智能自行车锁

适量的骑行有助于提高免疫功能、促进下肢血液循环、增强心肺功能等，对于正处于身体发育阶段的学生群体来说，是一种非常合适的运动。

根据调查，我校在校学生约5000人，其中骑自行车上下学的学生约650人，占总人数的13%。骑自行车是一项综合运动，其好处如下：属于有氧运动，能充分吸入氧气，呼出二氧化碳，体内ATP消耗更多热量；可以锻炼下肢深部肌群如股二头肌、股三头肌、股四头肌等肌群的协调能力，提高人静息基础代谢率；可锻炼小脑的平衡功能和周身协调能力；可对下肢肌肉进行有效拉伸；等等。

自行车多以山地车和公路自行车为主，自行车本身不带锁体。使用的锁体多为传统的U形锁或钢丝锁，但这些锁需单独携带、人工上锁、钥匙开锁，其中任何一个环节出现问题都有可能导致自行车被盗或被错骑。因此，我想参考家庭智能门锁设计一款智能车锁，为学生的自行车增加安全保障。

一、设计原理

目前不提倡学生携带智能手机入校，所以物联网的功能并不适用，需寻找其他方式智能感知自行车的状态，使自行车处于非骑行状态时能实现自锁。

同时考虑到钥匙的携带具有不确定性，所以可借鉴智能门锁的工作原理，使用指纹、面部识别（面部识别扫描人脸时的耗电量较大，防水要求高，对安装位置及光线有要求，可以忽略）等身份识别特征完成开锁。该设计涉及电控装置，一旦电池缺电会导致电控设备失效，所以需要提供电量提醒功能，并且支持使用外接电源开锁。

基于上述功能的实现，我通过在网上和图书馆查找资料了解到，可以选用单片机控制板、光电传感器、压力传感器、步进电机、电机驱动模块以及指纹识别模块。其中最重要的部件是指纹识别模块、光电传感器、压力传感器、步进电机等。

二、结构设计

智能自行车锁主要由锁体、光电传感器、压力传感器、指纹识别模块、步进电机、凸轮机构、单片机控制板、电池及电源管理模块、蜂鸣器等组成。

三、工作原理

当设备开启后，光电传感器及压力传感器可检测自行车的状态。若压力传感器接收到压力信号，则判断自行车为骑行状态，光电传感器不工作；若压力传感器未接收到压力信号，光电传感器启动。若光电传感器一直有信号，则说明自行车处于骑行状态；若光电传感器长期不能接收信号，则说明自行车处于非骑行状态。

当单片机判断自行车处于非骑行状态时，控制步进电机旋转一定的角度，让凸轮机构带动锁舌运动，随后停止并顶住锁舌，自行车自动上锁。当指纹传感器获取信号后，与指纹库进行比对，若比对不成功，则不开锁，当检测到三次非法指纹开锁时控制蜂鸣器发出警报声；若比对成功，则控制步进电机旋转一定的角度，让凸轮机构开启锁舌，锁舌在弹簧的作用下复位开锁。

当电池电量低于20%时，控制蜂鸣器发出提示音并在液晶显示器上显示剩余电量，这时应及时给设备充电。

四、创新点

（一）自动检测

利用光电传感器与压力传感器的组合完成对自行车状态的检测，从而判断自行车是否需要上锁。

（二）自动上锁

利用“步进电机+凸轮机构”的组合完成自动上锁，结合创新点一，可以实现非骑行状态下的自动上锁功能，避免忘记上锁的现象发生，提高自行车的安全性（可将图中锁舌设计为圆头，避免轮辐妨碍上锁）。

（三）指纹开锁

利用指纹识别模块实现指纹开锁功能，利用生物识别特征完成对自行车的开锁，简化开锁过程，提高便捷性。利用指纹识别模块与蜂鸣器的组合实现报警功能，如果识别指纹与预设的指纹不符，则发出警报。

（四）电量提醒

利用蜂鸣器实现电量提醒功能，及时提醒车主更换电池，防止因电量不足问题导致无法开锁的情况发生。同时支持外接电池，当电池电量不足时可用外接电源为设备供电。

（五）睡眠模式

当传感器检测到自行车处于静止状态时，电源管理模块自动进入睡眠模式，仅给光电传感器供电。当光电传感器检测到车辆处于骑行状态时，睡眠模式开启，减少耗电，延长电池使用时间。

作者心声

从决定参与科技创新活动到确定主题再到一步步编写程序、调试摸索、实现功能，这一路上，开心和痛苦并存。我認为很多发明创造其实都来源于自己生活中碰到的问题，能不能有所发明，有所创造，主要取决于自己会不会思考，会不会研究。为了达到预期的效果，我在前行中不断摸索，通过查找大量的文献，最终找到了创新点。

创新是一切事物发展的本质，科学家科研需要创新，学习也需要创新。如何培养自己的创新能力，创新的源泉又在哪呢？我认为首先要对学习或研究的事物保持好奇心。

100多年前，在沈阳东关模范学校读书的周恩来，用稚嫩的嗓音铿锵有力地作出“为中华之崛起而读书”的回答。21世纪是一个追求科技创新的世纪，实现中华民族伟大复兴的中国梦，渴望拥有更多具备创新精神与创新能力的人才。（指导老师：汤磊）

专家点评

王浩丞同学的智能自行车锁，是一项较典型的创新实践作品。由于其项目内容属于专业技术领域里公众的关注点，市场已出现各式各样的自行车智能锁。不过，王浩丞在这个作品的创新实践过程中，实现了对创新实践能力自我培养的追求。通过确定主题到一步步地编写程序、调试摸索、实现设计功能环节等，他的思维与动手实践等各个方面的能力都得到了强有力的培养。这件作品也展现了他对相关技术的学习与应用的综合能力。

这里提出的建议是：同学们在进行科技创新选题时，一定要考虑创意来源的技术领域背景，难以驾驭一般专业技术较强的A类项目，同时由于知识与能力的不足，还有可能影响到正常的学习或健康。所以，要选取真能“跳起来就能摘到桃子”的B类项目，且在解题时把握好“疑难问题智能化、复杂问题简单化、简单问题巧妙化、常规问题精细化”等基本规律。

本期点评专家

谭迪熬 中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。