家庭智造：便攜式照明報(bào)警一體機(jī)

劉佳

“創(chuàng)客”（Maker）一詞來自西方20世紀(jì)60年代的DIY文化，泛指敢于創(chuàng)新，并通過動(dòng)手實(shí)踐將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的人。本文談及的創(chuàng)客作品的設(shè)計(jì)靈感來源于筆者日常生活。夜晚獨(dú)自走路存在一定的安全隱患，部分區(qū)域燈光照明不足，遇到危險(xiǎn)時(shí)手機(jī)報(bào)警不及時(shí)，因此筆者設(shè)計(jì)了一款集照明和報(bào)警功能于一體、兼具便攜性和實(shí)用性的產(chǎn)品。作品基于童心制物（Makeblock）自主研發(fā)的主控板童芯派，通過慧編程中的積木塊圖形化編程可以實(shí)現(xiàn)快速編程，將程序上傳到設(shè)備，外接移動(dòng)電源即可實(shí)現(xiàn)便攜移動(dòng)。

● 設(shè)計(jì)思路

顯示功能：屏幕顯示環(huán)境光強(qiáng)度和搖晃強(qiáng)度。

照明功能：當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度低于5并且開啟照明開關(guān)，則LED燈全部開啟;當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度高于5或關(guān)閉照明開關(guān)則LED燈全部關(guān)閉。此控制可以保證光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，即使誤觸開關(guān)也不浪費(fèi)電量;光照強(qiáng)度較低時(shí)，可以手動(dòng)控制LED燈開閉，增強(qiáng)人性化，并節(jié)約能源。

報(bào)警功能：當(dāng)面對(duì)危險(xiǎn)時(shí)，出于本能可以快速奔跑，當(dāng)產(chǎn)品搖晃強(qiáng)度高于30時(shí)會(huì)發(fā)出“警告”音，若無法迅速奔跑逃生，則可以兩次或多次按搖桿中間，產(chǎn)品會(huì)發(fā)出“警告”音。當(dāng)環(huán)境安全后，可以切斷電源關(guān)閉警報(bào)。采用兩種形式觸發(fā)報(bào)警功能，安全系數(shù)更高。

● 硬件準(zhǔn)備

本產(chǎn)品所需硬件主要包括童芯派主控板、移動(dòng)電源及USB（type-C）連接線。

1.童芯派主控板

童芯派（CyberPi）主控板采用ESP32-WROVER-B芯片（如圖1），物理接口包括USB（type-C）、擴(kuò)展板接口及mBuild電子模塊接口，產(chǎn)品尺寸為84mm×35mm×13mm，僅重36g。配備全彩顯示屏，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;1個(gè)Micro USB接口，用于供電和與計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行通信;多個(gè)板載傳感器，如光線傳感器和陀螺儀，能夠輸出多種數(shù)據(jù);5個(gè)LED燈，能夠呈現(xiàn)豐富的燈光效果;支持圖形化編程，適合零基礎(chǔ)編程。

其中：①全彩顯示屏提供顯示功能;②RGB燈帶提供照明功能;③揚(yáng)聲器提供報(bào)警功能;④光線傳感器用于環(huán)境光強(qiáng)度測(cè)量;⑤陀螺儀用于搖晃強(qiáng)度測(cè)量;⑥按鈕A、B及搖桿提供控制功能;⑦USB接口（Type-C）可連接計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)編程下載，可連接移動(dòng)電源獲取電源。

2.移動(dòng)電源

移動(dòng)電源為主控板提供電源，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的便攜性，選取輸出電壓5V、輸出電流2.1A的移動(dòng)電源即可。

3.USB（type-C）連接線

連接主控板和移動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)供電（如圖2）。

● 情景呈現(xiàn)

