胡岳 謝作如

當(dāng)我們最早接觸開源硬件的時候，最直觀的感受有三個特征：一是價格便宜，二是資源豐富，三是其潛在的教育屬性。當(dāng)信息技術(shù)實驗室即將成為信息技術(shù)學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)環(huán)境的時候，其中的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)環(huán)境是否還能守得住這三個特征？謝作如老師領(lǐng)銜的“玩轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的第一個一“一個創(chuàng)意——乾坤板”，便是一種“堅守初心”的表現(xiàn)。

● 乾坤板的設(shè)計背景

“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”成為國家戰(zhàn)略[1]，中美關(guān)系實質(zhì)上滑向“新冷戰(zhàn)”狀態(tài)[2]，解決“卡脖子技術(shù)”問題成為一種共識[3]，在這樣的背景下，社會對創(chuàng)新的認(rèn)知似乎達(dá)到了空前的熱度。在這種氛圍下，作為一直關(guān)注創(chuàng)新教育的教師，筆者更加積極探索“錢學(xué)森之問”[4]與“李約瑟難題”的原因與破解之道。一個偶然的機(jī)會，因為參加STEAM教育的一個研討會，筆者接觸到中小學(xué)創(chuàng)新教育和創(chuàng)客文化，萌生了做一款用于創(chuàng)新教育硬件平臺的想法。

每個人都有自己的特長，雖然人與人在智力等方面存在差別，但是追求個人自身的價值，并與社會發(fā)展相結(jié)合，是所有人都在自覺或者不自覺積極努力的。對社會而言，如果能夠提供一個理想的平臺，起到分類激發(fā)、尊重獨(dú)創(chuàng)、體現(xiàn)價值的作用，則每個人獨(dú)有的天賦活力與價值就能充分發(fā)揮，創(chuàng)新的土壤就能真正培養(yǎng)起來。在了解、學(xué)習(xí)了“開源”思想之后，基于為創(chuàng)新教育提供一個可以“激發(fā)興趣、自我探索、相互聯(lián)接、體現(xiàn)價值”的平臺，結(jié)合需求與個人經(jīng)歷，設(shè)計一個實在的平臺的想法也就逐步清晰地浮現(xiàn)于腦海中。幾經(jīng)交流討論、多次迭代，“乾坤板”的設(shè)計有了雛形，后續(xù)隨著對創(chuàng)新理念的進(jìn)一步深入了解和實踐，“乾坤板”也將會進(jìn)一步深入演化。

● 乾坤板的設(shè)計理念

“乾坤板”的設(shè)計理念是構(gòu)建一個既可以面向青少年科創(chuàng)教育，又能面向工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品開發(fā)的平臺，讓學(xué)生的創(chuàng)意與產(chǎn)品“無縫”聯(lián)接。這里之所以強(qiáng)調(diào)“無縫”，是因為當(dāng)前教育與實際應(yīng)用大多是脫節(jié)的。以大學(xué)嵌入式課程設(shè)計為例，教學(xué)用的控制板叫做學(xué)習(xí)板，整合了很多硬件資源，這種板子沒辦法用來開發(fā)產(chǎn)品。大學(xué)如此，中小學(xué)也是這樣。為什么創(chuàng)意學(xué)習(xí)和應(yīng)用開發(fā)不能使用同一種產(chǎn)品？“乾坤板”的推出，就是希望能夠解決這一問題。

如何兼顧教學(xué)和實際應(yīng)用呢？“乾坤板”的第一大特點(diǎn)是把核心控制板和傳感執(zhí)行的擴(kuò)展板分開。核心板是具備精簡功能的控制單元，主要面向工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用，教學(xué)里核心板作為控制單元而擴(kuò)展板主要面向教學(xué)實踐，精選典型和具有創(chuàng)意的傳感與執(zhí)行設(shè)備來配套單片機(jī)資源的開發(fā)利用，擴(kuò)展板當(dāng)教具用時，是把科創(chuàng)教育作為一種特殊的產(chǎn)品應(yīng)用場景，擴(kuò)展板同時也可以作為應(yīng)用開發(fā)的驗證平臺，即使用擴(kuò)展板開發(fā)相關(guān)程序，而后將成果直接移植到實際產(chǎn)品。

