所以在晶片的選擇上以與五線式步進馬 達互相搭配的 ULN2003 作為驅動晶片，內部提供了七個達靈頓電晶體，主要作用在於當 大電流，避免單晶片損耗(孫駿榮 et al., 2010)。
Figure 0-4 Arduino UNO 和 Arduino IDE 編輯器 (http://zh.wikipedia.org/wiki/Arduino)
53
Figure 0-5 晶片 ULN200 控制五線式步進馬達
(http://www.eleccircuit.com/uln2003-control-stepper-motor-by-parallel-port/)
4-1-3 資訊視覺化
Processing 是一種開放式原始碼程式語言(Open-source Programming Language)，專 門為數位藝術和視覺互動設計領域的使用這設計，目的是透過可視化的介面輔助程式編寫 的過程，使用者透過此平台創作屬於自己的數位作品。最早在 2001 年由 MIT 媒體實驗室 Casey Reas 和 Benjamin Fry 開發此程式，主要架構於 Java 程式語言上，將其簡化再搭配 Open GL 生成 2D 或 3D 圖像，並且透過各種可視化的回饋和配各種電腦、單晶片的使用，
在互動設計領域上產生了更多的可能性，包含裝置、舞台、動畫以及資料視覺化(Fry & Reas, 2001)。本研究希望能夠讓設計師與藝術家非程式背景人也能夠將此研究階段延伸，所以採 用此開放式原始碼軟體。
Figure 0-6 processing 使用介面，左為圖像介面右為程式編寫介面
資訊的視覺化幫助本研究對於步進馬達本身成為感測器的階段性研究擁有莫大的幫助，在 未知的逆電流判斷上，將資料視覺化後更容易判斷出是否有類似用來驅動步進馬達激磁之 規律性，另外本階段研究透過 Arduino UNO 範例程式 Firmata Potocol 來和 Processing 電腦介面做序列阜溝通，直接在 Processing 做 Arduino 的編寫即可，無需來回在 Arduino
54
與 Processing 兩者介面之間交換更改，讓使用者可以更快速的判斷是否有規律的可能性，
並決定實驗是否有繼續的必要性。
4-2 電子電路設計與偵測資訊介面
Figure 0-7電路示意圖 [電子電路設計]
在實體拼接端大概可以分為總共四個部分 (Figure 4-7 ) A 部分為五線式步進馬達，B 部分 為 ULN2003 驅動晶片，C 部分為 LU-5 繼電器，D 部分為 Arduino UNO 板。為了能夠閱 讀步進馬達被旋轉過後所產生的資料量，將步進馬達原本用來激發電磁鐵的線路反接到 Arduino 的類比輸入端，透過使用者旋轉步進馬達過後，所產生的微量電流轉化成類比輸 入(AnalogINPUT)訊號分別為 A0、A1、A2、A3(如 Figure 4-8 左)，經由原本用來控制步 進馬達激磁的四隻腳位 A、 B 、/A 、/B(依序激磁如 Figure 4-8 右)，逆向進入 Arduino 類比輸入端，(如 Figure 4-9 F 部分)。
55
Figure 0-8 步進馬達使用圖
而本實驗除了讓步進馬達成為擁有感應和紀錄的能力外，還必須將紀錄之動作播放出來，
為了可以正規且順利的控制步進馬達，所以在電子電路上利用繼電器 LU-5(如 Figure 4-7 C 部分)設計了一個控制電流方向的機制，利用繼電器 LU-5 切換通到的特性，經由控制 Arduino PIN 12 腳位，在未通電的狀態下為偵測模式，讓步進馬達的第五隻 COM 腳接地 GND，而在通電過後讓 COM 腳轉為 12V DC 輸入，同時間也開啟對於 ULN2003 驅動晶 片主要供電需求，使步進馬達順暢運作。
Figure 0-9 初步實驗模組過程照片
偵測資訊介面
