非法電魚智能報(bào)警器制作

宋雙秀

教學(xué)背景

電魚也稱“絕戶”捕撈，捕魚者使用的電捕魚器需要使用兩臺(tái)以上蓄電池帶動(dòng)，其瞬間釋放的電壓可達(dá)上千伏，使大魚小魚瞬間被通殺。電魚導(dǎo)致河道魚類成片死亡，一些大魚即使幸存，也大多喪失繁殖能力；同時(shí)也導(dǎo)致水中微生物、昆蟲、螺蚌、蝦蟹以及蝌蚪等受到極大傷害。這些水中生物共同營(yíng)造了河水中的生態(tài)平衡，一旦平衡遭到破壞，就會(huì)導(dǎo)致生物鏈斷裂，嚴(yán)重影響濕地生態(tài)平衡。本節(jié)課將利用Arduino主控板控制探針檢測(cè)水中的電壓值變化，來判斷是否有電魚行為，并通過燈光和語(yǔ)音進(jìn)行警告。

教學(xué)目標(biāo)

了解串聯(lián)電阻的電阻分壓原理；會(huì)通過模擬引腳模塊讀取探針測(cè)到的電壓值；掌握語(yǔ)音合成模塊使用方法；能運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)模塊向Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送“警報(bào)信息”；能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)與物理學(xué)科相結(jié)合來解決生活中的實(shí)際問題。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 語(yǔ)音合成模塊和物聯(lián)網(wǎng)模塊的使用方法。

教學(xué)難點(diǎn) 電阻分壓原理及電路設(shè)計(jì)。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

師：同學(xué)們通過系列科普視頻應(yīng)該了解到國(guó)家嚴(yán)厲打擊電魚行為的力度以及電魚的危害，我們應(yīng)避免這種破壞生態(tài)環(huán)境的行為發(fā)生。大家想想我們除了進(jìn)行環(huán)保宣傳，還有什么辦法可以阻止或發(fā)現(xiàn)后及時(shí)發(fā)出警報(bào)？

生1：可以在重點(diǎn)位置設(shè)立警示牌，也可以派人在河邊巡查。

生2：可以在河邊設(shè)置防護(hù)欄或者安裝檢測(cè)報(bào)警裝置。

師：大家討論得都很好，今天我們將一起學(xué)習(xí)通過Arduino主控板控制探針檢測(cè)水中電壓值的變化來判斷是否有電魚行為，利用燈光和語(yǔ)音進(jìn)行警告，并通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行“報(bào)警”。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.知識(shí)前提

電魚使用的電魚機(jī)是將低電壓大電流變換成高電壓的瞬間大電流。高壓（1000V左右）大電流存在操作風(fēng)險(xiǎn)，所以對(duì)項(xiàng)目作品測(cè)試時(shí)，使用兩種常見低壓5V和19.5V進(jìn)行測(cè)試。

2.模擬測(cè)試

Arduino板的A0、A1、A2等接口為模擬信號(hào)輸入口，Arduino板通過測(cè)得A0接口的電勢(shì)來產(chǎn)生A0接口的數(shù)據(jù)，測(cè)壓的范圍是0～5V，產(chǎn)生的數(shù)值范圍為0～1023。

使用Arduino板測(cè)電壓的核心思想：（1）Arduino板模擬輸入的讀電壓功能。（2）串聯(lián)電阻的電阻分壓。（3）將模擬輸入數(shù)值經(jīng)計(jì)算得到電壓值。

因課堂上測(cè)試使用的是自來水，電阻大，所測(cè)得的電壓值一般不會(huì)太大。同時(shí)，串聯(lián)電阻的各電阻分壓比與電阻比成正比，所以我們可以計(jì)算出從原本的5V量程放大了多少倍。

師：（原理講解）電子電路中，電阻分壓器是應(yīng)用最為廣泛的電路。在串聯(lián)電路中，各電阻上的電流相等，各電阻兩端的電壓之和等于電路總電壓。所謂分壓公式，就是計(jì)算串聯(lián)的各個(gè)電阻如何去分總電壓，以及分到多少電壓的公式。

分電壓計(jì)算：占總電阻的百分比，就是分電壓的百分比。

公式：U=（R/R總）×U源

通俗地來講，兩個(gè)電阻串聯(lián)，電阻大的分得的電壓就大，電阻小的分得的電壓就小，是按其中一個(gè)電阻和總電阻的比例來確定分壓值的大小的。

三、探針制作過程

檢測(cè)裝置要有導(dǎo)電的探針深入“河水”中，教師向?qū)W生提供一種利用鉛筆制作“探針”的簡(jiǎn)單方法（如圖1）。學(xué)生們也可以利用身邊的導(dǎo)電物品進(jìn)行制作。

