#物联网应用#《中小学信息技术教育杂志》专栏-【基于模拟信号传感器的掌控板物联网实验】

—本篇文章摘自《中小学信息技术教育杂志》2022年第12期

基于模拟信号传感器的掌控板物联网实验

—— 以斜面实验探究为例

-王国营 周俊豪

【摘要】

开源硬件掌控板和各类传感器结合的物理实验可以实现数据的精确测量。很多物理量取值是连续变化的，本文基于模拟信号传感器结合掌控板物联网技术设计斜面探究实验，将传统的物理实验结合开源硬件及物联网技术做出新的尝试，能让数据可视化。在设计制作本实验过程中，结合创客教育与STEM教育理念，实现跨学科学习，更有趣的研究，更精准的实验。

【关键词】

模拟传感器；掌控板；SloT；物联网；斜面实验

【中图分类号】

G434 【文献标识码】B

【论文编号】

1671-7384（2022）012-067-02

【作者单位】

广东深圳市第二高级中学

        掌控板目前在中小学已经成为主流的开源硬件[1]。随着创客教育的兴起，STEM教育将逐步走入中小学，改变学生的学习方式，减少标准化教学和应试教育在大家心中形成的共识[2]。物理作为中学科学领域中的一门重要课程，中学物理实验方式大多由教师上课时统一详细讲解，学生则按照教师要求或者固定实验步骤，按部就班地顺利完成实验操作。这使得学生不用思考实验设计思路和方案的拟定，只是被动接受教育，不利于学生创新精神和实践能力的培养。这迫切需要我们思考如何将物理等学科与创客教育、STEM教育有机结合，提升学生的科学素养[3]。

        基于模拟信号传感器的掌控板物联网实验有非常多的应用领域，例如声音传感器对夜间环境噪音的检测用于城市管理、超声波传感器检测距离的变化用于装置艺术、二氧化碳传感器检测泄漏气体的浓度用于消防安全等[4]。本文根据超声波传感器的特性，对中学物理中的斜面问题搭建实验装置并进行实验探究。

研究背景

        中学物理中斜面问题千变万化，以斜面为载体可以编制各类题目。生活中斜面有很多应用，由运动学规律可知，物体沿斜面运动时间可能会受到斜面倾斜角、斜面长度、高度等因素影响。这些物理量的值是连续变化的，需要模拟传感器测量其数值。

设计斜面实验装置

        设计斜面实验装置（图1），包括数据采集装置与可调倾斜角的斜面滑轨装置。在物理实验中经常会因人的因素而影响实验数据的精度，可以采用自动化控制来启动实验测量。在创客项目中我们经常用超声波传感器来测距离变化，本实验用开源硬件与超声波传感器来探究小车在斜面上的运动规律。

（1、挡板  2、缓冲绳  3、斜面导轨   4、舵机闸杆   5、超声波传感器   6、小车   7、掌控板A   8、斜面倾斜角调整支架   9、掌控板B）

图1  斜面实验装置

        1.数据采集装置

        数据采集装置由主控、启动装置、测量装置三部分构成。主控由3块掌控板组成：掌控板A装到小车上，获取超声波传感器位移数据并上传数据到SloT服务器。掌控板B与舵机相连，控制闸机旋转。掌控板C写入遥控程序，发出控制信号，相当于遥控器作用。测量装置由小车、掌控板A、超声波传感器、加速度传感器（内置于掌控板）组成。将超声波传感器安装到小车前端，掌控板A固定到车身，连接好电路。超声波位移传感器将超声波模拟信号转换为电信号，记录发射信号和接收信号的时间差t，超声波在空气中的传播速度为v，利用位移x=vt/2，计算得出物体的位移。启动装置由掌控板B、掌控板C、舵机、闸杆组成。用遥控方式控制闸杆释放小车，保证掌控板计时与小车从静止开始运动同步，减小误差。

        2.可调倾斜角的斜面滑轨

        激光切割制作长8 0 cm，宽20cm的斜面木板，Makeblock散件搭建底座，拼装成可调节倾斜角的斜面。在斜面上安置两条平行滑轨，防止小车下滑时偏移。在斜面底部安装缓冲橡皮绳，起到缓冲作用。

数据采集与传输

        本实验的数据采集与传输用到mPython编程平台与SIoT物联网平台。mPython编程平台主要对掌控板进行编程，根据实验要求采集数据；SIoT物联网平台用于实时上传与下载数据。中小学物联网实验探究中采用SIoT进行采集传输数据非常方便，能在本地化部署。在mPython平台中能直接启用SIoT，便于实验教学。数据采集与传输的流程为：启动测量装置，舵机开启时发送信息到SloT,开始采集数据，小车运动结束后将数据上传SloT服务器。

        1.数据采集的程序设计

        掌控板 A与超声波传感器采集连续变化的位移数据。结合mPython编程平台，根据数据采集与传输流程，对掌控板编程。

        2.数据传输的协同设计

        本实验采用了3块掌控板来实现，三块掌控板各有分工，协调工作，B与C掌控板的协同工作设计是为了A掌控板能获得精准实验数据而服务的。A、B、C三块掌控板采用UDP传输协议，这是一种无需建立连接就可以发送封装的IP数据包的方法，目的是减少人为干扰因素，设计远程启动装置，获得的实验数据更精准。

探究实验

       1.实验目的

        探究小车沿斜面的运动是匀加速直线运动。

       2.实验步骤

        （1）将斜面置于水平桌面上，准备实验。

        （2）调节斜面倾斜角，将小车放置在斜面顶端。接通电源，开启启动装置，小车沿斜面下滑，采集位移、时间、加速度等运动信息，并上传数据到SloT。

        （3）根据SloT数据信息，用excel绘制位移与时间平方的图像。

        （4）改变斜面倾斜角，重复步骤2、3，多做几次。

        3.实验结论

        （1）由图像可得，位移时间平方图像的趋势线方程为x=13.59t^2+2.2138，据初速度为零的匀变速直线运动位移公式x=at^2/2，可得加速度a=0.27m/s∧2。在误差允许范围内，加速度是一常数，说明小车沿斜面下滑的运动是匀加速直线运动。

        （2）实验测得斜面倾斜角θ=5 . 3度时，加速度传感器显示数据为a=0.87m/s∧2。由牛顿第二定律得：mgsinθ=ma。加速度的理论值为a=9.8×sin5.3=0.905m/s∧2。0.87<0.905，即测量值小于理论值。造成误差的原因是小车车轮与导轨有摩擦及空气阻力的影响。

结 语

        模拟信号传感器、掌控板和SloT物联网技术的不断发展为创意实验走进课堂提供了条件。学生通过项目实践可以获得包括人际沟通、团队协作、创新问题解决、批判性思维和专业技能等多方面的提升；利用传感器技术实时采集处理数据更精确，图像显示更直观；将考试题、生活现象等与物理实验结合，学生根据自身条件和兴趣选择学习，设计创意实验，学生参与到实验的各个环节，实验设计、制作、编程、实验操作、数据处理等，在此过程中不断学习、解决问题，真正培养学生的科学素养。@

参考文献

【1】雒亮，祝智庭. 开源硬件：撬动创客教育实践的杠杆[J]. 中国电化教育，2015(4).

【2】张争光. 创客教育与物理教学的有效融合[J]. 教学与管理，2016(10).

【3】杨雪. 将创客教育融入中学物理课堂初探[D]. 昆明：云南师范大学，2017.

【4】祝智庭，樊磊. 信息技术选择性必修6-开源硬件项目设计[M]. 北京：人民教育出版社，2020.