核心板主芯片的選型，主要是基于開源思想，借鑒Arduino、micro：bit和掌控板的形態(tài)，面向物聯(lián)網(wǎng)和人工智能教學(xué)與產(chǎn)品開發(fā)的需求，以及結(jié)合國產(chǎn)化的考慮，選擇了ESP32作為主控芯片。這塊MCU本身具備Wi-Fi和藍(lán)牙無線通信，板載RAM相對于一般的MCU比較大，可以作為邊緣計算的終端節(jié)點(diǎn)，也能擴(kuò)展互聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展板傳感的設(shè)計則主要面向?qū)嶋H應(yīng)用，第一版面向科創(chuàng)教育，設(shè)計上除考慮與現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品的兼容之外，重點(diǎn)針對物聯(lián)網(wǎng)和人工智能教育的需求，強(qiáng)化了語音和圖像處理接入的可能性。作為一款自主設(shè)計的開發(fā)板，筆者希望其有中國的元素，結(jié)合板子拆分成兩部分，以及兩部分各自功能的定位和后續(xù)的擴(kuò)展。經(jīng)長時間的思索后，突然某天靈光一現(xiàn)，“乾坤板”三個字就跳了出來：核心板為“乾板”，擴(kuò)展板為“坤板”。

● 乾坤板的產(chǎn)品形態(tài)

“乾坤板”規(guī)劃構(gòu)建一個開源硬件平臺，“乾板”作為控制部分與“坤板”結(jié)合，構(gòu)成一個完整的功能系統(tǒng)，功能具有多變與擴(kuò)展性。當(dāng)前，第一版的“乾板”以MCU為主控芯片，“乾板”主要面向以物聯(lián)網(wǎng)為主題，兼顧簡單人工智能實現(xiàn)。后續(xù)坤板還會基于視覺人工智能邊緣計算、可重構(gòu)系統(tǒng)等需求進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)，形成幾大系列，構(gòu)成生態(tài)。MCU版本的乾坤板在開發(fā)上遵循如圖1所示的產(chǎn)品形態(tài)規(guī)劃。

以乾板為中心進(jìn)行擴(kuò)展，MCU部分面向科創(chuàng)教育開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的坤板——擴(kuò)展板。如圖1所示，坤板分為標(biāo)準(zhǔn)坤板和應(yīng)用坤板兩種。標(biāo)準(zhǔn)坤板的重點(diǎn)是可面向物聯(lián)網(wǎng)和人工智能教學(xué)，還要融入Arduino和MicroPython生態(tài)，兼容掌控板、micro：bit等科教產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)坤板形態(tài)除第一版的AD&MP版本外（支持Arduino與MicroPython的標(biāo)準(zhǔn)版本），還將有Arduino版本，簡易接口擴(kuò)展版本，以滿足不同生態(tài)接入和快速開發(fā)的需求。

應(yīng)用坤板則主要面向創(chuàng)意產(chǎn)品的開發(fā)，基于開源模式，使用者可在標(biāo)準(zhǔn)版本上自行進(jìn)行開發(fā)。創(chuàng)意產(chǎn)品原型可在標(biāo)準(zhǔn)坤板（包括簡易接口擴(kuò)展版本）上進(jìn)行試驗測試，相對成熟后自行以乾板為基礎(chǔ)開發(fā)電路板，相應(yīng)的交流和展示社區(qū)后續(xù)將建立起來。

● 乾坤板的功能展示

乾坤板是一個平臺，按照前節(jié)所述產(chǎn)品形態(tài)規(guī)劃，將會包含系列產(chǎn)品，這里主要介紹現(xiàn)已開發(fā)的乾板和標(biāo)準(zhǔn)坤板（AD&MP版本，該乾坤板套件簡稱為乾坤板-M，乾坤板-M的乾板和坤板分別簡稱為“乾-M”和“坤-M”）的結(jié)構(gòu)與功能。

“乾坤板-M”分為“乾-M”板與“坤-M”板，兩板之間采用了低塑高排針排母連接，在保證連接可靠的同時減少板與板之間的空隙?！扒?M”為核心板，尺寸為2.0cm×3.7cm超小尺寸，搭載了2.4GHz Wi-Fi和藍(lán)牙雙模的ESP32-D0WDQ6-V3芯片，該芯片采用TSMC超低功耗的40納米工藝，擁有最佳的功耗性能、射頻性能、穩(wěn)定性、通用性和可靠性，同時板子集成了MEMS數(shù)字麥克風(fēng)、8MB Flash，支持?jǐn)U展8MB PSRAM以及外界天線獲得更好的無線性能，適用于各種應(yīng)用和不同功耗下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用?！袄?M”為主要面向物聯(lián)網(wǎng)和簡單人工智能視覺處理的擴(kuò)展板，“坤-M”可以與掌控板進(jìn)行兼容，板上集成了手勢傳感器、加速度傳感器、地磁傳感器、光線傳感器、蜂鳴器、模擬音頻功率放大器、3顆WS2812B-2020-RGB、2個物理按鍵、3個觸摸按鍵和1.3英寸OLED屏幕，同時還支持直接外接一路I2C接口、兩路數(shù)字接口、兩路模擬接口和一路揚(yáng)聲器接口，豐富的拓展可以實現(xiàn)炫酷的小發(fā)明，實現(xiàn)無數(shù)可能。

