李 棚 ，孔 健 ，項莉萍

（1.六安職業(yè)技術學院 信息與電子工程學院，安徽 六安237100；2.合肥幼兒師范高等?？茖W校 學前教育系，安徽 合肥230011）

智能車創(chuàng)客教育平臺是一款涉及到電子、機械、工程、軟件等技術的復合型平臺，該平臺在教育領域擁有十分巨大的教育價值，在培養(yǎng)學生分析能力、創(chuàng)造能力和實踐能力等方面具有重要的現(xiàn)實意義［1］.隨著科技的進步，國內(nèi)市場推出了眾多的科技教育平臺，這些平臺逐漸進入到學校實驗室、培訓機構(gòu)和部分家庭，提高了對智能控制技術的認知度和認可度［2］.由于涉及到商業(yè)利益的存在，各大公司開發(fā)的教育平臺，存在封裝嚴密、開放性不足，結(jié)構(gòu)獨特、通用性不足，價格昂貴、親民性不足［3-4］.筆者借助開源軟件及硬件，構(gòu)建智能車創(chuàng)客教育平臺，以友好的界面、開放的接口、優(yōu)質(zhì)延續(xù)性、親民的價格，服務于中國青少年創(chuàng)客教育.

1 平臺軟硬件構(gòu)建概述

1.1 平臺的硬件結(jié)構(gòu)

采用Arduino板作為智能車的控制核心，藍牙模塊通過串口實現(xiàn)信息的傳輸，通過電機控制模塊實現(xiàn)對電機的控制，控制Led燈模擬車燈和控制蜂鳴器鳴叫模擬車輛的鳴笛（見圖1）.Arduino板是由米蘭交互設計學院David C和Massimo B設計，于2005年推出基于開放原始代碼的Simple I/O平臺.該平臺的硬件采用AVR單片機制作開源的、通用的開發(fā)板，經(jīng)過多年的積累，已經(jīng)實現(xiàn)多版本、多系列、多應用的公共平臺（見圖2）［5］.軟件采用 Arduino IDE編譯器，該編譯器具有類似 Java、C語言的開發(fā)環(huán)境，可以快速使用Arduino語言與Flash、Processing、Android等軟件完成互動作品設計.

圖1 智能車硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 MX1508電機驅(qū)動模塊

硬件平臺的關鍵點在于對智能車電機的驅(qū)動，采用MX1508（SOP-16）四通道雙路有刷直流馬達驅(qū)動芯片.該芯片的IC電路內(nèi)部集成了兩通道的H橋驅(qū)動電路，具備從2 V到9.6 V較寬的工作電壓，最大持續(xù)輸出電流達到0.8 A，最大峰值輸出電流達到1.5 A.最大持續(xù)輸出電流達到1.5 A，最大峰值輸出電流達到2 A，能夠滿足2驅(qū)動或4驅(qū)動智能車的多個方向變速運動.

1.2 平臺的軟件結(jié)構(gòu)

為了降低青少年學習編程技術的入門難度，平臺采用Arduino Block編程軟件和App Inventor 2編程軟件.這兩種編程軟件，都采用圖形化、模塊化編程，通過搭積木的形式實現(xiàn)軟件程序的編寫［6-7］.青少年可以通過智能車創(chuàng)客教育平臺提供的學習輔導資料，快速的學習硬件控制程序開發(fā)、App應用開發(fā)，將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實（見圖3）.

圖3 智能車創(chuàng)客教育平臺系統(tǒng)框圖

2 手機遙控智能車的實現(xiàn)

采用智能車創(chuàng)客教育平臺，通過圖形化編程軟件編寫相關的App控制界面和下位機驅(qū)動程序，在智能車平臺上實語音控制、加速度控制、按鍵控制，共3種控制模式，實現(xiàn)車燈、鳴笛、停止、前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、速度，共8種狀態(tài)的切換.

2.1 下位機Arduino程序設計

程序設計采用3位數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行車輛狀態(tài)控制，百位為功能狀態(tài)，1為運動功能，2為速度功能，3為車輛輔助功能.個位為狀態(tài)參數(shù)，在運動功能條件下，0為停止狀態(tài)，1為前進狀態(tài)，2為后退狀態(tài)，3為左轉(zhuǎn)狀態(tài)，4為右轉(zhuǎn)狀態(tài)；在速度功能下，10～99是速度控制參數(shù)；在車輛輔助功能下，1位車燈控制狀態(tài)，2位鳴笛控制狀態(tài)（見圖4）.

圖4 智能車控制平臺軟件流程圖

下位機接收到串口數(shù)據(jù)后，便通過對該數(shù)據(jù)的取模和求商獲得百位和個位的參數(shù)，根據(jù)相應的功能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)相應的控制模式.圖5為串口數(shù)據(jù)的讀取與解析.

