全國中小學科展

生活與應用科學科(一)科

看得見聲音?—以傅立葉轉換應用聲紋辨識及判讀警示音訊息

沒注意到警報聲往往使人錯過黃金逃命時間,對聽障者或聽力衰退的老人而言,更是不容忽視的問題。本研究嘗試編寫辨識說話者程式,先用人聲找出辨識特徵方法,以傅立葉轉換得到音檔頻率,再用兩種方法擷取特徵來辨識說話者,得知不同參數對準確率的影響,進而實際應用於辨識警示音。 本研究錄製資料庫和測試資料音檔,建立說話特徵後,分析測試資料特徵,與每人資料庫特徵做比對,判斷說話者是誰。結果顯示,一個音檔中取出越多頻率為特徵對準確率沒有明顯影響。將音檔切為小段分析,對準確率影響較明顯,且每個小段音檔長0.02秒到0.05秒有最高的準確率。找出合適的變因後,在辨識警示音上準確率達100%,並將以Arduino連接LED與LCD螢幕,讓聽障者看得見聲音。

防震未來式—懸浮技術的抗震

本實驗研究探討關於張拉整體結構運用在建築物結構的抗震應用,初步探究發現結構乘載過重時,結構體會因繩長變化,使得力平衡不穩定,導致結構體傾斜甚至斷裂坍塌,我們嘗試改善結構,讓此結構體達到更加穩固。張拉整體是一種懸吊平衡的結構裝置,因此也讓我們聯想其可運用在類似懸浮隔震結構的防震技術上,在初步設計上將拉繩結合彈簧,發現可以達到類似阻尼器的制震效果,因此我們進一步設計了一套懸浮抗震系統,系統結合物聯網技術,一邊能主動監測地震晃度,透過無線網路傳遞晃度訊息,一邊讓自主調控裝置依據晃度大小調整張拉整體平台使其回復到平衡狀態,經過地震模擬實驗發現能有效減緩晃度,思考未來可將其運用在建築物的防震技術上。

矩陣形省水灑水器

近年來,隨著日益嚴重的全球暖化以及氣候變遷,使得可用的水資源日益枯竭。有鑑於此,我們致力開發出一種能夠減少水資源浪費的灑水器。本研究利用 3D 模型設計軟體 tinkercad 設計出矩陣形省水灑水器的各個零件,並計算出水壓與孔徑大小以及噴射距離的關係,藉由調整各出水口的孔徑來控制噴水範圍。 實驗結果顯示,且相較於傳統灑水器省水達 25%,且使用3D列印技術製作,可根據自身情況調整出水口大小來控制射程,以控制灑水的長寬比,以達減少水資訊浪費、增加水資源有效使用率之目的。

智慧輪椅之研究-應用表情辨識輔助與外籍看護之溝通

台灣已進入高齡化社會,年長者大多行動不便且為外籍看護在照護,因語言不同,導致溝通困擾,所以研究智慧輪椅,從機構設計中設計三段式椅背調整、餐桌的開合;能使用手機app控制輪椅的移動;在智能照護上依年長者需求在手機上設計了撥打電話、緊急Line救助、啟動家電等功能;更獨創能與外籍看護溝通功能,設計了翻譯機,使受照護者能輕鬆地與外籍看護溝通。並從表情辨識上得知,臉部表情辨識的辨識率為0.6~0.7之間;加入比1-3的手勢後,其辨識率提高0.8~0.9之間,最後年長者加入自己喜愛的動作差異大的手勢後,其辨識率均為1(100%) 。與年長者討論適合的表情後,本研究的智慧輪椅能透過表情辨識開啟與閉合餐桌時會說出外籍看護的語言並且能拿餐具與餐點或是收拾餐桌。

「深」不可「測」——紅蓮燈魚3D座標重建與智慧管理系統

考量養魚業者未必能隨時隨地監控魚群的活動情形,因此本研究利用YOLOv5的視覺辨識模型及Deep SORT多目標追蹤演算法進行魚群的座標定位及移動追蹤,開發出一套「智慧魚缸管理系統」,我們分別使用600、150張魚隻照片作為辨識的訓練集與測試集,其結果準確度平均高達99.99%,進一步利用兩鏡頭拍攝的視差以及司乃耳定律所得折射公式重建出魚群中每隻個體的3D座標,再根據個體座標的變換計算其活動量,並推論其可能的行為活動,同時以三維動畫模擬出魚群在魚缸內的即時狀態,此外我們選用OpenCV的輪廓偵測函式,計算個體的側視面積,由此觀察魚隻的成長情形,最終將上述各數據寫入MySQL資料庫作統計分析,當發生特定事件時,將透過Line Notify傳送訊息及時通知業者處理。

