多功能探险辅助设备

◆甘肃省秦安县第一中学 李文涛 何昊泽

本期点评专家

谭迪熬中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。

以娱乐探险为目的的部分户外活动具有危险性，需要借助辅助设备，而以研究为目的的户外活动则常常需要收集某些数据。

基于此，我们从项目设计思路、制作过程、功能设计、程序设计、测试与改进等方面，结合开源硬件Arudino、手机App 开发软件以及物联网模块，设计制作了一款集多种功能为一体的探险辅助设备，为户外探险提供帮助。

一、设计思路

设备应实现温度检测、照明、收发信息、SOS 求救四种常用功能。

起初，我们将模型设计为正方形，经过多次试用发现，使用正方形的手感欠佳，于是将其改为对称的六边形。

针对探险活动中可能出现的突发情况，我们还设计了一条腰带，并在主体、电池仓、腰带上加装滑槽，使该设备支持手持模式、摆放模式、腰部佩戴模式的配装方式。

图1 模型结构草图

图2 手持模式

图3 摆放模式

图 4 腰部佩戴模式

二、制作模型

（一） 硬件耗材及编程环境

硬件耗材包括Arduino 主控板和扩展板、OLED 液晶显示屏、温湿度传感器、物联网模块、RGB 灯等。软件编程环境选择Mind+，手机App 制作选用Appinventor。

（二）模型搭建

模型主体的外壳选用回收纸板制作，单层橙色瓦楞纸与锡箔作为装饰，铁丝作为打开上部时的支撑件。主控板、按钮及传感器集中在主体部分，主控板粘贴在前端，向两枚按钮、一枚旋钮引出杜邦线连接，作为模型的牵引。除蜂鸣器外其余模块也使用杜邦线连接，均粘贴在纸板上。

腰带由一块厚纸板、一条带有弹性的固定带制成。程序上传至主控板后，通过接入6 节五号电池，让装置实现单独运行，以适应不同的场景。

图5 模型搭建流程图

三、功能设计

（一）信息显示面板

开机即进入信息面板模式。在该模式下，显示屏显示当前环境的温湿度，为用户出行提供参考数据。当环境光线较暗时，显示屏下方的灯珠自动亮起，为用户提供照明。面板顶端的旋钮可动态调节光线亮度。

图6 信息显示面板

图7 当光线较暗时发出的黄光

（二）信息收发模式

当探险者与探险者之间、探险者与外界之间需要交流时可启动该模式，手机App 界面由设置参数、连接服务器、信息输入框、信息接收框和快捷数字按钮组成。

（三）SOS 模式

SOS 模式用于近距离发送求救信号，当探险者遇到紧急情况时，首先考虑的是发送SOS 求救信号。为了最大限度地提高硬件的使用率，用一个旋钮同时控制灯珠的亮度和莫尔斯代码的发送。

以旋钮的模拟值8 为临界值，当旋钮的模拟量范围小于8 时，进入SOS报警模式，蜂鸣器发声，灯珠发出能闪烁的红光且亮度不可调节，播放频率符合SOS 的莫尔斯电码。当旋钮的模拟量范围大于等于8 时，蜂鸣器不发声，灯光为淡黄色，可通过旋钮调节亮度。

四、程序设计

项目的实现采用面向对象程序设计思维，将每个功能通过函数进行封装，这样能让程序的可读性强，易纠错、易移植。

（一）初始化模块

设备在启动后，首先进行初始化。初始化过程包括物联网模块连接初始化、舵机初始化（角度归正）、OLED显示屏初始化、RGB 灯初始化、变量的初始化等。

（二）多功能按钮的实现

数字引脚5 连接按钮1，长按时每0.5 秒判断一次按钮是否被按下。当判定按钮被按下时，变量a 增加1，设备会将变量a 除以3，并判断其余数大小。余数为0 对应信息面板模式，余数为1对应信息接收模式，余数为2 对应SOS模式。

（三）信息面板的实现

在信息面板模式下，RGB 灯的灯光颜色切换为用于照明的淡黄色，模拟引脚A2 连接旋钮，将旋钮的范围从0～023 映射为0～255，读取该数值以确定RGB 灯亮度。

