基于arduino的多功能溺水救援裝置

◎重慶師范大學(xué)附屬科學(xué)城中學(xué)校初二（8）班 張煦朗 楊和昕 杜修齊

本期點(diǎn)評(píng)專家

譚迪熬 中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)院士專家咨詢工作委員會(huì)首任專家, 中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)中小學(xué)創(chuàng)造教育分會(huì)會(huì)長(zhǎng), 科技創(chuàng)新教育特級(jí)教師, 教育部國(guó)培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

一、創(chuàng)意來(lái)源

一天, 我們看到電視中報(bào)道了一則小孩溺水的新聞, 感到很痛心, 當(dāng)時(shí)就想, 如果能制作出一種高效的救援船, 或許就能避免悲劇的發(fā)生。

我們查閱資料后發(fā)現(xiàn), 一些地區(qū)水上救生設(shè)備和救援方式落后, 救援過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng), 于是提出設(shè)計(jì)一種基于arduino的多功能溺水救援裝置。

二、設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)主要利用船機(jī)的基本原理, 在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控船體的基礎(chǔ)上, 增加船的整體負(fù)載能力。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人溺水時(shí), 救援人員只需放下該船, 即可將救生圈、對(duì)講機(jī)通過(guò)遙控的方式送到溺水者的身旁, 幫助他們及時(shí)脫困。設(shè)計(jì)流程圖如圖1。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

三、制作過(guò)程

（一）硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以arduino為控制中心。當(dāng)arduino接收到遙控器發(fā)送的信號(hào)后, 控制電機(jī)旋轉(zhuǎn), 進(jìn)而帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn), 驅(qū)動(dòng)救援船前進(jìn)。本裝置的主要硬件如圖2。

圖2 主要硬件

裝置主體包括船體和控制部分。船體采用雙船體結(jié)構(gòu), 如圖3?？刂撇糠种饕刂破鳌⑿盘?hào)接收器、電池以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

圖3 船體

船體底部有一個(gè)籃子, 用于放置救生圈等設(shè)備。籃子前部有一塊擋板, 擋板可通過(guò)電動(dòng)推桿控制救生圈的收放。船體上方安裝了用于發(fā)電和存儲(chǔ)電能的太陽(yáng)能電池板、可實(shí)現(xiàn)通話功能的對(duì)講機(jī)以及便于溺水者發(fā)現(xiàn)救援設(shè)備的警示燈。

為了防止弄濕電路板, 將電路板封裝在防水盒內(nèi)部。

（二）軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí), 將信號(hào)接收模塊、電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警控制部分等各個(gè)模塊分別編程, 寫入各自的子函數(shù), 然后進(jìn)行模塊化的組合, 搭配邏輯語(yǔ)句完成main函數(shù)的設(shè)計(jì)。

運(yùn)行程序時(shí), 首先將各個(gè)模塊初始化, 比如將各個(gè)參數(shù)設(shè)置為初始值, 將接收處理信號(hào)的標(biāo)志位和數(shù)組清空。然后接收遠(yuǎn)程控制信號(hào), 根據(jù)接收的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)。軟件流程圖如圖4。

圖4 軟件流程圖

（三）實(shí)物制作和焊接

1.根據(jù)各個(gè)模塊的器件設(shè)計(jì)印制電路板（PCB）。

2.尋找專業(yè)的PCB制作廠家, 將PCB進(jìn)行打樣, 然后根據(jù)電路圖進(jìn)行焊接。

3.根據(jù)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)要求制作模型, 利用3D打印設(shè)備打印各個(gè)模塊。

4.用電烙鐵將外接的各個(gè)模塊的導(dǎo)線焊接, 用熱熔膠槍將各個(gè)部分固定。

5.將防水盒、警示燈和太陽(yáng)能電池板安裝在船體上部, 連接電路, 如圖5。

圖5 安裝了防水盒、警示燈和太陽(yáng)能電池板的船體

6.安裝擋板、電機(jī)模塊, 完成整體實(shí)物制作。

7.進(jìn)行通電測(cè)試。在水中放置一些塑料物品模擬溺水者, 操作該設(shè)備運(yùn)行到塑料物品周圍并實(shí)施救援。在距塑料物品較遠(yuǎn)的情況下, 可以遙控驅(qū)動(dòng)救援船前進(jìn)或后退, 并能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話功能, 基本實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能。

圖6 通電測(cè)試

四、活動(dòng)體會(huì)

通過(guò)本次設(shè)計(jì), 我們學(xué)習(xí)了很多新知識(shí), 了解了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理, 明白了原來(lái)生活中有很多機(jī)器都需要電機(jī)驅(qū)動(dòng), 如機(jī)器人、遙控車等。

此外, 本裝置也有需要改進(jìn)的地方, 比如可添加遠(yuǎn)程可視的視頻設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)視頻通話功能。

（指導(dǎo)老師：黃睿）

專家點(diǎn)評(píng)

“基于arduino的多功能溺水救援裝置”對(duì)于幾位初中生來(lái)說(shuō), 是一件比較好的創(chuàng)新實(shí)踐作品。關(guān)于溺水救援的裝置、報(bào)道等都比較多, 幾位同學(xué)能基于自己的思考和所掌握的技術(shù)來(lái)完成這個(gè)項(xiàng)目, 實(shí)屬不易。

值得特別贊賞的是, 很多時(shí)候大家對(duì)創(chuàng)新有心動(dòng), 但少行動(dòng)。這幾位同學(xué)能將單片機(jī)技術(shù)運(yùn)用到這個(gè)項(xiàng)目中, 充分展示了他們對(duì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用能力。

這里有兩點(diǎn)要與作者們商榷：第一, 這是一項(xiàng)集體完成的作品, 但其主要制作任務(wù)分別是由誰(shuí)完成的并未交代。第二, 該作品還只是一個(gè)簡(jiǎn)單的模型, 并沒(méi)有投入生產(chǎn)應(yīng)用, 我們應(yīng)懷有實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度, 盡量避免對(duì)其具體應(yīng)用效果的描述。