全國中小學科展

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工程學科(一)科

臨「震」脫「逃」

這次科展以國家級警報細胞簡訊為發想,研究如何降低逃生的難度,也是為了災害發生時能夠減少受災人數同時加快逃生速度,製作模型來模擬地震來襲時的應變措施,在模型上裝設警報、自動開門和緊急照明的功能,為了提高房屋倒塌後的存活時間,也設計了可輕易找到地震避難包的裝置,並自動檢查、提醒地震避難包內的物品狀況,系統以Arduino Mega 2560及ESP32為核心,並利用RS485傳輸介面接收訊號及控制各個元件做出反應。

超低頻物質波感測系統

最近國內外災害頻傳,因此我們自製超低頻物質波感測器。融合類比訊號處理電路、數位化的分析系統。擷取外界環境或人體微弱的訊息,匯入電腦存入資料庫,加以辨識,將分析結果傳輸至筆記型電腦,供相關人員處理。提供災害預警與諮詢,達到遠端監控、現場搜救、守護國民安全之目的,本研究系統包含下列功能: 一、偵測超低頻物質波 研發超低頻物質波感測器,能偵測到微弱的超低頻物質波。 二、類比訊號處理電路 利用運算放大器,組合成多階濾波器,去除雜訊。 三、自動化檢測介面 全自動訊號取樣,並進行訊號處理與分析,並立即顯示時域、頻域訊號的波形。可以即時偵測地震,或災難時偵測生命跡象。

運用所學打造節能居家

台灣是個四面環海國家,土地面積為3.6萬平方公里,人口約2千3百萬人,2019 年人口成長率為 0.2%,根據內政部資料得知,人口老化指數,由107年1月106.35,到108年2月113.93%,人口結構觀察,高齡者(65歲以上)比率逐年上升,台灣老人占總人口12.83%,逼近 14%高齡社會。 而老年人的食、衣、住、行,更需我們多花一份心思去關心,其中尤以「行」最為我們關切,根據內政部資料統計及新聞報導,台灣失智人口在 2017年底已超過27萬人,65歲以上老人每13名就有一名失智,衛福部的調查顯示表示,2031 年失智人口將增加到 46 萬人,2061 年將超過85萬人,等於未 來 40年內,台灣平均每40分鐘新增1名患者,每天增加38人罹病,此問題乃是我們關切之重要因素。

AIOT動物健康浮生錄

本研究以寵物智能自動餵食器相關產品為基礎進行改良,運用影像辨識技術來判斷其健康狀況,目的為改善動物福祉、解決動物與醫護人員之間無法溝通的問題,進而建立一套動物陪伴型照護系統。有效利用這套即時照護系統,可更好地關注動物的情緒健康,及時發現潛在的問題並提供適當的醫療幫助,確實避免飼主因繁忙、對寵物關注度下降而導致動物鬱鬱寡歡等情況發生,具有重要意義。

照明設備故障自動修護系統

地球自轉一周,需要24小時,因此地球一面處於白天,另一面則是夜晚,從外太空看地球越先進的國家的夜晚,燈火通明點亮整個城市。當愛迪生發明第一個燈泡時,讓世界夜晝變白晝,照明設備的演進,也照亮人類的文明,各式照明設備有相對的使用壽命,當路燈或照明設備故障時,需要專業維修人員或水電師傅進行更換,有時也讓照明設備久久未能即時修護。本作品設計概念,用於路燈或照明設備,路燈發生故障不亮時,系統偵測故障時並進行自動修護,將不亮的燈泡變成會亮的燈泡,達到即時修護的目的。作品以單晶片微電腦為主控制,LED驅動電路、霍爾電流感測器、使用Zigbee建構區域網路、步進馬達控制,結合IOT物聯網概念,設計具有故障自動修護及回報功能系統。