● 乾坤板的產(chǎn)品開發(fā)

乾坤板期望成為一個開源的“創(chuàng)意聯(lián)接產(chǎn)品”的平臺，所以應(yīng)用設(shè)計是開放的，只要有想法，希望乾坤板都能夠助力想法的落地。這里就以陽臺智能種養(yǎng)為例，展示乾坤板的一種應(yīng)用場景，如圖2所示。

陽臺與日常生活緊密連接，很多人在陽臺上種菜養(yǎng)花。但對于大部分人而言，能養(yǎng)好花、種好菜卻是一件比較難的事，如果通過小的控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動種養(yǎng)，除了可以減少養(yǎng)花種菜的時間投入，對種養(yǎng)體驗而言也將有很大的提升。自動種養(yǎng)需要的一些傳感與執(zhí)行需求歸納如圖2a所示。主要是要檢測土壤和環(huán)境信息，然后對肥水、病蟲害等進(jìn)行防治，實現(xiàn)上述功能還需要供能，當(dāng)然也希望能夠遠(yuǎn)程控制與視覺監(jiān)測，最后希望除了可以遠(yuǎn)程監(jiān)控外，還能通過植入算法，實現(xiàn)自動控制。在此基礎(chǔ)上基于“乾-M”板，設(shè)計了圖2b所示的擴(kuò)展板，其中包含上述傳感與控制接口及擴(kuò)展接口。根據(jù)這些要求，筆者在自家陽臺安裝了一套含儲能的12V太陽供電系統(tǒng)供能，包含一個魚缸和若干干濕要求不一的花菜盆栽。系統(tǒng)有一個水泵抽水，三個電磁閥控制滴灌和霧化噴淋，LED按需控制波長和亮度補(bǔ)光，風(fēng)扇計劃用于煙霧噴藥或者環(huán)境風(fēng)循環(huán)。系統(tǒng)通過MQTT實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，加上一個網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以實時遠(yuǎn)程監(jiān)測控制效果。同步開發(fā)的圖像化編程插件和設(shè)備底層驅(qū)動，可實現(xiàn)圖形化與Arduino編程，面向小學(xué)、中學(xué)不同階段的學(xué)生開展相關(guān)邏輯控制和智能算法的課程教學(xué)與科學(xué)實驗，也可以用于實際陽臺智能種養(yǎng)。

● 結(jié)語

乾坤板的想法從提出到產(chǎn)品試生產(chǎn)，前后經(jīng)歷了近兩年時間。目前乾坤板已經(jīng)應(yīng)用于上海交大的本科生工科創(chuàng)新與實踐課程，在智能家居、智能農(nóng)業(yè)和智能交通三個方面積累了應(yīng)用實例，智能家居模型、智能陽臺種養(yǎng)系統(tǒng)和智能平衡車，所有案例都可同時面向科教示范，同時也可用于實際生產(chǎn)生活。例如，智能陽臺種養(yǎng)系統(tǒng)包含魚菜共生系統(tǒng)需要傳感控制的基本量，可為勞技教育提供智能控制系統(tǒng)，也能用于科學(xué)探究教學(xué);同時通過乾坤板的本地計算，傳感器執(zhí)行器的工作，直接應(yīng)用于家庭陽臺養(yǎng)花、種菜和養(yǎng)魚，實現(xiàn)陽臺立體種養(yǎng)的自動控制;后續(xù)植入相關(guān)人工智能算法，就可以升級為設(shè)施農(nóng)業(yè)的控制系統(tǒng)，作為智慧農(nóng)業(yè)的一個節(jié)點(diǎn)使用?；陂_源思路，筆者非常希望在大家的共同努力下，共建乾坤板的科創(chuàng)教育和科創(chuàng)產(chǎn)品生態(tài)。

（感謝福州陽光國際學(xué)校對上海交通大學(xué)未來電網(wǎng)電力科普教育基地科創(chuàng)活動的捐贈支持，乾坤板的開發(fā)部分使用了該捐贈經(jīng)費(fèi)）

參考文獻(xiàn)：

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[2]王帆.中美關(guān)系的未來：走向“新冷戰(zhàn)”抑或戰(zhàn)略合作重啟？[J].國際問題研究，2021（01）：55-68.

[3]習(xí)近平在兩院院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上的講話（全文）[RB/OL].百家號國際在線.2021-05-28.

[4]錢學(xué)森之問：為何解放后的人才無法與民國相比[RB/OL].鳳凰網(wǎng).2010-03-24.