電科專業在前沿科普項目開發中的探索與實踐

尹亮+邵曉紅+郎海濤+祁欣+侯志靈

摘要：基于北京化工大學電子科學與技術專業物理科普基地“傳遞科學知識，弘揚科學精神，培育科學文化”的指導思想，開展針對公眾和學生的機器人、無人機科普裝置開發：危化品爆炸現場泄漏物成分協同檢測系統，新能源汽車動態充電系統，智能家居控制實訓系統。該項目的實施將復雜的科學知識轉化為可見、可聞、通俗易懂的科普裝置，促進科普文化氛圍營造，奉獻社會、服務社會。

關鍵詞：科普裝置；學科交叉；無人機；機器人

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）42-0132-02

一、引言

習近平總書記在2016年全國科技創新大會上指出“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置”。科研與科普的關系是鳥之兩翼，車之兩輪，而二者的最佳狀態是兩翼齊飛，兩輪齊動。將前沿的科學技術轉化為公眾易于學習了解的科普產品，是將科學研究的成果惠及社會與公眾的最直接方法。北京化工大學物理科普基地在科普工作中致力于為學生和公眾提供前沿、開放、研究型的科普平臺，充分發揮科普基地在科研、人才和資源方面的優勢，開展前沿科普項目研究。本文介紹物理科普基地關于無人機、機器人、物聯網、新能源汽車等幾項前沿科技科普裝置的研究。

1.危化品爆炸現場泄漏物成分的無人機、機器人協同檢測裝置。利用無人機、機器人、物聯網、傳感器等相關技術，在火災發生后快速確定現場內部爆炸物成分，并將現場內部信息及時傳輸到外界消防指揮處，快速制定出救援滅火方案，防止進一步的人員傷亡和財產損失。基于北斗衛星定位、物聯網技術，面向危化品爆炸事故現場的無人機、機器人協同監測處理系統，利用ZigBee自組網技術，將無人機與機器人關聯，多方位對爆炸事故場地進行有效快速監測。該項目可以促進學生和公眾學習和了解無人機、機器人火災探測、救援方面的科學知識。

2.基于電磁感應的新能源汽車動態充電系統。針對新能源汽車續航里程短、充電時間長、充電不方便等問題，利用磁共振和物聯網技術，研究新能源汽車動態充電系統，包括電磁感應無線充電系統、無線充電系統與汽車信息交互、太陽能自動追光供電系統。利用磁共振技術對新能源汽車進行充電；利用物聯網技術，將多個汽車以及路燈、信號燈等公共設施自組網形成工作組，在新能源汽車與充電設備之間距離近時開啟無線充電，減少磁共振對周圍環境的影響，減少能源浪費；根據太陽能清潔無污染的特點，利用傳感器技術和自動控制技術，設計太陽能自動追光系統，使太陽能利用率達到最大，以盡可能滿足日漸增長的汽車對能源的需求。該項目可以促進學生和公眾學習和了解新能源汽車、無線充電方面的科學知識。

3.基于ZigBee技術的智能家居控制實訓系統。智能家居是以住宅為平臺，家居電器及家電設備為主要控制對象，利用網絡通信技術、自動控制技術、安全防范技術、音視頻技術將家居生活有關的設施進行高效集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的控制管理系統，提升家居智能、安全、便利、舒適，并實現環保節能的綜合智能家居網絡控制系統平臺。智能家居控制系統是智能家居核心，是智能家居控制功能實現的基礎。結合智能家居的理念，研發基于ZigBee技術的智能家居控制實訓系統，搭建一個智能家居實驗平臺幫助學生和公眾對物聯網、智能家居技術的了解和學習。

二、研究內容

本文針對無人機、機器人、新能源汽車、物聯網相關前沿科學技術的科學普及，開展相關科普產品的研制。

1.危化品爆炸現場泄漏物成分的無人機、機器人協同檢測系統。（1）GUI界面設計及人機交互軟件開發：利用Python快速生成簡單的操控界面，首先調用串口，然后將串口數據分類、識別，把各個傳感器的數據、坐標信息提取出來分別顯示到相應的位置上，最后再將視頻信息通過USB或者WiFi采集到電腦上進行實時顯示。（2）濾波器設計：在MATLAB上進行濾波器設計，然后將設計好的濾波器轉換移植到控制器上。下一步改進濾波器的種類，反復試驗，直到得到滿意的濾波效果。（3）在MATLAB上進行圖像識別處理算法，利用邊緣檢測、分水嶺變換等手段讀取圖像數字信息的具體意義，輸出執行相應指令。地圖包API調用，使用百度地圖API接口使用，并同步設置上位機接口調用參數。高性能DSP的使用以及MATLAB圖像識別與處理算法向DSP系統的移植。

