摩斯密碼氣壓機

資料來源
58-03
 


文/李柏翰


一個偉大的夢想航程必來自一個啟航港口;一個優秀的科學作品必源自一個創意點子。

臺灣師大附中(以下簡稱本校)的Lorenz Lab對於IoT(Internet of Things,物聯網)的MorSenor使用與操作,已經有幾年頭,因為和國立台灣科學教育館蘇萬生博士進行過不少次探究活動的合作,再加上我們也開發許多的培訓師資課程,我們對於MorSensor的認識也是很深入的,尤其是其中的氣壓感測晶片,使用上更是非常地熟悉。然而對於更精細的物理波動訊號是否能夠如期偵測,這個倒是我們目前無法得知,於是我便委託我實驗室的同學陳柏翰等人進行一系列的精細量測,例如密閉容器中突然射入雷射光束,藉由瞬間加熱空氣柱看看是否能用MorSenor氣壓感測晶片來捕捉氣體膨脹後微弱的氣壓波動微擾訊號,這個精細實驗如果可以成功,那麼就意味著使用MorSenor晶片量測進行各種實驗設計充滿無限的可能。倘若成功,我們將進行摩斯密碼在資訊傳遞的另類設計。本文介紹微弱傳輸氣壓波動微擾訊號的預實驗以及摩斯密碼氣壓機的設計與製作。

  微弱傳輸氣壓波動微擾訊號的預實驗

實驗一:接收壓力波之信號

(一) 實驗目的

利用MorSensor觀測物理撞擊、雷射脈衝造成之壓力波,並透過App將MorSensor讀取之數據儲存並線性化,做成壓力-時間圖以利分析,判斷MorSensor晶片是否可以偵測微弱訊號,利用敲打震波來做氣壓變化量實驗設計,如示意圖1(a)。

(二)實驗過程

1.放置MorSensor、若干螺絲蠟燭置於倒置之玻璃箱中,如圖1(b)所示。螺絲蠟燭用途為製造微粒,利用米式散射顯示出雷射光之軌跡。
2. 點燃螺絲蠟燭、打開MorSensor,置入玻璃箱內,確認玻璃箱已經密合。
3. 待蠟燭熄滅、氣壓穩定後,將架設好Arduino板控制之雷射光,準備發射雷射光,如圖1(c)-1(e) 所示。
4. 以開關控制,藉由摩斯密碼表的定義打出長、短之光訊號。
5. 觀測氣壓壓力之變化,並以App記錄其數據折線圖(壓力-時間作圖)。
6. 利用Cross Correlation 關聯性分析方法來分析數據,並且對照摩斯密碼表解碼。
7. 結束實驗。

圖1-1. 實驗設計初步預想圖--以App記錄之震波壓力-時間,壓力變化(滴,一短音;答,一長音)代表震動訊號


圖1-2. 利用3D列印開發出1格、2格、3格、4格的載具,方便裝載MorSensor測定晶片積木,圖中與玻璃缸放置一起比較,小玻璃缸(23×15×17 cm)和中玻璃缸(35×20×23 cm)用於產生密封空間以穩定氣壓。


圖1-3. 設計出Arduino雷射光控制裝置。因要傳播摩斯密碼需要精準之時間控制,故使用Arduino板自製Arduino雷射光控制裝置(使用Arduino板、繼電器模組、高功率綠光雷射、按鍵式開關),即可利用操作搭配程式輕鬆做出精準之實驗


圖1-4. Morsensor 氣壓測定晶片置入密閉玻璃魚缸,蠟燭燃燒完畢後,對玻璃箱打入雷射光(水為非必要)


圖1-5. MorSensor 氣壓測定晶片置入密閉玻璃缸中,對玻璃箱打入雷射光,利用手機偵測氣壓藍芽的訊號資料


圖2為氣壓變化量測試結果,屬初步測試結果。

圖2. 以App記錄之壓力-時間圖(壓力變化一長音代表雷射光脈衝訊號),實驗捕捉到微弱的訊號

(三)實驗的結果

1.實驗的結果證實已可測量出雷射脈衝訊號,雖不明顯但已可辨識,如圖2所示。
2.玻璃缸罩住MorSensor,已有大幅減低環境雜訊的功用,使其不至於影響實驗,所以密閉容器的設計也是重要的選擇。
3.MorSensor電池持續時間約1 ~ 2個小時,氣壓測定晶片有機會開發成為適合進行摩斯密碼傳輸的產品。

