◆甘肅省秦安縣第一中學(xué) 李文濤 何昊澤

本期點(diǎn)評專家

譚迪熬中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

以娛樂探險(xiǎn)為目的的部分戶外活動具有危險(xiǎn)性，需要借助輔助設(shè)備，而以研究為目的的戶外活動則常常需要收集某些數(shù)據(jù)。

基于此，我們從項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路、制作過程、功能設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、測試與改進(jìn)等方面，結(jié)合開源硬件Arudino、手機(jī)App 開發(fā)軟件以及物聯(lián)網(wǎng)模塊，設(shè)計(jì)制作了一款集多種功能為一體的探險(xiǎn)輔助設(shè)備，為戶外探險(xiǎn)提供幫助。

一、設(shè)計(jì)思路

設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度檢測、照明、收發(fā)信息、SOS 求救四種常用功能。

起初，我們將模型設(shè)計(jì)為正方形，經(jīng)過多次試用發(fā)現(xiàn)，使用正方形的手感欠佳，于是將其改為對稱的六邊形。

針對探險(xiǎn)活動中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，我們還設(shè)計(jì)了一條腰帶，并在主體、電池倉、腰帶上加裝滑槽，使該設(shè)備支持手持模式、擺放模式、腰部佩戴模式的配裝方式。

圖1 模型結(jié)構(gòu)草圖

圖2 手持模式

圖3 擺放模式

圖 4 腰部佩戴模式

二、制作模型

（一） 硬件耗材及編程環(huán)境

硬件耗材包括Arduino 主控板和擴(kuò)展板、OLED 液晶顯示屏、溫濕度傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊、RGB 燈等。軟件編程環(huán)境選擇Mind+，手機(jī)App 制作選用Appinventor。

（二）模型搭建

模型主體的外殼選用回收紙板制作，單層橙色瓦楞紙與錫箔作為裝飾，鐵絲作為打開上部時(shí)的支撐件。主控板、按鈕及傳感器集中在主體部分，主控板粘貼在前端，向兩枚按鈕、一枚旋鈕引出杜邦線連接，作為模型的牽引。除蜂鳴器外其余模塊也使用杜邦線連接，均粘貼在紙板上。

腰帶由一塊厚紙板、一條帶有彈性的固定帶制成。程序上傳至主控板后，通過接入6 節(jié)五號電池，讓裝置實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)行，以適應(yīng)不同的場景。

圖5 模型搭建流程圖

三、功能設(shè)計(jì)

（一）信息顯示面板

開機(jī)即進(jìn)入信息面板模式。在該模式下，顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，為用戶出行提供參考數(shù)據(jù)。當(dāng)環(huán)境光線較暗時(shí)，顯示屏下方的燈珠自動亮起，為用戶提供照明。面板頂端的旋鈕可動態(tài)調(diào)節(jié)光線亮度。

圖6 信息顯示面板

圖7 當(dāng)光線較暗時(shí)發(fā)出的黃光

（二）信息收發(fā)模式

當(dāng)探險(xiǎn)者與探險(xiǎn)者之間、探險(xiǎn)者與外界之間需要交流時(shí)可啟動該模式，手機(jī)App 界面由設(shè)置參數(shù)、連接服務(wù)器、信息輸入框、信息接收框和快捷數(shù)字按鈕組成。

（三）SOS 模式

SOS 模式用于近距離發(fā)送求救信號，當(dāng)探險(xiǎn)者遇到緊急情況時(shí)，首先考慮的是發(fā)送SOS 求救信號。為了最大限度地提高硬件的使用率，用一個旋鈕同時(shí)控制燈珠的亮度和莫爾斯代碼的發(fā)送。

以旋鈕的模擬值8 為臨界值，當(dāng)旋鈕的模擬量范圍小于8 時(shí)，進(jìn)入SOS報(bào)警模式，蜂鳴器發(fā)聲，燈珠發(fā)出能閃爍的紅光且亮度不可調(diào)節(jié)，播放頻率符合SOS 的莫爾斯電碼。當(dāng)旋鈕的模擬量范圍大于等于8 時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲，燈光為淡黃色，可通過旋鈕調(diào)節(jié)亮度。

