基于开源技术下的智能车创客教育平台设计

李 棚 ，孔 健 ，项莉萍

（1.六安职业技术学院 信息与电子工程学院，安徽 六安237100；2.合肥幼儿师范高等专科学校 学前教育系，安徽 合肥230011）

智能车创客教育平台是一款涉及到电子、机械、工程、软件等技术的复合型平台，该平台在教育领域拥有十分巨大的教育价值，在培养学生分析能力、创造能力和实践能力等方面具有重要的现实意义［1］.随着科技的进步，国内市场推出了众多的科技教育平台，这些平台逐渐进入到学校实验室、培训机构和部分家庭，提高了对智能控制技术的认知度和认可度［2］.由于涉及到商业利益的存在，各大公司开发的教育平台，存在封装严密、开放性不足，结构独特、通用性不足，价格昂贵、亲民性不足［3-4］.笔者借助开源软件及硬件，构建智能车创客教育平台，以友好的界面、开放的接口、优质延续性、亲民的价格，服务于中国青少年创客教育.

1 平台软硬件构建概述

1.1 平台的硬件结构

采用Arduino板作为智能车的控制核心，蓝牙模块通过串口实现信息的传输，通过电机控制模块实现对电机的控制，控制Led灯模拟车灯和控制蜂鸣器鸣叫模拟车辆的鸣笛（见图1）.Arduino板是由米兰交互设计学院David C和Massimo B设计，于2005年推出基于开放原始代码的Simple I/O平台.该平台的硬件采用AVR单片机制作开源的、通用的开发板，经过多年的积累，已经实现多版本、多系列、多应用的公共平台（见图2）［5］.软件采用 Arduino IDE编译器，该编译器具有类似 Java、C语言的开发环境，可以快速使用Arduino语言与Flash、Processing、Android等软件完成互动作品设计.

图1 智能车硬件平台结构图

图2 MX1508电机驱动模块

硬件平台的关键点在于对智能车电机的驱动，采用MX1508（SOP-16）四通道双路有刷直流马达驱动芯片.该芯片的IC电路内部集成了两通道的H桥驱动电路，具备从2 V到9.6 V较宽的工作电压，最大持续输出电流达到0.8 A，最大峰值输出电流达到1.5 A.最大持续输出电流达到1.5 A，最大峰值输出电流达到2 A，能够满足2驱动或4驱动智能车的多个方向变速运动.

1.2 平台的软件结构

为了降低青少年学习编程技术的入门难度，平台采用Arduino Block编程软件和App Inventor 2编程软件.这两种编程软件，都采用图形化、模块化编程，通过搭积木的形式实现软件程序的编写［6-7］.青少年可以通过智能车创客教育平台提供的学习辅导资料，快速的学习硬件控制程序开发、App应用开发，将自己的创意变成现实（见图3）.

图3 智能车创客教育平台系统框图

2 手机遥控智能车的实现

采用智能车创客教育平台，通过图形化编程软件编写相关的App控制界面和下位机驱动程序，在智能车平台上实语音控制、加速度控制、按键控制，共3种控制模式，实现车灯、鸣笛、停止、前进、后退、左转、右转、速度，共8种状态的切换.

2.1 下位机Arduino程序设计

程序设计采用3位数的数据结构进行车辆状态控制，百位为功能状态，1为运动功能，2为速度功能，3为车辆辅助功能.个位为状态参数，在运动功能条件下，0为停止状态，1为前进状态，2为后退状态，3为左转状态，4为右转状态；在速度功能下，10～99是速度控制参数；在车辆辅助功能下，1位车灯控制状态，2位鸣笛控制状态（见图4）.

图4 智能车控制平台软件流程图

下位机接收到串口数据后，便通过对该数据的取模和求商获得百位和个位的参数，根据相应的功能参数和状态参数，实现相应的控制模式.图5为串口数据的读取与解析.

