智能自行車鎖

適量的騎行有助于提高免疫功能、促進下肢血液循環、增強心肺功能等，對于正處于身體發育階段的學生群體來說，是一種非常合適的運動。

根據調查，我校在校學生約5000人，其中騎自行車上下學的學生約650人，占總人數的13%。騎自行車是一項綜合運動，其好處如下：屬于有氧運動，能充分吸入氧氣，呼出二氧化碳，體內ATP消耗更多熱量；可以鍛煉下肢深部肌群如股二頭肌、股三頭肌、股四頭肌等肌群的協調能力，提高人靜息基礎代謝率；可鍛煉小腦的平衡功能和周身協調能力；可對下肢肌肉進行有效拉伸；等等。

自行車多以山地車和公路自行車為主，自行車本身不帶鎖體。使用的鎖體多為傳統的U形鎖或鋼絲鎖，但這些鎖需單獨攜帶、人工上鎖、鑰匙開鎖，其中任何一個環節出現問題都有可能導致自行車被盜或被錯騎。因此，我想參考家庭智能門鎖設計一款智能車鎖，為學生的自行車增加安全保障。

一、設計原理

目前不提倡學生攜帶智能手機入校，所以物聯網的功能并不適用，需尋找其他方式智能感知自行車的狀態，使自行車處于非騎行狀態時能實現自鎖。

同時考慮到鑰匙的攜帶具有不確定性，所以可借鑒智能門鎖的工作原理，使用指紋、面部識別（面部識別掃描人臉時的耗電量較大，防水要求高，對安裝位置及光線有要求，可以忽略）等身份識別特征完成開鎖。該設計涉及電控裝置，一旦電池缺電會導致電控設備失效，所以需要提供電量提醒功能，并且支持使用外接電源開鎖。

基于上述功能的實現，我通過在網上和圖書館查找資料了解到，可以選用單片機控制板、光電傳感器、壓力傳感器、步進電機、電機驅動模塊以及指紋識別模塊。其中最重要的部件是指紋識別模塊、光電傳感器、壓力傳感器、步進電機等。

二、結構設計

智能自行車鎖主要由鎖體、光電傳感器、壓力傳感器、指紋識別模塊、步進電機、凸輪機構、單片機控制板、電池及電源管理模塊、蜂鳴器等組成。

三、工作原理

當設備開啟后，光電傳感器及壓力傳感器可檢測自行車的狀態。若壓力傳感器接收到壓力信號，則判斷自行車為騎行狀態，光電傳感器不工作；若壓力傳感器未接收到壓力信號，光電傳感器啟動。若光電傳感器一直有信號，則說明自行車處于騎行狀態；若光電傳感器長期不能接收信號，則說明自行車處于非騎行狀態。

當單片機判斷自行車處于非騎行狀態時，控制步進電機旋轉一定的角度，讓凸輪機構帶動鎖舌運動，隨后停止并頂住鎖舌，自行車自動上鎖。當指紋傳感器獲取信號后，與指紋庫進行比對，若比對不成功，則不開鎖，當檢測到三次非法指紋開鎖時控制蜂鳴器發出警報聲；若比對成功，則控制步進電機旋轉一定的角度，讓凸輪機構開啟鎖舌，鎖舌在彈簧的作用下復位開鎖。

當電池電量低于20%時，控制蜂鳴器發出提示音并在液晶顯示器上顯示剩余電量，這時應及時給設備充電。

四、創新點

（一）自動檢測

利用光電傳感器與壓力傳感器的組合完成對自行車狀態的檢測，從而判斷自行車是否需要上鎖。

（二）自動上鎖

利用“步進電機+凸輪機構”的組合完成自動上鎖，結合創新點一，可以實現非騎行狀態下的自動上鎖功能，避免忘記上鎖的現象發生，提高自行車的安全性（可將圖中鎖舌設計為圓頭，避免輪輻妨礙上鎖）。

（三）指紋開鎖

利用指紋識別模塊實現指紋開鎖功能，利用生物識別特征完成對自行車的開鎖，簡化開鎖過程，提高便捷性。利用指紋識別模塊與蜂鳴器的組合實現報警功能，如果識別指紋與預設的指紋不符，則發出警報。

（四）電量提醒

利用蜂鳴器實現電量提醒功能，及時提醒車主更換電池，防止因電量不足問題導致無法開鎖的情況發生。同時支持外接電池，當電池電量不足時可用外接電源為設備供電。

（五）睡眠模式

當傳感器檢測到自行車處于靜止狀態時，電源管理模塊自動進入睡眠模式，僅給光電傳感器供電。當光電傳感器檢測到車輛處于騎行狀態時，睡眠模式開啟，減少耗電，延長電池使用時間。

作者心聲

從決定參與科技創新活動到確定主題再到一步步編寫程序、調試摸索、實現功能，這一路上，開心和痛苦并存。我認為很多發明創造其實都來源于自己生活中碰到的問題，能不能有所發明，有所創造，主要取決于自己會不會思考，會不會研究。為了達到預期的效果，我在前行中不斷摸索，通過查找大量的文獻，最終找到了創新點。

創新是一切事物發展的本質，科學家科研需要創新，學習也需要創新。如何培養自己的創新能力，創新的源泉又在哪呢？我認為首先要對學習或研究的事物保持好奇心。

100多年前，在沈陽東關模范學校讀書的周恩來，用稚嫩的嗓音鏗鏘有力地作出“為中華之崛起而讀書”的回答。21世紀是一個追求科技創新的世紀，實現中華民族偉大復興的中國夢，渴望擁有更多具備創新精神與創新能力的人才。（指導老師：湯磊）

專家點評

王浩丞同學的智能自行車鎖，是一項較典型的創新實踐作品。由于其項目內容屬于專業技術領域里公眾的關注點，市場已出現各式各樣的自行車智能鎖。不過，王浩丞在這個作品的創新實踐過程中，實現了對創新實踐能力自我培養的追求。通過確定主題到一步步地編寫程序、調試摸索、實現設計功能環節等，他的思維與動手實踐等各個方面的能力都得到了強有力的培養。這件作品也展現了他對相關技術的學習與應用的綜合能力。

這里提出的建議是：同學們在進行科技創新選題時，一定要考慮創意來源的技術領域背景，難以駕馭一般專業技術較強的A類項目，同時由于知識與能力的不足，還有可能影響到正常的學習或健康。所以，要選取真能“跳起來就能摘到桃子”的B類項目，且在解題時把握好“疑難問題智能化、復雜問題簡單化、簡單問題巧妙化、常規問題精細化”等基本規律。

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。