基于編程實現的手持高空扎線裝置

◆江蘇省興化中學 周明威 朱友明 蔣民浩

一些小區因建造年代久遠，有線電視線、通信運營商的網線等線纜密密麻麻，形成一張張“蜘蛛網”，不僅影響美觀，還存在一定的安全隱患。如果通過人力去整理、扎線，需要在空中懸空架梯，十分危險。此外，每扎一米，工人還要下梯重新擺放梯子，所需的勞動強度較大。如何整理凌亂的電線、電纜？ 高一時，我們加入了學校的科技社團，在社團中我們熟悉了編程的相關知識。能否利用所學知識發明一種長桿，通過遙控整理凌亂的電纜呢？我們開始研究一種基于編程技術的自動化的空中扎線裝置。

圖1 最初構想的作品示意圖

一、設計思路

先設計出外觀草圖，再采用三維建模技術，打印出本項目所需的外殼。空中自動扎線計劃通過Arduino開源編程來實現，通過霍爾傳感器來感知，并計算出加載的扎線鐵絲的長度，再通過改變扭絲電機的作用時間，調節扎線的松緊度。

二、調查研究

（一）開展問卷調查

1.問卷調查的地點

江蘇省興化中學理科班、興化市錦繡園舊小區、興化市九頃南村舊小區。

2.發放問卷

我們利用兩個周末的時間，在興化市錦繡園舊小區、興化市九頃南村舊小區、江蘇省興化中學的部分理科班，共計發放調查問卷650份，收回有效問卷647份。

統計結果表明，約92.3%的調查對象認為，如果能研制出一款基于編程實現的手持高空扎線裝置，對改造舊小區的環境具有重要意義。

（二）檢索空中理線的注意事項

我們檢索了與整理空中電纜相關的注意事項，避免人為損壞公共設施。綜合考慮結構、加工工藝等方面的因素，我們決定采用純機械凸輪機構實現排線功能。

三、設計過程

（一）設計外觀

作品采用“V”形手勢的造型，寓意其能快速在空中理線。

（二）外殼的三維建模設計

采用3D打印技術分段打印外殼，再將其組合成一個整體。

圖2 作品外觀設計圖

圖3 各個組成部分的三維模型圖

（三）用開源編程實現扎線

本作品的扎線過程采用開源編程方式控制。

四、制作第一代產品

（一）用霍爾傳感器計算送出的鐵絲長度

圖4 用霍爾傳感器計算鐵絲長度

當強磁性磁鋼旋轉至霍爾傳感器的芯片處時，霍爾傳感器將輸出一個“1”的信號（即一個5 V的電平），每轉一圈又輸出一個“1”的信號。統計出現信號“1”的次數，便能計算出齒輪送出的鐵絲的長度。調整要轉的圈數這一參數，便能控制鐵絲吐出的長度。

霍爾傳感器可感知齒輪旋轉的圈數，編程中調整旋轉圈數參數，便能控制每次扎線鐵絲吐出的長度。

（二）性能測試

采用可插拔直充式電池，更換方便，充電便捷，且能顯示電量。無線遙控開關可隔墻使用。將扭絲爪設計成錐體結構，可方便拔絲。

圖5 第一代基于編程實現的手持高空扎線裝置

試用時發現，裝置的扎線性能不穩定。調整鐵絲直徑的調節螺絲后，扎線成功率仍沒有得到顯著提高。

五、制作第二代產品

（一）制作過程

改用焊接微小的霍爾傳感器，不斷重新建模，改良作品的殼體結構，優化扎線盒以提高扎線成功率。在反復進行扎線技術測試、調試中改良傳送扎線的機械力度，實施相應改進后重新設計下送料架，尋找編程中的扎線松緊度的最佳數據，終于讓扎線成功率得以穩定。

改進后的手持高空扎線裝置的電池盒采用亞克力板材，背面預留小孔，方便手指從背面推出鋰電池。

（二）性能測試

單根線纜以及扎線的技術性能測試結果表明，扎線成功率達93%以上，滿足了設計要求。

圖6 第二代基于編程實現的手持高空扎線裝置

六、創新點

（一）通過扎線整理空中凌亂的電線，無需人工架梯、登高，減少了安全隱患。

（二）電機正向順時針轉動時，利用霍爾傳感器感知扎線鐵絲的長度，并利用凸輪機構自動切斷扎線鐵絲。采用無線遙控方式，操作簡便，性能可靠。

（三）電機反向逆時針轉動時，利用U形扎絲頭對鐵絲進行上緊扭扎，并能通過編程來調節扎線的松緊度。設計了具有錐體結構的扭絲爪，方便拔絲。

（指導老師：朱石明）

專家點評

周明威、朱友明、蔣民浩同學的基于編程實現的手持高空扎線裝置，是一項富有內涵的發明作品。這項作品體現了三位發明人：第一，具有良好的創新意識，在生活中善于觀察、思考，發現別人發現不了的問題，提出有價值的實施課題。年代久遠的小區內有線電視線、通信運營商的網線等各種線纜形成一張張“蜘蛛網”的情況不是一天兩天的事情，三位同學能首先提出解決方法并加以實施，值得點贊。第二，具有跨學科知識綜合運用解決問題的能力。三位同學將在學校科技活動中學到的編程知識與平時的課程知識等結合，解決問題。第三，具有良好的技術運用與動手實踐能力。用什么方式解決這個問題？他們沒有采用大型的機械設備，而是采用手持高空扎線桿的方式，既輕便又實用。

如果我們去做一個大型設備，也有可能解決問題，但也可能由于其成本高而無法將其推廣應用。