基于模擬信號傳感器的掌控板物聯網實驗

【摘 要】開源硬件掌控板和各類傳感器結合的物理實驗可以實現數據的精確測量。很多物理量取值是連續(xù)變化的，本文基于模擬信號傳感器結合掌控板物聯網技術設計斜面探究實驗，將傳統(tǒng)的物理實驗結合開源硬件及物聯網技術做出新的嘗試，能讓數據可視化。在設計制作本實驗過程中，結合創(chuàng)客教育與STEM教育理念，實現跨學科學習，更有趣的研究，更精準的實驗。

【關鍵詞】模擬傳感器；掌控板；SloT；物聯網；斜面實驗

【中圖分類號】G434" 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）012-067-02

掌控板目前在中小學已經成為主流的開源硬件[1]。隨著創(chuàng)客教育的興起，STEM教育將逐步走入中小學，改變學生的學習方式，減少標準化教學和應試教育在大家心中形成的共識[2]。物理作為中學科學領域中的一門重要課程，中學物理實驗方式大多由教師上課時統(tǒng)一詳細講解，學生則按照教師要求或者固定實驗步驟，按部就班地順利完成實驗操作。這使得學生不用思考實驗設計思路和方案的擬定，只是被動接受教育，不利于學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。這迫切需要我們思考如何將物理等學科與創(chuàng)客教育、STEM教育有機結合，提升學生的科學素養(yǎng)[3]。

基于模擬信號傳感器的掌控板物聯網實驗有非常多的應用領域，例如聲音傳感器對夜間環(huán)境噪音的檢測用于城市管理、超聲波傳感器檢測距離的變化用于裝置藝術、二氧化碳傳感器檢測泄漏氣體的濃度用于消防安全等[4]。本文根據超聲波傳感器的特性，對中學物理中的斜面問題搭建實驗裝置并進行實驗探究。

研究背景

中學物理中斜面問題千變萬化，以斜面為載體可以編制各類題目。生活中斜面有很多應用，由運動學規(guī)律可知，物體沿斜面運動時間可能會受到斜面傾斜角、斜面長度、高度等因素影響。這些物理量的值是連續(xù)變化的，需要模擬傳感器測量其數值。

設計斜面實驗裝置

設計斜面實驗裝置（圖1），包括數據采集裝置與可調傾斜角的斜面滑軌裝置。在物理實驗中經常會因人的因素而影響實驗數據的精度，可以采用自動化控制來啟動實驗測量。在創(chuàng)客項目中我們經常用超聲波傳感器來測距離變化，本實驗用開源硬件與超聲波傳感器來探究小車在斜面上的運動規(guī)律。

1.數據采集裝置

數據采集裝置由主控、啟動裝置、測量裝置三部分構成。主控由3塊掌控板組成：掌控板A裝到小車上，獲取超聲波傳感器位移數據并上傳數據到SloT服務器。掌控板B與舵機相連，控制閘機旋轉。掌控板C寫入遙控程序，發(fā)出控制信號，相當于遙控器作用。測量裝置由小車、掌控板A、超聲波傳感器、加速度傳感器（內置于掌控板）組成。將超聲波傳感器安裝到小車前端，掌控板A固定到車身，連接好電路。超聲波位移傳感器將超聲波模擬信號轉換為電信號，記錄發(fā)射信號和接收信號的時間差t，超聲波在空氣中的傳播速度為v，利用位移x=vt/2，計算得出物體的位移。啟動裝置由掌控板B、掌控板C、舵機、閘桿組成。用遙控方式控制閘桿釋放小車，保證掌控板計時與小車從靜止開始運動同步，減小誤差。

2.可調傾斜角的斜面滑軌

激光切割制作長80cm，寬20cm的斜面木板，Makeblock散件搭建底座，拼裝成可調節(jié)傾斜角的斜面。在斜面上安置兩條平行滑軌，防止小車下滑時偏移。在斜面底部安裝緩沖橡皮繩，起到緩沖作用。