當(dāng)使用者攜帶該作品夜間出行時(shí)，可以將移動(dòng)電源放在包里或口袋中，手持主控板，也可以將移動(dòng)電源與主控板封裝在一個(gè)亞克力盒子內(nèi)。電源連接后，屏幕顯示當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度和搖晃強(qiáng)度。行至光線較暗處時(shí)，若環(huán)境光強(qiáng)度低于5，可以按動(dòng)按鈕A，此時(shí)LED燈光全部亮起。當(dāng)走到照明條件好的區(qū)域時(shí)，LED燈光會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，若想提前手動(dòng)關(guān)閉燈光，按動(dòng)按鈕B即可。若發(fā)現(xiàn)有人尾隨存在危險(xiǎn)時(shí)，可以邊跑邊搖晃手中的主控板或連續(xù)多次按下?lián)u桿中間，作品會(huì)發(fā)出警報(bào)，直到切斷電源。

● 程序原理

本項(xiàng)目采用圖形化編程界面，通過類似積木的編程環(huán)境構(gòu)建互動(dòng)多媒體環(huán)境，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的編程控制，編程語言如圖3所示。

1.變量

系統(tǒng)可以偵測(cè)“環(huán)境光強(qiáng)度”和“搖晃強(qiáng)度”，在測(cè)試情況下，重復(fù)執(zhí)行顯示這兩個(gè)變量并換行，每測(cè)完一次清空顯示屏。結(jié)合真實(shí)使用情境，“環(huán)境光強(qiáng)度”低于5認(rèn)為光照條件不好，需要開啟照明，而且跑步逃生或搖晃手臂時(shí)“搖晃強(qiáng)度”高于30。

創(chuàng)建變量“照明開關(guān)”實(shí)現(xiàn)環(huán)境光強(qiáng)度低于5的情況下，仍能手動(dòng)控制燈光的開閉。當(dāng)主控板啟動(dòng)時(shí)，“照明開關(guān)”的初始量為0，按下按鈕A將“照明開關(guān)”設(shè)為1，再按下按鈕B則將“照明開關(guān)”設(shè)為0，實(shí)現(xiàn)對(duì)該變量的控制。

2.邏輯關(guān)系

所有邏輯量共有與、或、非三種邏輯關(guān)系，本產(chǎn)品編程涉及到與、或兩種邏輯關(guān)系。只有環(huán)境較暗并且照明開關(guān)開啟的情況下，LED燈才會(huì)變量，所以采用“與”邏輯控制產(chǎn)品照明功能。搖晃報(bào)警裝置或者連續(xù)多次按動(dòng)搖桿中間都能實(shí)現(xiàn)報(bào)警，所以采用“或”邏輯控制產(chǎn)品報(bào)警功能。

3.條件判斷

條件判斷包括：重復(fù)執(zhí)行、重復(fù)執(zhí)行直到…、如果…那么…、如果…那么…否則…。該作品編程使用重復(fù)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境光強(qiáng)度及搖晃強(qiáng)度，使用“如果…那么…否則…”實(shí)現(xiàn)照明功能的開閉，使用“如果…那么…”實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的開閉（如上表）。

熟練使用條件判斷使其達(dá)到預(yù)想的效果是創(chuàng)客作品開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，也是實(shí)際教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，在調(diào)試程序的過程中，應(yīng)注意不要一次性地把程序所有的功能編完再查看執(zhí)行效果，而應(yīng)先實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能，再慢慢添加新的功能，添加新功能時(shí)，應(yīng)注意測(cè)試該功能是否和已有功能沖突。讓學(xué)生經(jīng)歷困難，加以適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)撥，適時(shí)引入新的算法來實(shí)現(xiàn)某些特定效果，這樣才能在教學(xué)中取得比較好的效果。

創(chuàng)客不僅僅是學(xué)習(xí)課本上的知識(shí)，而是學(xué)生用自己的發(fā)明創(chuàng)造去解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題。軟硬件結(jié)合的創(chuàng)作方式，支持物聯(lián)網(wǎng)及局域網(wǎng)應(yīng)用，可以為學(xué)生創(chuàng)作簡易智能家居設(shè)備提供無限可能。在聯(lián)網(wǎng)模式下，配合更多的傳感器，這個(gè)報(bào)警器可以更加實(shí)用和智能。此外，在今后的教學(xué)中，教師可以將計(jì)算思維融到創(chuàng)客教育中，將日常生活情境融入教學(xué)實(shí)踐，以取得更好的效果。