摘要

本研究計畫目標在設計一套數位化的智慧型水幕，使用者利用Android智慧型行動裝置上的App與Arduino控制的數位水幕配合來達到即時性地變換水幕所顯現的圖案或文字。雖然現今商業市場上有許多數位水幕的產品。然而除了價格高昂之外，並不能快速簡單地透過智慧型手持裝置來快速地下達指令，因此希望能妥善地結合App與Arduino水幕的功能，使得水幕顯示功能更具多樣性。
關鍵詞 : 嵌入式系統、行動裝置、Arduino、視覺藝術

研究動機

現代的視覺藝術，科技藝術可說是新興創作型態中不容忽視的一環，也在現代藝術裡佔有一席之地。數位水幕是一種透過微電腦控制多個電磁水閥的開關達到使無數的水滴在指定的時間停留在空中指定的位置而將微電腦中欲顯示的圖形以水滴排列方式重現在空中的設備。這是有別以往的水幕投影，看似水滴直直落，卻可以清楚地排列出文字或圖案。

研究目的

本計畫主要分成三大部分，APP 製作及訊號發送、Arduino程式設計、整體電路及結構設計，在APP製作及訊號發送上，如何方便使用者操作並與Arduino溝通；在Arduino程式部份，如何控制繼電器開關以配合電磁閥水流的解析度；整體電路及結構設計方面，像是要如何測量水幕高度、用較少的零件來減少成本來達到最佳水幕解析度、避免電路遇水毀損，這些都是我們要研究探討的問題。

系統架構

系統架構主要分成三大模組，分別為Android APP模組、Arduino控制模組及繼電器-電磁閥模組，其架構圖如圖2-1所示，其中Android APP模組負責接收使用者的輸入-圖案或文字以及輸出訊號至Arduino控制模組；Arduino控制模組則是接收處理APP發出的訊號，而後透過內部程式的處理來控制繼電器的開關；繼電器-電磁閥模組主要是調整水幕高度、水流開關的時差及大小以符合顯示畫面的解析度。

系統流程

分為發送端與接收端，使用者透過App及行動裝置之藍芽發送協定，再經由等候接收訊號之Arduino進行處理，最後選擇指定程式來傳送控制訊號，以繼電器來控制電磁閥。

執行示意

使用者選擇愛心圖案，透過App發送藍芽訊號，經由Arduino接受訊號並處理後，控制繼電器來進行電磁閥的開關，產生愛心圖案之水幕。

硬體及開發工具

Arduino UNO 開發板
• 大小尺寸寬 70mm、高 54mm
• Digital I/O 數位式輸入/輸出端共 0~13
• Analog I/O 類比式輸入/輸出端共 0~5
• 支援 USB 接頭傳輸資料及供電（不需額外電源）
• 自行供應電源時，建議使用 5V~12V DC 輸入；輸出電壓 5V DC
繼電器－電磁閥模組
八路繼電器模組是用Arduino提供之5V直流電源來將電源供應器的12V直流電源轉接給電磁閥使用。繼電器上用常開NO端、常關NC端及共用COM端，本專題透過控制電流來將NO端與COM端接合，提供外接的12V電源。
GC2B 水用電磁閥(12V)
• 常閉 1/4牙口，塑膠閥體
• 直動式、 常閉型
• 反應時間 : 6-20 毫秒
• 使用範圍
介 質 : 水
溫度範圍 : 0℃ 至 100℃
環境溫度 : -10℃ 至 +40℃
• 結構材料
磁頭和可動鐵 : 不銹鋼430 FR
密封材料 : EPDM
閥體材料 : PP + FIBER GLASS
• 電氣特性
電 壓 : DC 12V
電壓允許變動 : -10% 至 +10%
連續使用 : 100%
導線長度 : 30 CM (12")
藍牙模組
DF bluetooth v3模組，它主要用序列傳輸 (TX, RX) 來跟ARDUINO 做溝通。以下為其規格說明：
• 晶片: CSR BC417143
• 藍芽協定: Bluetooth Specification v2.0 +EDR
• 功率: ≤4dBm, Class 2
• 傳輸距離:20-30 in free space
• 傳輸速率: Asynchronous: 2.1 Mbps (Max)/160 kbps;
• 電源供應: +3.5V-+8V DC/50 mA
• 大小: 43x19.3x11mm
• 預設序列設定: 9600/N/8/1
Arduino 1.0.5
以AVR-GCC和其他一些開源軟體為基礎,採用Java編寫開發環境使用的語法與c/c++相似,非常容易使用
Android Studio
一個為Android平台開發程序的集成開發環境，基於JetBrains IntelliJ IDEA，為Android開發特殊定製，並在Windows、Mac OS X和Linux平台上均可運行。

成果展示

進入Water App，如圖所示，打開行動裝置的藍芽，選擇連接Arduino上藍芽模組Bluetooth_V3，最後使用者挑選欲呈現的圖形後送出訊號。

結論

在此項研究成果中，根據使用者輸入至App之圖案，此系統會將內容傳輸至Arduino 模組上透過程式進行處理，最後輸出電流來控制繼電器的開關，驅動大電壓外部電源來啟動電磁水閥的開關，使水幕即時顯現出使用者需求之圖案。
透過此研究計畫的執行，我們建立出一套方便使用者利用智慧型手持裝置即時控制的數位化水幕，透過App 與Arduino 的配合來達到變換水幕的圖案的可能性，使水幕有更加多樣性的變化。除此之外，此水幕若在改良後，如增加圖案或文字後，也能在公共設施前用於迎賓或設施入口的意象表達並且達到美化環境的效果。

未來展望

如果能透過精準的設計以及精密的計算，讓機器來製造出更精準更多電磁閥的水幕，解析度、圖案以及文字的種類就能夠大幅提升，此外還可以加上LED燈投射，增加色彩的多樣性，最後甚至能嘗試做成三維立體的水幕，呈現更賞心悅目的視覺藝術。在行動裝置App改良上，未來期待可以即時性地繪畫或書寫，直接讓水幕顯現使用者的需求，以及擴展行動裝置的平台到iOS作業系統等。

製作心得分享

專題過程中，我們學習到了Arduino端的程式設計，包含圖案的開關控制以及藍芽接收端的程式，透過系上微電腦數位實習的課程學習到的Arduino程式設計來編寫簡易又可行的程式，和透過處理簡單的0,1,2,3來作為藍芽接收端的協定程式。除了過去的課程沒有類似的實作經驗外，要如何對自己有助益的資料迅速妥善地統整並用自己的方式闡述，就是在專題過程中時，才慢慢地掌握到相當的技巧。
此外，我們學習到最特別的地方，就是要如何組合水管而且使其不漏水，像是防水膠帶的纏繞方式等，以及要如何使得電磁閥出水口能夠鎖得平整，這都是在實務經驗上才碰得到的問題，也因此去請教了有相關水電背景的老師，這些都是資工領域不易接觸到的部分。另外電路部分因為沒有相關的背景知識，所以大家為了搞懂每個元件的控制就花去了不少時間，例如：元件之間需要接共地來達到訊號同步，減少雜訊的干擾，也是琢磨了很久才經由老師提點得知，這讓我們知道做任何研究切勿閉門造車，透過請益和彼此間的討論才能有更有效率的進步，就像牛頓的經典名言所述：「如果我看得比別人更遠，那是因為我站在巨人的肩膀上」。最後，過程中團隊默契的培養過程、辛苦的製作經歷以及專題最後的小小成果，都是讓我們值得一一回味的喜悅。