對於摩斯密碼,我們都知道在資訊傳遞歷史上扮演了重要的地位,從前的人架設電報線,利用電波發送出摩斯密碼,但電報線沒有達到的地方便無法傳遞信息。那是否有能夠用氣壓變化感測無線傳播的方法呢?本實驗一藉由MorSensor氣壓測定晶片測量雷射脈衝與動態物理撞擊造成之氣壓數值波動,利用Cross Correlation之方法(Bracewell, 1965),分析波動之信號,實驗結果確認此設計可行,因此進入下一階段改良設計。

摩斯密碼氣壓機的設計與製作

記得在香港電影「無間道」中 ,警察臥底利用摩斯密碼試圖通知警察前往阻止黑幫的毒品交易,卻被身為黑幫大哥的打手男主角梁朝偉聽出而識破,此經典片段至今令人回味無窮(無間道電影,2002)。在現代生活中,我們已不是從前的以人工解碼的時代,一切訊息都要轉成數位訊號發送、儲存,才能確保訊息確實傳達;因為初步實驗告訴我們,學生用木槌撞擊、甚至用雷射光來傳遞摩斯密碼,並且利用MorSensor將雷射脈衝、動態物理撞擊造成之氣壓波讀取是可行的,再加上我們將此構想參加2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽創意應用組初賽,幸運地獲得初賽通過,於是開始正式啟動下一階段實作實驗。

根據實驗一的測試結果,我們利用一般市面上的密閉塑膠杯來作設計,如圖3a、3b所示,並且搭配高中物理的理想氣體方程式公式,PV=nRT如圖3c,P為大氣壓力,V為密閉容器體積,n為氣體莫耳數,R為常數,T為絕對溫度。經過理論推導後,再用實際的數值分析,也就是利用塑膠盒的體積導入,發現體積變化量比值等於壓力變化量比值,如圖3d所示。利用此數值公式分析,可以確認摩斯密碼氣壓機設計的可行性,最後再加上聲學光學轉換的設計如圖3e所示,圖3e為一種光波發射器,再加上圖3f為光波接受器電路,並轉換成聲音,整體運作過程為使用者輸入氣壓變化產生訊號,再將訊號傳入手機App判讀長音或短音,並且儲存訊號元在記憶體中,等到全部訊號輸入完畢,便進行聲光傳輸,首先電訊號藏在光訊號中,雷射光發射(或者是 IR發射,紅外線發射)後打到接收的太陽能板,再將光訊號解碼成摩斯密碼長短音,並發出聲音給接收者判斷,完成秘密通訊。

圖3-1. 摩斯密碼氣壓機設計草圖


圖3-2. 摩斯密碼氣壓機,塑膠針筒加入彈簧


圖3-3. 理想氣體方程式公式,PV=nRT理論計算


圖3-4. 理想氣體方程式公式,PV=nRT實際數據測試


圖3-5. 光波發射器設計電路


圖3-6. 光波接受器及聲音轉換電路


草圖完成後,經過簡單的理論測試分析,便開始了動手實作課程,如圖4a,本校黃裕修老師也給重力波隊特訓,教導電路設計的實驗,如圖4b、4c所示為重力波隊在師大附中附製工坊,利用雷切製作塑膠盒打氣機成品,而圖4d為收音機改裝成擴音器,如圖4e所示,也請到本校林湧順主任來指導重力波隊雷切機的使用,而IR發射器器和接收盒設計,外殼用雷射切割機製作,如圖4f,而塑膠蓋的設計切割過程如圖4g-4h,最終的成品圖為圖4i,最後並加入Android Studio 手機App程式設計,然後測試成品,從設計到完成總共花了三個月的時間,從一開始雷切蓋子的失敗,到不斷地調整設計,終於皇天不負苦心人,最後能夠打造出摩斯密碼氣壓機,連接聲光電的轉換(林宣安,2017),如圖4j所示,將摩斯密碼氣壓機完成之成品圖,再加上聲光轉換組成所謂的光舞密碼機,整個整體實作的過程圖,一切準備就緒後,就準備參加2018年12月14日的總決賽,全名是「2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽」,我們參加創意競賽組。