四、程序設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思維，將每個功能通過函數(shù)進(jìn)行封裝，這樣能讓程序的可讀性強(qiáng)，易糾錯、易移植。

（一）初始化模塊

設(shè)備在啟動后，首先進(jìn)行初始化。初始化過程包括物聯(lián)網(wǎng)模塊連接初始化、舵機(jī)初始化（角度歸正）、OLED顯示屏初始化、RGB 燈初始化、變量的初始化等。

（二）多功能按鈕的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字引腳5 連接按鈕1，長按時(shí)每0.5 秒判斷一次按鈕是否被按下。當(dāng)判定按鈕被按下時(shí)，變量a 增加1，設(shè)備會將變量a 除以3，并判斷其余數(shù)大小。余數(shù)為0 對應(yīng)信息面板模式，余數(shù)為1對應(yīng)信息接收模式，余數(shù)為2 對應(yīng)SOS模式。

（三）信息面板的實(shí)現(xiàn)

在信息面板模式下，RGB 燈的燈光顏色切換為用于照明的淡黃色，模擬引腳A2 連接旋鈕，將旋鈕的范圍從0～023 映射為0～255，讀取該數(shù)值以確定RGB 燈亮度。

屏幕上除頁面標(biāo)題外共顯示三行文字，分別是實(shí)時(shí)亮度（讀取旋鈕指數(shù)）、環(huán)境溫度（讀取溫濕度傳感器的數(shù)字）、環(huán)境濕度（讀取溫濕度傳感器的數(shù)字）。在信息接收模式下，RGB 燈的燈光顏色切換為用于指示的藍(lán)色，同時(shí)讀取來自手機(jī)或電腦的文字消息，定義為變量T。將變量T 顯示在屏幕上，約1 秒后進(jìn)入下一個讀取循環(huán)。

（四）SOS 求救信號的實(shí)現(xiàn)

在SOS 模式下檢測旋鈕數(shù)值，若小于8 則進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，RGB 燈的燈光顏色切換為紅色，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。若大于等于8 則進(jìn)入預(yù)備報(bào)警狀態(tài)，RGB 燈的燈光顏色切換為淡黃色，可通過旋鈕調(diào)節(jié)燈光亮度。

（五）舵機(jī)模塊的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字引腳8 接按鈕2，長按時(shí)每1.5秒判斷一次按鈕是否被按下。當(dāng)判定按鈕被按下時(shí)，變量i 增加1。設(shè)備將變量a 除以2 并判斷其余數(shù)大小。當(dāng)設(shè)備正立在地面上時(shí)，余數(shù)為0 表明舵機(jī)與地面垂直，余數(shù)為1 表明舵機(jī)與地面水平。

（六）程序主程序的實(shí)現(xiàn)

通過函數(shù)調(diào)用，將各個函數(shù)之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)整體功能。

（七） 用Appinventor 編寫手機(jī)App

五、測試運(yùn)行

將程序上傳至主控板，經(jīng)檢測，程序能正常運(yùn)行，按下按鈕切換至信息顯示模式，能完成對當(dāng)前所處環(huán)境溫濕度的檢測，并顯示當(dāng)前探照燈的光照強(qiáng)度。

按壓按鈕也能順利切換到SOS 求救模式和信息接收模式，后臺發(fā)送的指令能正常被接收并顯示在OLED 屏幕上，蜂鳴器正常發(fā)出報(bào)警聲，RGB 燈發(fā)出淡黃色照明光、藍(lán)色指示光與紅色求助光，物聯(lián)網(wǎng)模塊的信號燈能正常反映連接情況。

在打開與關(guān)閉上部的過程中，舵機(jī)能正常運(yùn)行，屏幕反轉(zhuǎn)正常。

六、進(jìn)一步改進(jìn)