2.基于電磁感應的新能源汽車動態充電系統。

（1）無線充電技術以磁共振為基礎，設計發射板與接收板，發射板采用XKT801芯片作為供電模塊，XKT801芯片具有電路簡單、穩定性高等特點。（2）通過高磁導率磁芯和高導電金屬材料對輻射磁場進行屏蔽，避免在傳輸能量過程中對周邊環境及新能源汽車的控制系統可能產生影響。（3）基于ZigBee技術的信息傳輸系統，小車以STC89C52RC單片機為主控制器，L298N模塊進行驅動，小車與環境之間通過ZigBee模塊進行信息交流，將產生的信息傳送給單片機，單片機進行快速的反應，控制無線充電的開關，在一定距離內發送信號，供電系統進行供電。

3.基于ZigBee技術的智能家居控制實訓系統。

（1）上位機主要由控制、顯示、監控、實驗平臺設置、串口設置組成，主要對下位機數據進行采集并顯示；通過采集回來的數據，進行分析處理后又可以控制下位機中的設備。（2）下位機主要由：輸入、發送、回路、設置等部分組成，輸入采集數字量、模擬量等，并將采集到的數據顯示在液晶屏上；發送將采集到的數據發送到上位機；回路相當于輸出，通過將回路打開與關閉，可以控制對應回路上的執行器；設置可修改系統時間和ID號，主要用于修改ID號，使上位機和下位機能互相識別。（3）控制系統初始化：初始化GPIO時，需要配置RCC和GPIO。芯片的運行從GPIO體現，時鐘RCC相當于“能源”，例如要使用STM32的SPI，IIC，FSMC等，需要配置相應的GPIO，RCC，以及SPI，IIC，FSMC等。endprint

三、本文的特色與創新之處

1.將復雜、深奧的前沿科技知識直觀、便捷地普及給公眾。本文研發的相關科普裝置，學生和公眾可以直接接觸，親身動手操作，使公眾能夠直觀、深入、便捷地了解前沿科技的原理、技術以及實際應用。

2.項目基于物理原理與學科交叉。學科交叉往往是科學問題新的生長點，且最有可能產生重大的科學突破。本文設置了與化學工程、化學和生物工程等應用領域相關的實踐類訓練項目，可以提高學生和公眾對科學技術系統性、綜合性的認識，促進對學生和公眾交叉類前沿科學技術的普及。

四、研發科普裝置的應用

1.開展中學科普授課活動。2014年以來物理科普基地基于研發的科普作品，編寫研究項目方案，在昌平二中、化大附中開展近百次豐富多彩的科技授課活動。

2.研發科普裝置，參加相關競賽。（1）尹亮等，“地磁場環境中霍爾效應電子遷移演示系統”，全國高校第十二屆物理演示實驗教學展示二等獎，2015年10月。（2）尹亮等，“聲音時域-頻域轉換將聲音頻譜可視化”，全國高校第十二屆物理演示實驗教學展示三等獎，教育部高等學校物理學類專業教學指導委員會，2015年10月。

3.培養本科學生科普項目研發創新隊伍。物理科普基地培養本科學生開展物理類、電子類、機器人類科普項目學習研究，參加相關科技競賽活動。（1）“基于物聯網技術的農業智能監控機器人組”獲得“2016年度全國大學生智能互聯創新大賽”華北賽區決賽一等獎，全國總決賽的三等獎（2016）。（2）“激光投影顯示屏”獲得“BOE未來顯示產品設計大賽”全國總決賽優秀獎（2015）。

參考文獻：

[1]Jun-Beom Song. Experimental study on cascaded attitude angle control of a multi-rotor unmanned aerial vehicle with the simple internal model control method [J].Journal of Mechanical Science and Technology. 2016（30）：5167-5182.

[2]孔慶艷，袁杰，郭俊輝.自主式追蹤機器人終端行為的Petri網建模[J].計算機應用研究，2016，（11）：37-38.

[3]李志宏.物聯網技術及在智慧城市建設中的應用[J].電子技術與軟件工程，2015，（5）：24-27.endprint