學習目標 : 利用faya電子積塊組出能偵測心率的裝置
學習時間 : 150min
使用模組 : (1) faya brickNano
(2) faya 心跳偵測模組
(3) faya 串列8x8點矩陣模組
(4) faya 串列七段顯示模組
(5) faya 蜂鳴器模組
工具 : 樂高積木(相容)
====================相關知識====================
這篇文章中所用到的模組使用方式及相關知識整理如下，需進一步了解時可點進去參考:
模組介紹 : faya brickNano
模組介紹 : faya 心跳偵測模組
模組介紹 : faya 串列8x8點矩陣模組
模組介紹 : faya 串列七段顯示模組
模組介紹 : faya 蜂鳴器模組
======================開箱======================
心動時刻(型號NTG-508)是fayalab的第八款創意組合作品，此作品的目標是利用現有的faya模組，配合Arduino程式，組出一個能夠量測心率(BPM - Beats Per Minute, 每分鐘心跳數 )的裝置，當偵測到心跳訊號時，8x8點矩陣會閃爍一次愛心型狀，並在蜂鳴器產生一次嗶聲，在穩定的狀態下，大約偵測6~7次的心跳就會估計出受測者的心率。
盒內包含了製作心跳時刻所需的全部模組及附件:
1. brickNano 2. 8x8點矩陣模組 3. 心跳偵測模組 4. 串列七段顯示模組 5. 蜂鳴器模組
6. 積木柱子 7. 積木蓋子 8. 電源線(B) 9. micro USB傳輸線
10. 跳線組 11. 積木組 12. 積木底板
===================範例實作=====================
目標:
(1) 利用faya電子積塊，量測每分鐘心跳
(2) 量測到心跳訊號時，8x8點矩陣顯示心跳圖案
(3) 量測到心跳訊號時，蜂鳴器產生嗶聲
(4) 七段顯示器顯示每分鐘心跳數 BPM (Beats Per Minute)
組裝:
首先把 [1.faya brickNano] [2.串列8x8點矩陣模組] [3.心跳偵測模組] [4.串列七段顯示模組] [5. 蜂鳴器模組]的四個角落裝上[6.積木柱子]。積木柱子如果塞起來鬆鬆的沒關西，下個步驟透過積木蓋子就可以將柱子扣穩。
積木柱子的組裝過程可參考[功能介紹 : faya電子積塊與LEGO積木的結合]
接著把[2.串列8x8點矩陣模組] [3.心跳偵測模組] [4.串列七段顯示模組] [5. 蜂鳴器模組]的四個角落裝上[7. 積木蓋子]，把[1.faya brickNano]的四個角若裝上1x1的積木。
積木蓋子的組裝過程可參考[小技巧 : 積木柱子太鬆時如何處理?]
接下來示範線路的連接和積木的組裝，我們這次要將五個模組以立體結構的方式組在16x16的積木平板上，大家可以按照自己喜愛的方式堆疊積木，但這邊建議先按照底下的範例跟著做一次，熟悉系統運作的方式後，再按照自己的喜好修改造型。如果照著底下的範例，組完後會長這個樣子:
安裝faya brickNano、心跳偵測模組、串列七段顯示模組:
首先利用[11. 積木包] 裡面的4x2，2x2積木，安裝在[12. 積木底板]上，位置如下所示
接下來安裝電源線，我們利用兩條[8. 電源線(B)]連結模組間的電源座，如下圖所示，將brickNano右邊的電源座連接到串列七段顯示模組，brickNano左邊的電源座連接到心跳偵測模組，連接的詳細原理和說明可參考這篇文章 或簡易版。
完成後，我們理一下電源線，將其繞到模組下方，保持美觀，然後利用[10.跳線組]完成Arduino和模組之間的訊號連接
心跳感測模組:
Arduino_D2 ===> 心跳偵測模組_Signal
串列七段顯示模組:
Arduino_D7 ===> 串列七段顯示模組_DIN
Arduino_D6 ===> 串列七段顯示模組_CLK
Arduino_D5 ===> 串列七段顯示模組_LOAD
同樣的我們把訊號線繞到模組下方保持美觀
安裝串列8x8點矩陣模組:
接著準備往上搭積木以建立立體結構，在這之前，先用3條黃色跳線將數位腳位D12、D11、D10拉出來，未來要連接上方的串列8x8點矩陣顯示模組，另外用一條綠色跳線將數位腳D3拉出來，未來要連接上方蜂鳴器模組。
拉完訊號線後，利用2片2x6平板，安裝在brickNano上方的1x1積木上
接著在2x6平板積木上安裝4顆1x2積木，如下所示
然後在上方覆蓋一片6x8平板積木
完成後，將 [2.串列8x8點矩陣模組]安裝在6x8平板上方，如下所示
接下來連接8x8點矩陣顯示模組和心跳偵測模組間的電源線，如下圖所示
然後利用剛剛引出的黃色跳線，連接Arduinoi和串列8x8點矩陣間的訊號線
串列8x8點矩陣模組:
Arduino_D12 ===> 串列8x8點矩陣模組_DIN
Arduino_D11 ===> 串列8x8點矩陣模組_CLK
Arduino_D10 ===> 串列8x8點矩陣模組_LOAD
完成訊號線的連接後，將訊號線整理壓平，才不會擋到稍後積木的安裝
安裝蜂鳴器模組:
首先利用兩片2x6平板，安裝在6x8平板兩側
接著在尾端上方安裝一片2x10平板
然後在2x10平板上方放置兩個2x2積木，位置如下圖所示