圖5 智能車平臺及Arduino Block串口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理流程

Arduino Block軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，將串口數(shù)據(jù)的讀取進行模塊化，只需要設置一個Num_serial變量，便可以將串口數(shù)據(jù)讀入到變量中.通過給模擬量賦值模塊，將串口Num_serial數(shù)據(jù)對100進行除法運算，獲得百位的數(shù)字，賦值給Functio變量，作為智能車功能控制判斷依據(jù).將串口Num_serial數(shù)據(jù)對100進行求余運算，獲得后兩位數(shù)據(jù)，將后兩位數(shù)據(jù)賦值給Parameter變量，作為智能車運動狀態(tài)的判讀依據(jù).

2.2 上位機App Inventor 2程序設計

手機與智能車進行通信時，安卓程序首先要進行藍牙連接，在藍牙連接的基礎上進行后續(xù)控制.其中，姿態(tài)控制與觸摸控制及語音控制為互鎖狀態(tài)的，即一旦姿態(tài)控制起作用的時候，語音識別和觸摸控制將失效，程序流程見圖6.

圖6 智能車安卓控制程序流程圖

姿態(tài)控制根據(jù)手機獲取的X，Y，Z三坐標的值進行車輛運行狀態(tài)控制，為了減小控制誤差，將檢測數(shù)據(jù)放大10倍.當X方向數(shù)據(jù)在-20～+20之間時，為靜止狀態(tài)，向串口發(fā)送100數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛的停止控制；當X方向數(shù)據(jù)大于20時，為左傾狀態(tài)，向串口發(fā)送103數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛左轉(zhuǎn)；當X方向數(shù)據(jù)小于-20時，為右傾狀態(tài)，向串口發(fā)送104數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛的右轉(zhuǎn)；當Y方向數(shù)據(jù)大于20時，為后仰狀態(tài)，向串口發(fā)送102數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛的后退；當Y方向數(shù)據(jù)小于-20時，為前仰狀態(tài)，向串口發(fā)送101數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛的前進.手機的語音識別借助第三方插件，進行語音識別，將識別的語音轉(zhuǎn)換成相關數(shù)據(jù)，其中識別出來的“向前”轉(zhuǎn)換為“101”，“向后”轉(zhuǎn)換為“102”，“左轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)換為“103”，“右轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)換為“104”，然后，將相應的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的控制.

圖7 App Inventor 2編寫界面及藍牙連接程序

采用App Inventor 2軟件編寫前臺操作界面和后臺操作程序（見圖7）.通過拖動模塊及按鈕創(chuàng)建控制界面，使用程序模塊疊加實現(xiàn)控制程序的編寫.編寫藍牙連接程序時，控制界面上只需要一個“連接”按鈕，當該按鈕被點擊后，根據(jù)按鈕上顯示文本進行藍牙設備的狀態(tài)切換.當顯示為“連接”時，讓藍牙客戶端連接設備的參數(shù)地址為“選擇設備的選中項”，同時按鈕顯示字符為“斷開”；當顯示為“斷開”時點擊按鈕，調(diào)用 “藍牙客戶端斷開已連接設備”模塊，完成藍牙的斷開，同時按鈕顯示字符為“連接”.

3 結(jié)語

智能車創(chuàng)客教育平臺可以作為青少年創(chuàng)客教育的綜合實訓平臺，該平臺滿足模塊化Arduino Block軟件、App Inventor 2軟件的編程教學，通過這兩種模塊化的語言學習能夠降低控制語言的難度，增強青少年學習樂趣，掌握從移動端到控制端的創(chuàng)客類編程技術.該創(chuàng)客教育平臺的軟硬件均具有開源性，能夠作為后續(xù)高級編程語言學習的平臺，價格適中，更能滿足廣泛的群體需求，進而全面普及青少年創(chuàng)客教育.

［1］葛艷紅.基于物聯(lián)網(wǎng)的教育機器人關鍵技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2013：1.

［2］張劍平，王益.機器人教育：現(xiàn)狀、問題與推進策略［J］.中國電化教育，2006（12）：65-68.

［3］沈聰.基于創(chuàng)客教育理念的機器人教學模式初探［J］.中國信息技術教育，2017（7）：111-112.

［4］郭瀚成.淺析機器人與創(chuàng)客教育［J］.中國信息技術教育，2017（2）：106-108.

［5］胡洪鈞，肖順根.Arduino 教學實驗箱設計與實驗項目開發(fā)［J］.新鄉(xiāng)學院學報，2017，34（3）：70-73.

［6］田志穎.基于Android的移動學習軟件設計與實現(xiàn)［D］.曲阜：曲阜師范大學，2016.

［7］高成英.項目教學法應用于《App Inventor程序設計》教學［J］.教育，2015（29）：23-27.