四、測(cè)壓電路實(shí)物連接圖

教師進(jìn)行實(shí)物展示，并指導(dǎo)學(xué)生將測(cè)壓電路與Arduino板A0引腳及GND引腳連接。（如圖2）

五、智能報(bào)警器連接圖

教師提供完整的電路連接圖，指導(dǎo)學(xué)生將語(yǔ)音合成模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、七珠燈帶與Arduino板連接。（如圖3）

物聯(lián)網(wǎng)模塊接在Arduino板串口，T：RX，R：TX，+：VCC，-：GND，語(yǔ)音合成模塊接Arduino板I2C接口，燈帶接Arduino板引腳A4。

六、程序編寫

登錄Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（http：//iot.dfrobot.com.cn/）完成用戶注冊(cè)及設(shè)備添加。設(shè)備“非法電魚報(bào)警”分配了消息上限為6000，用于接收警報(bào)信息。同時(shí)需要記錄Topic、Iot_id、Iot_pwd處的值（后續(xù)編寫程序中會(huì)使用到）。（如圖4）

程序初始化代碼中進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)模塊參數(shù)設(shè)置，其中Wi-Fi參數(shù)根據(jù)當(dāng)下環(huán)境中實(shí)際Wi-Fi進(jìn)行設(shè)置，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參數(shù)根據(jù)上一步的記錄信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)填寫。

演示測(cè)試程序初始化后，從A0引腳讀取電壓模擬量，經(jīng)過計(jì)算得到實(shí)際電壓值，與設(shè)定的閾值1V進(jìn)行判斷，當(dāng)大于1V時(shí)，則認(rèn)為有電魚行為發(fā)生，并利用系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)每1秒燈帶循環(huán)移動(dòng)閃爍一次，每5秒語(yǔ)音報(bào)警并向物聯(lián)平臺(tái)Easy IoT發(fā)送“報(bào)警”信息，主程序如圖5。

學(xué)生小組根據(jù)教師的程序展示，進(jìn)行個(gè)性程序編寫，可修改“警告提示語(yǔ)”、燈帶閃爍形式及間隔時(shí)間、物聯(lián)網(wǎng)警報(bào)信息等。

七、實(shí)際測(cè)試

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，通過在“河水”中使用不同的電壓（5V、12V、19.5V）模擬電魚行為；通過逐步添加食鹽的量模擬不同的水質(zhì)；改變兩“探針”的間距，測(cè)試裝置的靈敏性。

八、拓展與提升

當(dāng)發(fā)現(xiàn)電魚行為后，我們進(jìn)行了聲光警示，并且向Easy IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送了信息，但我們不可能一直守在電腦前查看。學(xué)生們可以相互討論：我們?nèi)绾瓮ㄟ^MIT App Inventor與Easy IoT相結(jié)合，開發(fā)出一個(gè)手機(jī)App軟件，實(shí)時(shí)接收“警報(bào)”信息呢？學(xué)生可以課下進(jìn)行拓展。

教學(xué)反思

本項(xiàng)目教師通過非法電魚智能報(bào)警器的制作過程，帶領(lǐng)學(xué)生將信息技術(shù)與物理學(xué)科電學(xué)知識(shí)相結(jié)合，通過創(chuàng)設(shè)生活中監(jiān)測(cè)電魚行為保護(hù)生態(tài)的情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，理解物理學(xué)科的價(jià)值。學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中提升了學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新素養(yǎng)的同時(shí)，也培養(yǎng)了保護(hù)生態(tài)環(huán)境的良好意識(shí)。

宋秀雙

河北省張家口市涿鹿縣信息技術(shù)教師，曾榮獲張家口市信息技術(shù)教學(xué)新星、張家口市學(xué)科帶頭人等稱號(hào)。所做課程榮獲河北省優(yōu)秀示范課，輔導(dǎo)的學(xué)生曾獲“童創(chuàng)未來”全國(guó)青少年人工智能創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽金獎(jiǎng)、河北省第五屆中小學(xué)教育機(jī)器人暨創(chuàng)客競(jìng)賽創(chuàng)客項(xiàng)目高中組一等獎(jiǎng)。