電科專業(yè)在前沿科普項目開發(fā)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(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)物理科普基地“傳遞科學(xué)知識，弘揚科學(xué)精神，培育科學(xué)文化”的指導(dǎo)思想，開展針對公眾和學(xué)生的機(jī)器人、無人機(jī)科普裝置開發(fā)：?；繁ìF(xiàn)場泄漏物成分協(xié)同檢測系統(tǒng)，新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng)，智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng)。該項目的實施將復(fù)雜的科學(xué)知識轉(zhuǎn)化為可見、可聞、通俗易懂的科普裝置，促進(jìn)科普文化氛圍營造，奉獻(xiàn)社會、服務(wù)社會。

關(guān)鍵詞：科普裝置；學(xué)科交叉；無人機(jī)；機(jī)器人

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

一、引言

習(xí)近平總書記在2016年全國科技創(chuàng)新大會上指出“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置”?？蒲信c科普的關(guān)系是鳥之兩翼，車之兩輪，而二者的最佳狀態(tài)是兩翼齊飛，兩輪齊動。將前沿的科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為公眾易于學(xué)習(xí)了解的科普產(chǎn)品，是將科學(xué)研究的成果惠及社會與公眾的最直接方法。北京化工大學(xué)物理科普基地在科普工作中致力于為學(xué)生和公眾提供前沿、開放、研究型的科普平臺，充分發(fā)揮科普基地在科研、人才和資源方面的優(yōu)勢，開展前沿科普項目研究。本文介紹物理科普基地關(guān)于無人機(jī)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車等幾項前沿科技科普裝置的研究。

1.?；繁ìF(xiàn)場泄漏物成分的無人機(jī)、機(jī)器人協(xié)同檢測裝置。利用無人機(jī)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等相關(guān)技術(shù)，在火災(zāi)發(fā)生后快速確定現(xiàn)場內(nèi)部爆炸物成分，并將現(xiàn)場內(nèi)部信息及時傳輸?shù)酵饨缦乐笓]處，快速制定出救援滅火方案，防止進(jìn)一步的人員傷亡和財產(chǎn)損失?；诒倍沸l(wèi)星定位、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，面向?；繁ㄊ鹿尸F(xiàn)場的無人機(jī)、機(jī)器人協(xié)同監(jiān)測處理系統(tǒng)，利用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)，將無人機(jī)與機(jī)器人關(guān)聯(lián)，多方位對爆炸事故場地進(jìn)行有效快速監(jiān)測。該項目可以促進(jìn)學(xué)生和公眾學(xué)習(xí)和了解無人機(jī)、機(jī)器人火災(zāi)探測、救援方面的科學(xué)知識。

2.基于電磁感應(yīng)的新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng)。針對新能源汽車?yán)m(xù)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng)，包括電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)、無線充電系統(tǒng)與汽車信息交互、太陽能自動追光供電系統(tǒng)。利用磁共振技術(shù)對新能源汽車進(jìn)行充電；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將多個汽車以及路燈、信號燈等公共設(shè)施自組網(wǎng)形成工作組，在新能源汽車與充電設(shè)備之間距離近時開啟無線充電，減少磁共振對周圍環(huán)境的影響，減少能源浪費；根據(jù)太陽能清潔無污染的特點，利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)，設(shè)計太陽能自動追光系統(tǒng)，使太陽能利用率達(dá)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(jìn)學(xué)生和公眾學(xué)習(xí)和了解新能源汽車、無線充電方面的科學(xué)知識。

3.基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng)。智能家居是以住宅為平臺，家居電器及家電設(shè)備為主要控制對象，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行高效集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的控制管理系統(tǒng)，提升家居智能、安全、便利、舒適，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的綜合智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺。智能家居控制系統(tǒng)是智能家居核心，是智能家居控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。結(jié)合智能家居的理念，研發(fā)基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng)，搭建一個智能家居實驗平臺幫助學(xué)生和公眾對物聯(lián)網(wǎng)、智能家居技術(shù)的了解和學(xué)習(xí)。

二、研究內(nèi)容

本文針對無人機(jī)、機(jī)器人、新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)前沿科學(xué)技術(shù)的科學(xué)普及，開展相關(guān)科普產(chǎn)品的研制。

