多功能探險輔助設備

◆甘肅省秦安縣第一中學 李文濤 何昊澤

本期點評專家

譚迪熬中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。

以娛樂探險為目的的部分戶外活動具有危險性，需要借助輔助設備，而以研究為目的的戶外活動則常常需要收集某些數據。

基于此，我們從項目設計思路、制作過程、功能設計、程序設計、測試與改進等方面，結合開源硬件Arudino、手機App 開發軟件以及物聯網模塊，設計制作了一款集多種功能為一體的探險輔助設備，為戶外探險提供幫助。

一、設計思路

設備應實現溫度檢測、照明、收發信息、SOS 求救四種常用功能。

起初，我們將模型設計為正方形，經過多次試用發現，使用正方形的手感欠佳，于是將其改為對稱的六邊形。

針對探險活動中可能出現的突發情況，我們還設計了一條腰帶，并在主體、電池倉、腰帶上加裝滑槽，使該設備支持手持模式、擺放模式、腰部佩戴模式的配裝方式。

圖1 模型結構草圖

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） 硬件耗材及編程環境

硬件耗材包括Arduino 主控板和擴展板、OLED 液晶顯示屏、溫濕度傳感器、物聯網模塊、RGB 燈等。軟件編程環境選擇Mind+，手機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 節五號電池，讓裝置實現單獨運行，以適應不同的場景。

圖5 模型搭建流程圖

三、功能設計

（一）信息顯示面板

開機即進入信息面板模式。在該模式下，顯示屏顯示當前環境的溫濕度，為用戶出行提供參考數據。當環境光線較暗時，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調節光線亮度。

圖6 信息顯示面板

圖7 當光線較暗時發出的黃光

（二）信息收發模式

當探險者與探險者之間、探險者與外界之間需要交流時可啟動該模式，手機App 界面由設置參數、連接服務器、信息輸入框、信息接收框和快捷數字按鈕組成。

（三）SOS 模式

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

以旋鈕的模擬值8 為臨界值，當旋鈕的模擬量范圍小于8 時，進入SOS報警模式，蜂鳴器發聲，燈珠發出能閃爍的紅光且亮度不可調節，播放頻率符合SOS 的莫爾斯電碼。當旋鈕的模擬量范圍大于等于8 時，蜂鳴器不發聲，燈光為淡黃色，可通過旋鈕調節亮度。

四、程序設計

項目的實現采用面向對象程序設計思維，將每個功能通過函數進行封裝，這樣能讓程序的可讀性強，易糾錯、易移植。

（一）初始化模塊

設備在啟動后，首先進行初始化。初始化過程包括物聯網模塊連接初始化、舵機初始化（角度歸正）、OLED顯示屏初始化、RGB 燈初始化、變量的初始化等。

（二）多功能按鈕的實現

數字引腳5 連接按鈕1，長按時每0.5 秒判斷一次按鈕是否被按下。當判定按鈕被按下時，變量a 增加1，設備會將變量a 除以3，并判斷其余數大小。余數為0 對應信息面板模式，余數為1對應信息接收模式，余數為2 對應SOS模式。

（三）信息面板的實現

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，讀取該數值以確定RGB 燈亮度。

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

（四）SOS 求救信號的實現

在SOS 模式下檢測旋鈕數值，若小于8 則進入報警狀態，RGB 燈的燈光顏色切換為紅色，蜂鳴器發出報警聲。若大于等于8 則進入預備報警狀態，RGB 燈的燈光顏色切換為淡黃色，可通過旋鈕調節燈光亮度。

（五）舵機模塊的實現

數字引腳8 接按鈕2，長按時每1.5秒判斷一次按鈕是否被按下。當判定按鈕被按下時，變量i 增加1。設備將變量a 除以2 并判斷其余數大小。當設備正立在地面上時，余數為0 表明舵機與地面垂直，余數為1 表明舵機與地面水平。

（六）程序主程序的實現

通過函數調用，將各個函數之間建立聯系，實現整體功能。

（七） 用Appinventor 編寫手機App

五、測試運行

將程序上傳至主控板，經檢測，程序能正常運行，按下按鈕切換至信息顯示模式，能完成對當前所處環境溫濕度的檢測，并顯示當前探照燈的光照強度。

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

在打開與關閉上部的過程中，舵機能正常運行，屏幕反轉正常。

六、進一步改進

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

后續我們計劃添加更多監測環境的設備，如噪聲計、濁度計等，進一步提高設備的通用性。在設備的外延功能上，將結合人工智能技術，使設備更智能化，以便為聽力、視力障礙等群體開展戶外活動時提供幫助。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送信息，通過語音合成模塊讀取、播報信息。

七、項目制作反思

在項目的制作過程中，物聯網模塊的使用、Siot 本地服務器的配置是難點，物聯網模塊采用4Pin 線的方式與主控板連接，4 線分別代表正極、負極、發射端、接收端。

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

程序上傳后，物聯網模塊上每一種燈的顏色可以反映物聯網連接的情況，據此可以查出物聯網通信失敗的原因所在。（指導老師：魏鵬飛）

作者心聲

只有冒險才會有新的發現，若只是安于現狀，那么人類便無法進步。多功能探險輔助設備的設計與實現，經歷了反復的測試、修改、再測試。其設計初衷是使人們在享受探險帶來樂趣的同時保障人身安全，體現科技創新的重要性。創新并不是空中樓閣，而是需要建立在現有知識的基礎上，這意味著要敢于變革，勇于質疑權威，勤于獨立思考。實踐出真知，所以創新精神和創新能力的培養離不開實踐。

掃一掃，看多功能探險輔助設備是如何工作的

專家點評

李文濤、何昊澤同學的多功能探險輔助設備，是一件集成式的發明作品。這項發明作品有以下特點：

首先，體現了作者具有較為廣闊的視野，走出了一般中學生的學習與生活范圍，進入了“驢友”的活動圈，具有良好的創新意識。

其次，這項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、舵機模塊等功能的實現，開源軟件與物聯網模塊等技術的應用，對于高二的學生來說確實不易，體現了作者對相關技術學習與應用的能力。

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

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目，相關的科技人員、輔導老師等一定給予了指導或幫助，從學術道德與學術規范上考慮，在文本中一定要進行說明并表示謝意。