电科专业在前沿科普项目开发中的探索与实践

摘要：基于北京化工大学电子科学与技术专业物理科普基地“传递科学知识，弘扬科学精神，培育科学文化”的指导思想，开展针对公众和学生的机器人、无人机科普装置开发：危化品爆炸现场泄漏物成分协同检测系统，新能源汽车动态充电系统，智能家居控制实训系统。该项目的实施将复杂的科学知识转化为可见、可闻、通俗易懂的科普装置，促进科普文化氛围营造，奉献社会、服务社会。

关键词：科普装置；学科交叉；无人机；机器人

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）42-0132-02

一、引言

习近平总书记在2016年全国科技创新大会上指出“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”。科研与科普的关系是鸟之两翼，车之两轮，而二者的最佳状态是两翼齐飞，两轮齐动。将前沿的科学技术转化为公众易于学习了解的科普产品，是将科学研究的成果惠及社会与公众的最直接方法。北京化工大学物理科普基地在科普工作中致力于为学生和公众提供前沿、开放、研究型的科普平台，充分发挥科普基地在科研、人才和资源方面的优势，开展前沿科普项目研究。本文介绍物理科普基地关于无人机、机器人、物联网、新能源汽车等几项前沿科技科普装置的研究。

1.危化品爆炸现场泄漏物成分的无人机、机器人协同检测装置。利用无人机、机器人、物联网、传感器等相关技术，在火灾发生后快速确定现场内部爆炸物成分，并将现场内部信息及时传输到外界消防指挥处，快速制定出救援灭火方案，防止进一步的人员伤亡和财产损失。基于北斗卫星定位、物联网技术，面向危化品爆炸事故现场的无人机、机器人协同监测处理系统，利用ZigBee自组网技术，将无人机与机器人关联，多方位对爆炸事故场地进行有效快速监测。该项目可以促进学生和公众学习和了解无人机、机器人火灾探测、救援方面的科学知识。

2.基于电磁感应的新能源汽车动态充电系统。针对新能源汽车续航里程短、充电时间长、充电不方便等问题，利用磁共振和物联网技术，研究新能源汽车动态充电系统，包括电磁感应无线充电系统、无线充电系统与汽车信息交互、太阳能自动追光供电系统。利用磁共振技术对新能源汽车进行充电；利用物联网技术，将多个汽车以及路灯、信号灯等公共设施自组网形成工作组，在新能源汽车与充电设备之间距离近时开启无线充电，减少磁共振对周围环境的影响，减少能源浪费；根据太阳能清洁无污染的特点，利用传感器技术和自动控制技术，设计太阳能自动追光系统，使太阳能利用率达到最大，以尽可能满足日渐增长的汽车对能源的需求。该项目可以促进学生和公众学习和了解新能源汽车、无线充电方面的科学知识。

3.基于ZigBee技术的智能家居控制实训系统。智能家居是以住宅为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用网络通信技术、自动控制技术、安全防范技术、音视频技術将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利、舒适，并实现环保节能的综合智能家居网络控制系统平台。智能家居控制系统是智能家居核心，是智能家居控制功能实现的基础。结合智能家居的理念，研发基于ZigBee技术的智能家居控制实训系统，搭建一个智能家居实验平台帮助学生和公众对物联网、智能家居技术的了解和学习。

二、研究内容

本文针对无人机、机器人、新能源汽车、物联网相关前沿科学技术的科学普及，开展相关科普产品的研制。

1.危化品爆炸现场泄漏物成分的无人机、机器人协同检测系统。（1）GUI界面设计及人机交互软件开发：利用Python快速生成简单的操控界面，首先调用串口，然后将串口数据分类、识别，把各个传感器的数据、坐标信息提取出来分别显示到相应的位置上，最后再将视频信息通过USB或者WiFi采集到电脑上进行实时显示。（2）滤波器设计：在MATLAB上进行滤波器设计，然后将设计好的滤波器转换移植到控制器上。下一步改进滤波器的种类，反复试验，直到得到满意的滤波效果。（3）在MATLAB上进行图像识别处理算法，利用边缘检测、分水岭变换等手段读取图像数字信息的具体意义，输出执行相应指令。地图包API调用，使用百度地图API接口使用，并同步设置上位机接口调用参数。高性能DSP的使用以及MATLAB图像识别与处理算法向DSP系统的移植。