屏幕上除页面标题外共显示三行文字，分别是实时亮度（读取旋钮指数）、环境温度（读取温湿度传感器的数字）、环境湿度（读取温湿度传感器的数字）。在信息接收模式下，RGB 灯的灯光颜色切换为用于指示的蓝色，同时读取来自手机或电脑的文字消息，定义为变量T。将变量T 显示在屏幕上，约1 秒后进入下一个读取循环。

（四）SOS 求救信号的实现

在SOS 模式下检测旋钮数值，若小于8 则进入报警状态，RGB 灯的灯光颜色切换为红色，蜂鸣器发出报警声。若大于等于8 则进入预备报警状态，RGB 灯的灯光颜色切换为淡黄色，可通过旋钮调节灯光亮度。

（五）舵机模块的实现

数字引脚8 接按钮2，长按时每1.5秒判断一次按钮是否被按下。当判定按钮被按下时，变量i 增加1。设备将变量a 除以2 并判断其余数大小。当设备正立在地面上时，余数为0 表明舵机与地面垂直，余数为1 表明舵机与地面水平。

（六）程序主程序的实现

通过函数调用，将各个函数之间建立联系，实现整体功能。

（七） 用Appinventor 编写手机App

五、测试运行

将程序上传至主控板，经检测，程序能正常运行，按下按钮切换至信息显示模式，能完成对当前所处环境温湿度的检测，并显示当前探照灯的光照强度。

按压按钮也能顺利切换到SOS 求救模式和信息接收模式，后台发送的指令能正常被接收并显示在OLED 屏幕上，蜂鸣器正常发出报警声，RGB 灯发出淡黄色照明光、蓝色指示光与红色求助光，物联网模块的信号灯能正常反映连接情况。

在打开与关闭上部的过程中，舵机能正常运行，屏幕反转正常。

六、进一步改进

制作模型应遵循节能减排、无污染、无破坏的原则，尽量重复使用材料。因此，本演示模型的制作几乎全部使用回收纸板。

后续我们计划添加更多监测环境的设备，如噪声计、浊度计等，进一步提高设备的通用性。在设备的外延功能上，将结合人工智能技术，使设备更智能化，以便为听力、视力障碍等群体开展户外活动时提供帮助。比如，后期加入语音合成模块以及语音识别模块，通过语音识别模块发送信息，通过语音合成模块读取、播报信息。

七、项目制作反思

在项目的制作过程中，物联网模块的使用、Siot 本地服务器的配置是难点，物联网模块采用4Pin 线的方式与主控板连接，4 线分别代表正极、负极、发射端、接收端。

在编程过程中值得注意的是，接线的端口号与实际编程的端口号是相反的，比如发射端接软接口2，接收端接软接口3，在编程时2 代表接收端，3 代表发射端。

程序上传后，物联网模块上每一种灯的颜色可以反映物联网连接的情况，据此可以查出物联网通信失败的原因所在。（指导老师：魏鹏飞）

作者心声

只有冒险才会有新的发现，若只是安于现状，那么人类便无法进步。多功能探险辅助设备的设计与实现，经历了反复的测试、修改、再测试。其设计初衷是使人们在享受探险带来乐趣的同时保障人身安全，体现科技创新的重要性。创新并不是空中楼阁，而是需要建立在现有知识的基础上，这意味着要敢于变革，勇于质疑权威，勤于独立思考。实践出真知，所以创新精神和创新能力的培养离不开实践。

扫一扫，看多功能探险辅助设备是如何工作的

专家点评

李文涛、何昊泽同学的多功能探险辅助设备，是一件集成式的发明作品。这项发明作品有以下特点：

首先，体现了作者具有较为广阔的视野，走出了一般中学生的学习与生活范围，进入了“驴友”的活动圈，具有良好的创新意识。

其次，这项作品对作者的技能要求高，完成难度较大，如初始化模块、多功能按钮、信息面板、SOS 求救信号、舵机模块等功能的实现，开源软件与物联网模块等技术的应用，对于高二的学生来说确实不易，体现了作者对相关技术学习与应用的能力。

最后，这项作品的功能较齐全，穿戴、操作较方便，是“驴友”们开展户外活动时的好帮手，展现了作者的工匠精神。

但值得与作者商榷的是：高中生要完成这样一个难度较高的项目，相关的科技人员、辅导老师等一定给予了指导或帮助，从学术道德与学术规范上考虑，在文本中一定要进行说明并表示谢意。