針對步進馬達被使用者旋轉過後所產生的資料處理，使用 Processing 做視覺的化介面，而因 應所得到的資料結果不同，循序的進一步修正資訊介面，總用分成 v1、v2、v3 三個版本，其 中 v1 為快速將資訊直接將資訊透明化，資料的安排上間隔也較為寬鬆，方便觀察並判斷是否 有繼續使用該素材知必要性。v2 版本為則為將資訊安排較為緊密，放棄原本因為速度所產生 的電流量大小之差異性，將主要目標轉為 Pin 腳先後順序所產生的方向性探討分析，方便觀察 電流進入單晶片後所產生的 Pattern。v3 版本為實體與虛擬同步進行，透過虛擬的圖形旋轉和
56
電腦運算所產生的數字，模擬真實步進馬達的旋轉狀態，檢驗是否正確的被電腦控制，檢驗實 體運算結果是否與原本預想相同。
圖像介面 v1
一開始以快速簡單的方式將資訊呈現(如 Figure 4-10)，每當類比輸入端一有電流進入，未必 免雜訊干擾，將感測數值設定為 20 左右，數值超過此限制值後，就將資訊輸入到 Processing 介面資訊完整的透過有如打孔般的在螢幕上呈現，將資訊依序在此介面可以看到深藍色方塊為 每個 PIN 腳所產生的電流大小，垂直方向依序代表步進馬達四項 A、 B 、/A 、/B(依序激磁) 也分別代表 Arduino 板 A0、A1、A2、A3 為，水平軸為時間方向，每一格只紀錄一次，每當 一有資料進入將會自動往右推一格。研究初步發現，旋轉的方向性所產生的圖騰似乎有某些規 律性，旋轉越大力(快速)所得到電流量也會隨之增大，透過對此狀況的理解，本研究決定先針 對方向性的探討，將圖行介面延伸為 v2。
Figure 0-10 資訊視覺化介面 v1
圖像介面 v2
v2 版本為 V1 版本之修正，將資訊的安排拉近，放棄原本因為速度所產生的電流量大小之差 異性，將主要目標轉為 Pin 腳先後順序所產生的方向性探討分析，而呈現資訊的方式為單一方 格化呈現，當資訊超過限制值後(過濾雜訊)，馬上將資訊呈現，更方便觀察電流進入單晶片後 所產生的 Pattern，進而可做進一步分析比對。
57
Figure 0-11 資訊視覺化介面 v2
圖像介面 v3
v3 版本為實體與虛擬同步進行，來回檢驗控制與感測結果，黑色點為每次步進馬達資料進入 量，電流量越大，黑色方快越長，另外透過虛擬方塊的圖形旋轉，並將旋轉角度放至側邊，當 步進馬達進行重複播放的同時虛擬的方塊如 Figure 4-12 圖右旋轉並模擬真實步進馬達的旋 轉狀態，白色數字為目前旋轉度數，檢驗是否有正確的被電腦控制、是否有失步問題或是程式 錯誤的部分，透過此實驗過程，讓實體運算結果是否與原本預想相同。
Figure 0-12 資訊視覺化介面 v3
4-3 控制機制與回饋機制判斷
本階段第一步驟為歩進馬達的學習機制研究，製作單元模組的判斷步機制系統，第一階段開始 將實驗預期結果設定為歩進馬達激磁的方向性與正向激磁方向相反，因為五線步進馬達的激磁 方式為兩項激磁，其中推測被旋轉後產生的激磁方式應該與控制時相反，所以可能的激磁方式 為如 Figure 4-13。
58
Figure 0-13 推測步進被旋轉產生的激磁現象
透過 Processing 來觀看步進馬達訊號源，來驗證是否與與預期結果相同，並且將結果訊號源 變成有用之資訊陣列，判斷其方向性並將其播放出來，本論文希望讓剛接觸互動科技的使用者 能夠了解其程式邏輯，以下將使用本程式設計邏輯之狀態機進行說明。
case 1:
開啟繼電器，讓步進馬達正常運轉一圈，測試馬達與機構是否正常運作，使用者也透過此來確 定電路是否正常運作，並將此裝置開啟，借由此來確定是否為非程式性的錯誤。
case 2:
為避免電流進入步進馬達，關閉繼電器，讓步進馬達進入偵測模式。
case 3:
59
Figure 0-14 判斷旋轉方向 pattern
進入偵測模式後，數位資訊經由序列阜溝通到電腦，透過 Processing 程式將資訊印在畫 面，判讀資訊內容是否有規律性的判斷，將電流量過小的資料雜訊去除過後並將資訊存入 陣列，如 Figure 4-15 發現如果將歩進馬達逆時針旋轉過後，電流量的進入將為 step1(A1、
A) - step2(A2、B) - step3(A3、/A) - step4(A4、B/)如果將歩進馬達順時針旋轉，電流量
A) - step2(A2、B) - step3(A3、/A) - step4(A4、B/)如果將歩進馬達順時針旋轉，電流量