智慧衛生紙盒

專案概述

這是我大學的畢業專題。出發點很生活化：公共場所（餐廳、辦公室、廁所）的衛生 紙盒常常要等到已經空了才被發現，補貨永遠慢一步；同時，衛生紙盒又是一個 大家每天都會盯著看幾秒的物件，本身就是一個被忽略的「廣告版位」。

於是我們做了一個智慧衛生紙盒，把兩件事合在一起：

• 感知剩餘量：在盒蓋內側裝上超音波感測器，量測衛生紙堆的高度，換算成 「還剩幾 %」，低於門檻時主動提醒補貨
• 前方螢幕做廣告：盒子前面放一塊螢幕，平常輪播廣告與促銷活動，並同時顯示 目前剩餘量；螢幕上的 App 以 MIT App Inventor 開發

這也是我第一次把「感測器 → 微控制器 → 無線傳輸 → 手機 App」整條鏈路自己串 起來的經驗。

系統架構

整個系統分成兩端：衛生紙盒內的硬體端負責量測與運算，前方螢幕上的 App 負責呈現與互動，兩者之間以藍牙序列埠溝通。

• 超音波感測器（HC-SR04）：固定在盒蓋內側、朝下對準衛生紙堆，每隔固定時間 發射一次超音波並接收回波
• Arduino：讀取回波時間、換算成距離，再換算成剩餘百分比
• 藍牙模組：把計算好的百分比以序列埠字串送出，硬體端不需要知道螢幕上要顯示 什麼
• App Inventor App：接收百分比，更新畫面上的剩餘量，並負責所有廣告、促銷與 提醒的呈現邏輯

把「量測」和「呈現」切開的好處是兩邊可以各自修改：要換廣告素材、調整促銷活 動，只需要改 App；要換感測器或校正數值，只需要改 Arduino 程式。

剩餘量量測：從超音波到百分比

這個專題的核心問題是：怎麼知道盒子裡還剩多少衛生紙？ 我們選擇量「高度」 而不是「重量」，因為衛生紙很輕，秤重感測器在這個重量區間的誤差反而大；而超音波 感測器便宜、非接觸，裝在盒蓋上也不影響抽取。

換算分成兩步：

1. 回波時間 → 距離：超音波從發射到接收的時間 t 是「來回」的時間，音速約 每微秒 0.0343 公分，所以距離 d = t × 0.0343 ÷ 2
2. 距離 → 剩餘百分比：事先校正兩個基準值——滿盒時感測器到頂面的距離 D_full、空盒時感測器到盒底的距離 D_empty——目前的剩餘量就是 d 落在這 兩者之間的比例

const int TRIG_PIN = 9;
const int ECHO_PIN = 10;
const float D_FULL = 3.0;   // 滿盒時到頂面的距離（cm），實際依盒子校正
const float D_EMPTY = 12.0; // 空盒時到盒底的距離（cm）

float readDistanceCm() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);
  return duration * 0.0343 / 2;
}

void loop() {
  float sum = 0;
  for (int i = 0; i < 5; i++) {      // 取多次平均，過濾雜訊
    sum += readDistanceCm();
    delay(60);
  }
  float d = sum / 5;
  int percent = (D_EMPTY - d) / (D_EMPTY - D_FULL) * 100;
  percent = constrain(percent, 0, 100);

  Serial.println(percent);           // 經藍牙模組送到 App
  delay(1000);
}

實作時遇到的幾個實際問題：

• 衛生紙表面不平整：抽取後頂面會有一張翹起來的紙，單次量測會突然變短。以 多次取樣平均並限制在 0–100 之間，讓畫面上的數字不會亂跳
• 最小量測距離：HC-SR04 在太近的距離量不準，所以感測器不能直接貼著衛生紙， 要在盒蓋上預留一點高度，這也是 D_full 不是 0 的原因
• 不同盒子要重新校正：D_full、D_empty 會隨盒子尺寸改變，所以設計成常 數集中在程式開頭，換盒子時只需要量兩次距離

前方螢幕：App Inventor 製作的廣告與促銷畫面

盒子前方的螢幕是一台 Android 裝置，上面跑的 App 用 MIT App Inventor 開發。 App Inventor 以拖拉積木（Blocks）的方式寫程式，對我們來說可以把時間花在 「畫面要呈現什麼」，而不是卡在 Android 開發環境上。

畫面由上而下分成三塊：

• 廣告輪播區：佔畫面最大的版位，用 Clock 元件每隔幾秒觸發一次，依序切換 Image 的圖片來源，達到輪播效果
• 剩餘量區：顯示目前百分比與進度條；BluetoothClient 收到 Arduino 送來的數 字後即時更新
• 促銷活動區：顯示限時優惠與折價券 QR Code，讓使用者在抽衛生紙的幾秒鐘內就 能掃碼帶走優惠

App 端的主要邏輯（以積木表達的流程）：

• Screen.Initialize：連線到衛生紙盒的藍牙模組，啟動輪播與讀值的計時器
• ReadClock.Timer：若藍牙有資料可讀，就讀出百分比、更新文字與進度條
• AdClock.Timer：輪播索引加一，從廣告清單中換下一張圖
• 低量提醒：當百分比低於設定門檻（例如 20%），剩餘量區改成紅色並顯示「請 補充衛生紙」，讓現場人員一眼就看得到

成果與收穫

• 完成一個可實際展示的原型：抽取衛生紙時，前方螢幕上的剩餘百分比會跟著下降， 同時持續輪播廣告與促銷內容
• 第一次完整經歷感測器 → 微控制器 → 無線傳輸 → App 的端到端整合，也體會到 硬體資料「先清洗再使用」的重要性——真實世界的感測值永遠比課本上的雜
• 把「量測」和「呈現」拆成兩個獨立的部分、用一個簡單的協定（只傳一個數字）溝 通，專題後期組員分頭修改 Arduino 和 App 時幾乎不會互相影響，讓我體會到職責 分離、介面越簡單越好的價值
• 還想改進的地方：目前一個紙盒只能對應一台螢幕，而且補貨提醒只有現場看得到。 如果之後能改用 Wi-Fi 把多個紙盒的剩餘量集中回報到一個後台，清潔人員就能一次 看到所有位置的狀態，廣告內容也能從後台統一更換

使用技術

• 硬體：Arduino、HC-SR04 超音波感測器、藍牙序列埠模組
• 韌體：Arduino C/C++（回波量測、距離換算、取樣平均）
• App：MIT App Inventor（BluetoothClient、Clock、Image 元件）、Android
• 概念：IoT 感測與資料平滑、數位看板（Digital Signage）廣告輪播