图5 智能车平台及Arduino Block串口数据数据处理流程

Arduino Block软件采用模块化结构，将串口数据的读取进行模块化，只需要设置一个Num_serial变量，便可以将串口数据读入到变量中.通过给模拟量赋值模块，将串口Num_serial数据对100进行除法运算，获得百位的数字，赋值给Functio变量，作为智能车功能控制判断依据.将串口Num_serial数据对100进行求余运算，获得后两位数据，将后两位数据赋值给Parameter变量，作为智能车运动状态的判读依据.

2.2 上位机App Inventor 2程序设计

手机与智能车进行通信时，安卓程序首先要进行蓝牙连接，在蓝牙连接的基础上进行后续控制.其中，姿态控制与触摸控制及语音控制为互锁状态的，即一旦姿态控制起作用的时候，语音识别和触摸控制将失效，程序流程见图6.

图6 智能车安卓控制程序流程图

姿态控制根据手机获取的X，Y，Z三坐标的值进行车辆运行状态控制，为了减小控制误差，将检测数据放大10倍.当X方向数据在-20～+20之间时，为静止状态，向串口发送100数据，实现车辆的停止控制；当X方向数据大于20时，为左倾状态，向串口发送103数据，实现车辆左转；当X方向数据小于-20时，为右倾状态，向串口发送104数据，实现车辆的右转；当Y方向数据大于20时，为后仰状态，向串口发送102数据，实现车辆的后退；当Y方向数据小于-20时，为前仰状态，向串口发送101数据，实现车辆的前进.手机的语音识别借助第三方插件，进行语音识别，将识别的语音转换成相关数据，其中识别出来的“向前”转换为“101”，“向后”转换为“102”，“左转”转换为“103”，“右转”转换为“104”，然后，将相应的数据通过串口发送出去，实现对车辆状态的控制.

图7 App Inventor 2编写界面及蓝牙连接程序

采用App Inventor 2软件编写前台操作界面和后台操作程序（见图7）.通过拖动模块及按钮创建控制界面，使用程序模块叠加实现控制程序的编写.编写蓝牙连接程序时，控制界面上只需要一个“连接”按钮，当该按钮被点击后，根据按钮上显示文本进行蓝牙设备的状态切换.当显示为“连接”时，让蓝牙客户端连接设备的参数地址为“选择设备的选中项”，同时按钮显示字符为“断开”；当显示为“断开”时点击按钮，调用 “蓝牙客户端断开已连接设备”模块，完成蓝牙的断开，同时按钮显示字符为“连接”.

3 结语

智能车创客教育平台可以作为青少年创客教育的综合实训平台，该平台满足模块化Arduino Block软件、App Inventor 2软件的编程教学，通过这两种模块化的语言学习能够降低控制语言的难度，增强青少年学习乐趣，掌握从移动端到控制端的创客类编程技术.该创客教育平台的软硬件均具有开源性，能够作为后续高级编程语言学习的平台，价格适中，更能满足广泛的群体需求，进而全面普及青少年创客教育.

［1］葛艳红.基于物联网的教育机器人关键技术研究［D］.武汉：武汉理工大学，2013：1.

［2］张剑平，王益.机器人教育：现状、问题与推进策略［J］.中国电化教育，2006（12）：65-68.

［3］沈聪.基于创客教育理念的机器人教学模式初探［J］.中国信息技术教育，2017（7）：111-112.

［4］郭瀚成.浅析机器人与创客教育［J］.中国信息技术教育，2017（2）：106-108.

［5］胡洪钧，肖顺根.Arduino 教学实验箱设计与实验项目开发［J］.新乡学院学报，2017，34（3）：70-73.

［6］田志颖.基于Android的移动学习软件设计与实现［D］.曲阜：曲阜师范大学，2016.

［7］高成英.项目教学法应用于《App Inventor程序设计》教学［J］.教育，2015（29）：23-27.