1.?；繁ìF(xiàn)場泄漏物成分的無人機(jī)、機(jī)器人協(xié)同檢測系統(tǒng)。（1）GUI界面設(shè)計及人機(jī)交互軟件開發(fā)：利用Python快速生成簡單的操控界面，首先調(diào)用串口，然后將串口數(shù)據(jù)分類、識別，把各個傳感器的數(shù)據(jù)、坐標(biāo)信息提取出來分別顯示到相應(yīng)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(jìn)行實時顯示。（2）濾波器設(shè)計：在MATLAB上進(jìn)行濾波器設(shè)計，然后將設(shè)計好的濾波器轉(zhuǎn)換移植到控制器上。下一步改進(jìn)濾波器的種類，反復(fù)試驗，直到得到滿意的濾波效果。（3）在MATLAB上進(jìn)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(shù)字信息的具體意義，輸出執(zhí)行相應(yīng)指令。地圖包API調(diào)用，使用百度地圖API接口使用，并同步設(shè)置上位機(jī)接口調(diào)用參數(shù)。高性能DSP的使用以及MATLAB圖像識別與處理算法向DSP系統(tǒng)的移植。

2.基于電磁感應(yīng)的新能源汽車動態(tài)充電系統(tǒng)。

（1）無線充電技術(shù)以磁共振為基礎(chǔ)，設(shè)計發(fā)射板與接收板，發(fā)射板采用XKT801芯片作為供電模塊，XKT801芯片具有電路簡單、穩(wěn)定性高等特點。（2）通過高磁導(dǎo)率磁芯和高導(dǎo)電金屬材料對輻射磁場進(jìn)行屏蔽，避免在傳輸能量過程中對周邊環(huán)境及新能源汽車的控制系統(tǒng)可能產(chǎn)生影響。（3）基于ZigBee技術(shù)的信息傳輸系統(tǒng)，小車以STC89C52RC單片機(jī)為主控制器，L298N模塊進(jìn)行驅(qū)動，小車與環(huán)境之間通過ZigBee模塊進(jìn)行信息交流，將產(chǎn)生的信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行快速的反應(yīng)，控制無線充電的開關(guān)，在一定距離內(nèi)發(fā)送信號，供電系統(tǒng)進(jìn)行供電。

3.基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制實訓(xùn)系統(tǒng)。

（1）上位機(jī)主要由控制、顯示、監(jiān)控、實驗平臺設(shè)置、串口設(shè)置組成，主要對下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并顯示；通過采集回來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理后又可以控制下位機(jī)中的設(shè)備。（2）下位機(jī)主要由：輸入、發(fā)送、回路、設(shè)置等部分組成，輸入采集數(shù)字量、模擬量等，并將采集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上；發(fā)送將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)；回路相當(dāng)于輸出，通過將回路打開與關(guān)閉，可以控制對應(yīng)回路上的執(zhí)行器；設(shè)置可修改系統(tǒng)時間和ID號，主要用于修改ID號，使上位機(jī)和下位機(jī)能互相識別。（3）控制系統(tǒng)初始化：初始化GPIO時，需要配置RCC和GPIO。芯片的運行從GPIO體現(xiàn)，時鐘RCC相當(dāng)于“能源”，例如要使用STM32的SPI，IIC，F(xiàn)SMC等，需要配置相應(yīng)的GPIO，RCC，以及SPI，IIC，F(xiàn)SMC等。endprint

三、本文的特色與創(chuàng)新之處

1.將復(fù)雜、深奧的前沿科技知識直觀、便捷地普及給公眾。本文研發(fā)的相關(guān)科普裝置，學(xué)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(shù)以及實際應(yīng)用。

2.項目基于物理原理與學(xué)科交叉。學(xué)科交叉往往是科學(xué)問題新的生長點，且最有可能產(chǎn)生重大的科學(xué)突破。本文設(shè)置了與化學(xué)工程、化學(xué)和生物工程等應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的實踐類訓(xùn)練項目，可以提高學(xué)生和公眾對科學(xué)技術(shù)系統(tǒng)性、綜合性的認(rèn)識，促進(jìn)對學(xué)生和公眾交叉類前沿科學(xué)技術(shù)的普及。

四、研發(fā)科普裝置的應(yīng)用

1.開展中學(xué)科普授課活動。2014年以來物理科普基地基于研發(fā)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(fā)科普裝置，參加相關(guān)競賽。（1）尹亮等，“地磁場環(huán)境中霍爾效應(yīng)電子遷移演示系統(tǒng)”，全國高校第十二屆物理演示實驗教學(xué)展示二等獎，2015年10月。（2）尹亮等，“聲音時域-頻域轉(zhuǎn)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(xué)展示三等獎，教育部高等學(xué)校物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會，2015年10月。

3.培養(yǎng)本科學(xué)生科普項目研發(fā)創(chuàng)新隊伍。物理科普基地培養(yǎng)本科學(xué)生開展物理類、電子類、機(jī)器人類科普項目學(xué)習(xí)研究，參加相關(guān)科技競賽活動。（1）“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控機(jī)器人組”獲得“2016年度全國大學(xué)生智能互聯(lián)創(chuàng)新大賽”華北賽區(qū)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(chǎn)品設(shè)計大賽”全國總決賽優(yōu)秀獎（2015）。

參考文獻(xiàn)：

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