2.基于电磁感应的新能源汽车动态充电系统。

（1）无线充电技术以磁共振为基础，设计发射板与接收板，发射板采用XKT801芯片作为供电模块，XKT801芯片具有电路简单、稳定性高等特点。（2）通过高磁导率磁芯和高导电金属材料对辐射磁场进行屏蔽，避免在传输能量过程中对周边环境及新能源汽车的控制系统可能产生影响。（3）基于ZigBee技术的信息传输系统，小车以STC89C52RC单片机为主控制器，L298N模块进行驱动，小车与环境之间通过ZigBee模块进行信息交流，将产生的信息传送给单片机，单片机进行快速的反应，控制无线充电的开关，在一定距离内发送信号，供电系统进行供电。

3.基于ZigBee技术的智能家居控制实训系统。

（1）上位机主要由控制、显示、监控、实验平台设置、串口设置组成，主要对下位机数据进行采集并显示；通过采集回来的数据，进行分析处理后又可以控制下位机中的设备。（2）下位机主要由：输入、发送、回路、设置等部分组成，输入采集数字量、模拟量等，并将采集到的数据显示在液晶屏上；发送将采集到的数据发送到上位机；回路相当于输出，通过将回路打开与关闭，可以控制对应回路上的执行器；设置可修改系统时间和ID号，主要用于修改ID号，使上位机和下位机能互相识别。（3）控制系统初始化：初始化GPIO时，需要配置RCC和GPIO。芯片的运行从GPIO体现，时钟RCC相当于“能源”，例如要使用STM32的SPI，IIC，FSMC等，需要配置相应的GPIO，RCC，以及SPI，IIC，FSMC等。

三、本文的特色与创新之处

1.将复杂、深奥的前沿科技知识直观、便捷地普及给公众。本文研发的相关科普装置，学生和公众可以直接接触，亲身动手操作，使公众能够直观、深入、便捷地了解前沿科技的原理、技术以及实际应用。

2.项目基于物理原理与学科交叉。学科交叉往往是科学问题新的生长点，且最有可能产生重大的科学突破。本文设置了与化学工程、化学和生物工程等应用领域相关的实践类训练项目，可以提高学生和公众对科学技术系统性、综合性的认识，促进对学生和公众交叉类前沿科学技术的普及。

四、研发科普装置的应用

1.开展中学科普授课活动。2014年以来物理科普基地基于研发的科普作品，编写研究项目方案，在昌平二中、化大附中开展近百次丰富多彩的科技授课活动。

2.研发科普装置，参加相关竞赛。（1）尹亮等，“地磁场环境中霍尔效应电子迁移演示系统”，全国高校第十二届物理演示实验教学展示二等奖，2015年10月。（2）尹亮等，“声音时域-频域转换将声音频谱可视化”，全国高校第十二届物理演示实验教学展示三等奖，教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会，2015年10月。

3.培养本科学生科普项目研发创新队伍。物理科普基地培养本科学生开展物理类、电子类、机器人类科普项目学习研究，参加相关科技竞赛活动。（1）“基于物联网技术的农业智能监控机器人组”获得“2016年度全国大学生智能互联创新大赛”华北赛区决赛一等奖，全国总决赛的三等奖（2016）。（2）“激光投影显示屏”获得“BOE未来显示产品设计大赛”全国总决赛优秀奖（2015）。

参考文献：

[1]Jun-Beom Song. Experimental study on cascaded attitude angle control of a multi-rotor unmanned aerial vehicle with the simple internal model control method [J].Journal of Mechanical Science and Technology. 2016（30）：5167-5182.

[2]孔慶艳，袁杰，郭俊辉.自主式追踪机器人终端行为的Petri网建模[J].计算机应用研究，2016，（11）：37-38.

[3]李志宏.物联网技术及在智慧城市建设中的应用[J].电子技术与软件工程，2015，（5）：24-27.

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