再將一片2x6平板壓在上方
完成以上步驟後，將主體擺一邊，拿出一片2x6平板和兩顆1x4積木，做出以下組合
接著在其上下方兩側各裝上兩顆90度的積木，如下所示
再將[5. 蜂鳴器模組]的積木柱子安裝在側面的四個積木凸點
完成後，將以上立體結構安裝在剛剛作品主體上，位置如下所示
接著連接蜂鳴器模組和串列七段顯示模組間的電源線，如下圖所示
然後利用剛剛引出的綠色跳線，連接Arduinoi和蜂鳴器模組間的訊號線，由下圖中我們可以看到此訊號線穿過模組下方的空間往上連接。
蜂鳴器模組:
Arduino_D3 ===> 蜂鳴器模組_BZ
完成主體:
最後我們利用手邊剩下的積木做一些裝飾，這些裝飾不會影響功能，大家可以自由發揮，讓主體看起來不單調，以下是從各個角度檢視我們完成的樣子。
正面視角:
背面視角:
左方視角:
右方視角
側上方視角
範例程式:
底下為本作品的範例程式，程式中會用到LedControl的函式庫，可以點此下載，下載後解壓縮至Arduino下的Libraries資料夾，重新開啟Arduino IDE後會自動載入。
備註:
- L81~L83: 程式主要由此三行組成，必須重複執行，因此存於Loop()迴圈。
- L81: heartRateGet() - 用來獲取並計算單次心率，並且顯示心跳圖案於8x8點矩陣模組與顯示聲音於蜂鳴器模。
- L82 : rollingAverage() - 利用滾動式平均法取得較穩定的平均心率值
- L83 : show4digits() - 將平均心率值秀在七段顯示器。
L86~109: heartRateGet()副程式:
- 心跳感應模組的原理可參考之前的文章 [模組介紹 : faya 心跳偵測模組]
-L89: if ((input != lastInput)&&(input == HIGH)); 偵測數位腳位上源觸發時的語法，第一個條件判斷邏輯準位改變時，第二個條件判斷狀態為HIGH時。每次的上緣信號代表一次的心跳。
-L91~94 : 每次偵到上源訊號時，記錄當下時間，算出兩次上源觸發的時間差後，取倒數算出頻率，並且轉換單位變成每分鐘的心跳數。
-L95~98 : 量測時心跳訊號時，有時會因為周邊雜訊或者身體的移動，造成不合哩的心率數值，我們利用此段程式過濾不合理的心率，並用穩定的平均心率值取代。
-L99~106 : 當量測到合理的心跳數值時，緊接著於串列埠監控視窗輸出量測統計表、一個短嗶聲、顯示實心與空心的愛心圖案，讓量測者可以察覺已完成一次有效量測。
L111~126: rollingAverage()副程式:
- L58: 設立了一個可存七筆資料的矩陣，儲存每次量測到的心率，七筆資料用來計算滾動式平均值
- L113: 通過兩個條件才將資料存放在矩陣中，第一個條件是量到的心率有變化時，第二個條件是變化量不能太大，例如原本的心率是72 BPM，下一次的心率上升到110 BPM，這是不合理的心率值，需要濾掉。
- L115~118 : 資料存到最大筆數時，回到第一筆重新儲存
- L120~123 : 儲存有效資料至矩陣中，並指定下一筆資料存放區
- L125 : 每次更新一筆心率資料後，立刻算出最近七筆心率的平均值
L128~148: showSerialMonitor()副程式:
- 第一行秀出單次的心律
- 第二行秀出最近七次的有效心率
- 第三行秀出算出的滾動式平均心率
L150~162: show4digits(int)副程式:
- L22、L67~70、L150~162 : 於串列七段顯示模組顯示指定數字，相關用語法解釋可參照之前的文章 : [模組介紹 : faya 串列七段顯示模組]
L128~148: matrixFull() / matrixEmpty()副程式:
- L24、L29~51、L74~86、L164~184: 在串列8x8點矩陣模組顯示指定圖案，相關語法解釋可參照之前的文章 : [模組介紹 :faya 串列8x8點矩陣模組]
實心愛心圖的點矩陣配置:
空心愛心圖的點矩陣配置:
結果演示:
影片中可看出從穩定量測開始，大約經過7次量測後，心率值達到穩定狀態，量測結果和Garmin的心率錶幾乎一致，介於62~64BPM之間。
量測技巧:
- 請以坐姿量測，左右手食指皆可量測，量測時，手軸靠在桌上，手指輕壓感測器表面，身體和手指不要移動並保持穩定的壓力，可獲得穩定的測結果，大約經過6~7次的量測，會得到準確的心率值。
- 如量測出來的數值怪怪的，可用示波器觀察波型，或者直接旋轉心跳偵測模組的可變電阻改變gain值再試試看，通常可變電阻指向一點鐘方向可以獲得滿不錯的效果。
- 由於每個人的皮膚厚度不同，量測不到訊號時，可以試著將量測點挪到不同的指腹位置，直到獲得穩定量測結果為止。
以下是我們開發此創意組合時的結論與經驗，大家可以參考參考
- 我們利用心跳時信號產生的上源觸發，計算兩次心跳間的間隔，再算出每分鐘頻率，如果只取一次的量測值，由於手的移動或其他干擾，每次計算出的輸出數值會有很大的變化，因此我們加入了滾動式平均法，當量測到有效的心率，就和前6筆有效資料總合起來並取平均值，如此一來的輸出資料會比較平滑。
- 我們透過程式濾掉了不合理的心率值，增加了輸出值的準確性。
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