數據采集與傳輸

本實驗的數據采集與傳輸用到mPython編程平臺與SIoT物聯網平臺。mPython編程平臺主要對掌控板進行編程，根據實驗要求采集數據；SIoT物聯網平臺用于實時上傳與下載數據。中小學物聯網實驗探究中采用SIoT進行采集傳輸數據非常方便，能在本地化部署。在mPython平臺中能直接啟用SIoT，便于實驗教學。數據采集與傳輸的流程為：啟動測量裝置，舵機開啟時發(fā)送信息到SloT，開始采集數據，小車運動結束后將數據上傳SloT服務器。

1.數據采集的程序設計

掌控板A與超聲波傳感器采集連續(xù)變化的位移數據。結合mPython編程平臺，根據數據采集與傳輸流程，對掌控板編程。

2.數據傳輸的協(xié)同設計

本實驗采用了3塊掌控板來實現，三塊掌控板各有分工，協(xié)調工作，B與C掌控板的協(xié)同工作設計是為了A掌控板能獲得精準實驗數據而服務的。A、B、C三塊掌控板采用UDP傳輸協(xié)議，這是一種無需建立連接就可以發(fā)送封裝的IP數據包的方法，目的是減少人為干擾因素，設計遠程啟動裝置，獲得的實驗數據更精準。

探究實驗

1.實驗目的

探究小車沿斜面的運動是勻加速直線運動。

2.實驗步驟

（1）將斜面置于水平桌面上，準備實驗。（2）調節(jié)斜面傾斜角，將小車放置在斜面頂端。接通電源，開啟啟動裝置，小車沿斜面下滑，采集位移、時間、加速度等運動信息，并上傳數據到SloT。（3）根據SloT數據信息，用excel繪制位移與時間平方的圖像。（4）改變斜面傾斜角，重復步驟2、3，多做幾次。

3.實驗結論

（1）由圖像可得，位移時間平方圖像的趨勢線方程為x=13.59t^2+2.2138，據初速度為零的勻變速直線運動位移公式x=at^2/2，可得加速度a=0.27m/s∧2。在誤差允許范圍內，加速度是一常數，說明小車沿斜面下滑的運動是勻加速直線運動。（2）實驗測得斜面傾斜角θ=5.3度時，加速度傳感器顯示數據為a=0.87m/s∧2。由牛頓第二定律得：mgsinθ=ma。加速度的理論值為a=9.8×sin5.3=0.905m/s∧2。0.87lt;0.905，即測量值小于理論值。造成誤差的原因是小車車輪與導軌有摩擦及空氣阻力的影響。

結" 語

模擬信號傳感器、掌控板和SloT物聯網技術的不斷發(fā)展為創(chuàng)意實驗走進課堂提供了條件。學生通過項目實踐可以獲得包括人際溝通、團隊協(xié)作、創(chuàng)新問題解決、批判性思維和專業(yè)技能等多方面的提升；利用傳感器技術實時采集處理數據更精確，圖像顯示更直觀；將考試題、生活現象等與物理實驗結合，學生根據自身條件和興趣選擇學習，設計創(chuàng)意實驗，學生參與到實驗的各個環(huán)節(jié)，實驗設計、制作、編程、實驗操作、數據處理等，在此過程中不斷學習、解決問題，真正培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

參考文獻

雒亮，祝智庭. 開源硬件：撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿[J]. 中國電化教育，2015（4）.

張爭光. 創(chuàng)客教育與物理教學的有效融合[J]. 教學與管理，2016（10）.

楊雪. 將創(chuàng)客教育融入中學物理課堂初探[D]. 昆明：云南師范大學，2017.

祝智庭，樊磊. 信息技術選擇性必修6-開源硬件項目設計[M]. 北京：人民教育出版社，2020.

作者單位：廣東深圳市第二高級中學