圖4-1.重力波隊開始特訓—黃裕修老師指導電路設計


圖4-2. 在臺灣師大附中附製工坊製作成品(左起李柏翰老師、陳柏翰、陳和寬主任、洪軾凱)


圖4-3. 利用雷射切割木板--模擬塑膠蓋之切割


圖4-4. 收音機改裝成擴音器


圖4-5. 林湧順主任指導重力波隊


圖4-6. IR發射器器和接收盒設計,外殼用雷射切割機製作


圖4-7. 利用雷射切割機進行塑膠蓋切割


圖4-8. 在塑膠蓋的切割洞口卡入針筒


圖4-9. 完成之成品圖與手機App程式


圖4-10. 摩斯密碼氣壓機完成之成品圖,再加上聲光轉換組成光舞密碼機之整體實作圖


2018年12月14日總決賽當天,指導重力波隊的李柏翰老師,帶領全體成員由台北火車站出發,趕到新竹國家實驗研究院晶片系統設計中心(簡稱晶片中心,目前改名為國家實驗研究院台灣半導體研究中心),比賽當天總共有16隊大專院校組隊參加競賽,只有重力波隊為唯一的一組高中生隊伍,一到會場,大家便感受到比賽的張緊張氣氛,我們立刻迅速的布置海報,以及比賽用的整套光舞密碼機,並且先進行簡單測試,如圖5a所示,還遇到MorSensor設計者黃俊銘博士,如圖5b所示,除了詢問一些設計的問題之外,我們也熱烈地推銷我們的成果。早上開始比賽後,評審團詢問了一系列的問題,學生們回答得非常清晰,經過幾個小時實作報告與實驗奮戰,下午來到了成績公布的總講評。

氣氛瞬間凝結,成績公布的一剎那,很幸運的重力波隊獲得銅牌的佳績,獲得三萬元獎金(如圖5c、5d),那一剎那的宣布,獲得大獎的榮耀將大家都融化了,半年來的辛苦以及無數夜晚的研究與奮鬥,日以繼夜編寫App程式,終於獲得了正向回饋,我身為總指導教師,心情也是無比地激動,心想這個過程,大概就是2019年所謂的探究與實作所追尋夢想的最佳寫照,當然我也將獎金如數全部分給三位隊員,這也是繼2017年MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽獲得銅牌獎後再度蟬聯的大獎,為師只有一句話給重力波隊,就是:同學們,您們辛苦了。

圖5-1. 重力波隊(左起溫非凡、陳柏翰、洪軾凱、科教館蘇萬生博士、臺灣師大附中李柏翰老師)


圖5-2. 重力波隊與設計Morsensor的黃俊銘教授討論


圖5-3. 決賽時評審詢問重力波隊的情形


圖5-4. 成績公布,重力波隊榮獲銅牌大獎


 後記

這個探究與實作的開發歷程以及App程式的發想,是需要深思,是需要時間消化,是需要不斷的燒腦,以及尋求團隊合作,甚至是需要跨域合作才有辦法完成的,過程中表面上是學生的訓練與成長,而其結果又何嘗不是老師的訓練能量的累積,以及腦洞大開的震撼呢,感謝國立臺灣科學教育館蘇萬生博士的指導以及中等學校科展指導結合探究與實作課程實施計畫支持,還有本校彭良禎老師主持的高瞻計畫經費挹注,也再次感謝林宣安老師無私的教學網站啟發,要感謝的人太多了,謝天吧。


 參考資料

1. Bracewell, R. "Pentagram Notation for Cross Correlation." The Fourier Transform and Its Applications. New York: McGraw-Hill, pp. 46 and 243, 1965.
2. 摩斯密碼表
    中文摩斯密碼表。
3. 無間道電影片段,2002。
4. 國家晶片系統設計中心 - MorSensor介紹。
5. 林宣安老師創意教具DIY,無線光傳輸的極限與改良,2017。

致謝
感謝本校彭良禎老師主持的高瞻計畫經費支助,107年度高瞻計畫編號:MOST 107-2514-S-788-002。

  附錄 摩斯密碼表


圖S1. 摩斯密碼表[2]。










國立臺灣師大附中物理教師/台北科技大學光電工程兼任助理教授
李柏翰