制作模型應(yīng)遵循節(jié)能減排、無污染、無破壞的原則，盡量重復(fù)使用材料。因此，本演示模型的制作幾乎全部使用回收紙板。

后續(xù)我們計(jì)劃添加更多監(jiān)測環(huán)境的設(shè)備，如噪聲計(jì)、濁度計(jì)等，進(jìn)一步提高設(shè)備的通用性。在設(shè)備的外延功能上，將結(jié)合人工智能技術(shù)，使設(shè)備更智能化，以便為聽力、視力障礙等群體開展戶外活動時(shí)提供幫助。比如，后期加入語音合成模塊以及語音識別模塊，通過語音識別模塊發(fā)送信息，通過語音合成模塊讀取、播報(bào)信息。

七、項(xiàng)目制作反思

在項(xiàng)目的制作過程中，物聯(lián)網(wǎng)模塊的使用、Siot 本地服務(wù)器的配置是難點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)模塊采用4Pin 線的方式與主控板連接，4 線分別代表正極、負(fù)極、發(fā)射端、接收端。

在編程過程中值得注意的是，接線的端口號與實(shí)際編程的端口號是相反的，比如發(fā)射端接軟接口2，接收端接軟接口3，在編程時(shí)2 代表接收端，3 代表發(fā)射端。

程序上傳后，物聯(lián)網(wǎng)模塊上每一種燈的顏色可以反映物聯(lián)網(wǎng)連接的情況，據(jù)此可以查出物聯(lián)網(wǎng)通信失敗的原因所在。（指導(dǎo)老師：魏鵬飛）

作者心聲

只有冒險(xiǎn)才會有新的發(fā)現(xiàn)，若只是安于現(xiàn)狀，那么人類便無法進(jìn)步。多功能探險(xiǎn)輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，經(jīng)歷了反復(fù)的測試、修改、再測試。其設(shè)計(jì)初衷是使人們在享受探險(xiǎn)帶來樂趣的同時(shí)保障人身安全，體現(xiàn)科技創(chuàng)新的重要性。創(chuàng)新并不是空中樓閣，而是需要建立在現(xiàn)有知識的基礎(chǔ)上，這意味著要敢于變革，勇于質(zhì)疑權(quán)威，勤于獨(dú)立思考。實(shí)踐出真知，所以創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)離不開實(shí)踐。

掃一掃，看多功能探險(xiǎn)輔助設(shè)備是如何工作的

專家點(diǎn)評

李文濤、何昊澤同學(xué)的多功能探險(xiǎn)輔助設(shè)備，是一件集成式的發(fā)明作品。這項(xiàng)發(fā)明作品有以下特點(diǎn)：

首先，體現(xiàn)了作者具有較為廣闊的視野，走出了一般中學(xué)生的學(xué)習(xí)與生活范圍，進(jìn)入了“驢友”的活動圈，具有良好的創(chuàng)新意識。

其次，這項(xiàng)作品對作者的技能要求高，完成難度較大，如初始化模塊、多功能按鈕、信息面板、SOS 求救信號、舵機(jī)模塊等功能的實(shí)現(xiàn)，開源軟件與物聯(lián)網(wǎng)模塊等技術(shù)的應(yīng)用，對于高二的學(xué)生來說確實(shí)不易，體現(xiàn)了作者對相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)與應(yīng)用的能力。

最后，這項(xiàng)作品的功能較齊全，穿戴、操作較方便，是“驢友”們開展戶外活動時(shí)的好幫手，展現(xiàn)了作者的工匠精神。

但值得與作者商榷的是：高中生要完成這樣一個難度較高的項(xiàng)目，相關(guān)的科技人員、輔導(dǎo)老師等一定給予了指導(dǎo)或幫助，從學(xué)術(shù)道德與學(xué)術(shù)規(guī)范上考慮，在文本中一定要進(jìn)行說明并表示謝意。