魚「水」相歡—無人水下探測器

本作品為遠低於市價ROV的材料,設計出能在水下移動的載具,加入連線在式子母船的概念,完成能遠端控制與觀察影像的水下遙控載體。首先設計可以水下自由行動與水下攝影的子船,設計電力系統與無線訊號傳輸的母船。藉由Labview設計出由電腦介面進行遠端控制的程式,再經由USB多功能 I/O 介面卡傳輸到無線訊號2.4G接收板,來進行遠端遙控。 除了由電腦控制外以十字手搖開關進行手動遙控試驗並將線路連接完整,藉由切換的開關來改變操作的方式,即最終改良成可手動控制或電腦控制。經海邊測試能達成無線遙控子船,水中沉浮前進動作,並搭配子船到水下攝影鏡頭接收到水下影像,達成簡易型水下生態觀測之遙控無人載具。

AI消防閃燃偵測輔助系統

本研究針對近10年來超過30名消防員在救火時殉職,分別開發現場閃燃偵測模組和事前預防模組,前者能在消防員架設熱顯像儀之前,先將探測球丟入火場中,探測球利用ESP32並透過MQTT向樹莓派發送感測數值,並送至SQLite資料庫進行處理,再行計算閃燃發生的可能性,指揮官根據結果再決定是否靠近或暫緩;遙控履帶車則進行相同操作,除了更精確定位偵測外,並搭配鏡頭增加起火點、煙霧偵測功能,這些資訊能輔助指揮官做出正確決策,降低消防員的傷亡。 事前預防模組為巡查並偵測火災發生機率,可用在工業區等環境,先做好道路循跡模型與火災辨識模型後,在車上安裝各式氣體感測器搭配鏡頭辨識,根據回傳的數值做運算,可判斷火災發生的可能性並做及時處置。

光音似見-透過光訊號還原聲音

本研究旨在探討透過雷射光偵測遠端聲音震動訊號,並將震動訊號還原成聲音之可行性。研究發現:透過雷射光偵測遠端聲音震動訊號,並將震動訊號還原成聲音具有相當可行性,但因為電壓訊號係收集反射之雷射光,並非直接訊號而是參雜了許多雜訊,因此雜訊去除是聲音還原主要關鍵因素。本研究先將電壓訊號進行資料預處理及轉換為梅爾頻譜圖可視化後,再以三種不同雜訊去除方法降噪,並與原始聲音進行SSIM-結構相似性比對,發現深度學習UNet模型表現最佳。最後研究中所訓練的UNet模型,在單頻、雙頻聲音的表現相當良好,相似度最高達0.930;但在古典音樂多頻複雜情況下表現較不理想,相似度最高達為0.434。

哇嗚!!原來聲波真的可以滅火耶

本研究旨在改善火災應對技術,探討聲波滅火器的設計與優化。利用COMSOL Multiphysics軟體模擬聲波的物理特性,並透過實驗驗證模擬結果。結合程式設計驅動功放單體,測試多種頻率與角度的變化,深入探討聲壓頻譜、聲強、聲功率等物理特性。研究過程中發現,Q值是影響滅火頻率的關鍵因素,70Hz為最穩定有效的頻率,聲壓、聲強、聲功率的量測數據均再次證實此為最佳滅火頻率的推論。 這一創新發現為聲波滅火器設計和優化提供了新科學依據,相較於過去的錯誤嘗試法,我們通過專業軟體模擬並實驗驗證,再次驗證了Q值在滅火頻率中的關鍵作用的推論。未來將進一步探討聲波對火焰燃燒機制的影響,結合MLX90640紅外線熱顯影技術,以科學方法深入研究。

寶特瓶回收3D列印線材製造機

本專題研究旨在探討如何將廢棄的寶特瓶回收,並製成可用於3D列印機線材料之可行性研究。首先針對寶特瓶的材料進行了分析,評估寶特瓶的材質、硬度及可收回性。接著將回收的寶特瓶 ,進行加工、裁剪和熔融等步驟製程 ,最後製作成3D列印線材料。本研究探討了寶特瓶其熔點、馬達機械性能等多項關於製造3D列印相關的參數指標,最後,進行研究實驗驗證,利用回收之寶特瓶製作出的列印線材,送入3D列印機進行實際列印。研究結果顯示,將寶特瓶回收並製成3D列印線材料,不僅可以減少廢棄物的產生,也能夠製造出高品質、低成本的線材,有助於促進環境保護的發展。