無線你的無限--無線電力傳輸效能的改善

無線傳電是非常新穎的創舉,但卻沒有人用簡單且便宜的方法來改善傳輸效率不佳的問題。在主線圈加入軟鐵後,輸入和輸出的功率比從52%增加到70%,大大減少無線傳輸能量損耗,且若次線圈再加入諧振線圈,則功率比可從52%再增加到80%,這是一個重大發現。在主線圈加入軟鐵實際無線充電之效果是:充電到10mAh時間從9分32秒縮短到5分23秒,減少3分51秒,效率提升40%。在次線圈加入諧振電路對實際無線充電之效果是:大大提升次線圈原本輸出功率約3.8倍,且主線圈加入軟鐵後,充電時間又再縮短20%。由實驗最佳數據,本組設計了無電池風扇並結合3d列印及雷射切割技術,使研究結果商品化,只需插上電源就可以使用。

以牙還「鯊」:AI影像辨識鯊魚牙齒化石

台南左鎮菜寮溪和玉井曾文溪邊過去幾十年不斷有鯊魚牙齒化石出土,例如:大白鯊、虎鯊、公牛鯊、甚至還有已滅絕的史前最巨大鯊魚巨齒鯊的牙齒化石(生存於2,300萬至260萬年前),民眾採集到一時很興奮,但沒有專家一旁協助辨識鯊魚牙齒化石的種類,卻仍舊很苦惱!因此我們嘗試設計全國第一款有效易用的鯊魚牙齒化石分類手機 App,幫助民眾使用身邊的手機就可以快速辨別鯊魚牙齒的種類!本研究開發的 App 在博物館以及野外實測時可以有效地辨識七種鯊魚牙齒化石,並提供相關資訊和影片,具有實用性,以及「鯊魚小博士」二元樹互動學習的功能,讓使用者可以更有趣地學習鯊魚的知識,深具教育意義,並且在實驗室實測完整及破碎化石可達到92%和88%的正確率。

桌前明月光 讀書不會慌

時代越進步,近視的人越來越多,觀察到班上同學帶眼鏡的人數占了多數,而其中「光」是視覺信號產生的基礎,因此,不良光環境易使眼球與視覺系統變異,導致近視發生,而根據工研院2018年發布的《室內高效率照明設計指引手冊》提到室內適合照度為500lux(照度單位),因此我們想設計一款AI Eyes Protector護眼智能檯燈,此檯燈能夠依據環境與使用者狀況進行調整,當環境亮度過高則檯燈亮度下降;環境亮度過低則檯燈亮度提高,以及,為避免用眼過度,當檯燈啟用時會啟動計時功能90秒後會撥放音樂並關閉檯燈。此外,搭載的App上會顯示相關資料,如環境亮度、建議亮度、使用時間...等,也可直接用App遠端設定檯燈亮度、開啟或關閉等。

Lusa-----圈起泰雅獵人的智慧

Lusa 是泰雅族的傳統束腳陷阱, 泰雅祖先及獵人們在這小小的機關中,利用了許多植物的特性及物理科學原理。獵人們為了要提高束腳陷阱捉住動物的機會,在製作陷阱時,材料的選擇及使用有些偏好在觸動陷阱機關的消息棒上,做了些巧思來加速陷阱的運作。我們 在老師的指導下,設計了多組的實驗來探討。實驗結果驗證了,在祖先流傳下來的陷阱選材及安裝之中蘊藏了許多的智慧。我們也以科學的方法測試出消息棒的最佳組合。身為泰雅子孫的我們,能以科學的方法來 探討及驗證祖先的智慧,也是於有榮焉。

紅外線體溫量測智慧登錄系統之開發與研究

自從COVID-19疫情爆發以來,學校必須每天監控學生的體溫與身體狀況,花費大量額外的人力與時間。本研究使用Python執行OpenCV程式,來抓取即時影像中學生的學號資訊,執行easyocr判斷學號資訊並比對學生身份,當學生身份確認後,使用Arduino與GY-MCU90615量測學生體溫,將量測到的體溫回傳至Python程式,透過程式將數據進行整合,最後將學生的個人資訊(班級、姓名、座號等)與體溫數值進行登錄後傳至網路平台,產生出體溫監控表單,稱此裝置為『紅外線體溫量測智慧登錄系統』。本研究成功使用(去背+Canny)偵測+彩色辨識的方式,使紅外線體溫量測智慧登錄系統有更佳的辨識成功率與更快的辨識時間,可以快速辨識學生身份,並登錄其體溫,可減少學校防疫的工作量,達到省時省人力的目的。