非法電魚智能報警器制作

宋雙秀

教學背景

電魚也稱“絕戶”捕撈，捕魚者使用的電捕魚器需要使用兩臺以上蓄電池帶動，其瞬間釋放的電壓可達上千伏，使大魚小魚瞬間被通殺。電魚導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；同時也導致水中微生物、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造了河水中的生態(tài)平衡，一旦平衡遭到破壞，就會導致生物鏈斷裂，嚴重影響濕地生態(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，并通過燈光和語音進行警告。

教學目標

了解串聯電阻的電阻分壓原理；會通過模擬引腳模塊讀取探針測到的電壓值；掌握語音合成模塊使用方法；能運用物聯網模塊向Easy IoT物聯網平臺發(fā)送“警報信息”；能夠將信息技術與物理學科相結合來解決生活中的實際問題。

教學重點與難點

教學重點 語音合成模塊和物聯網模塊的使用方法。

教學難點 電阻分壓原理及電路設計。

教學過程

一、情境導入

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

生1：可以在重點位置設立警示牌，也可以派人在河邊巡查。

生2：可以在河邊設置防護欄或者安裝檢測報警裝置。

師：大家討論得都很好，今天我們將一起學習通過Arduino主控板控制探針檢測水中電壓值的變化來判斷是否有電魚行為，利用燈光和語音進行警告，并通過物聯網進行“報警”。

二、項目設計

1.知識前提

電魚使用的電魚機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）大電流存在操作風險，所以對項目作品測試時，使用兩種常見低壓5V和19.5V進行測試。

2.模擬測試

Arduino板的A0、A1、A2等接口為模擬信號輸入口，Arduino板通過測得A0接口的電勢來產生A0接口的數據，測壓的范圍是0～5V，產生的數值范圍為0～1023。

使用Arduino板測電壓的核心思想：（1）Arduino板模擬輸入的讀電壓功能。（2）串聯電阻的電阻分壓。（3）將模擬輸入數值經計算得到電壓值。

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

師：（原理講解）電子電路中，電阻分壓器是應用最為廣泛的電路。在串聯電路中，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，就是計算串聯的各個電阻如何去分總電壓，以及分到多少電壓的公式。

分電壓計算：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，兩個電阻串聯，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

檢測裝置要有導電的探針深入“河水”中，教師向學生提供一種利用鉛筆制作“探針”的簡單方法（如圖1）。學生們也可以利用身邊的導電物品進行制作。

四、測壓電路實物連接圖

教師進行實物展示，并指導學生將測壓電路與Arduino板A0引腳及GND引腳連接。（如圖2）

五、智能報警器連接圖

教師提供完整的電路連接圖，指導學生將語音合成模塊、物聯網模塊、七珠燈帶與Arduino板連接。（如圖3）

物聯網模塊接在Arduino板串口，T：RX，R：TX，+：VCC，-：GND，語音合成模塊接Arduino板I2C接口，燈帶接Arduino板引腳A4。

六、程序編寫

登錄Easy IoT物聯網平臺（http：//iot.dfrobot.com.cn/）完成用戶注冊及設備添加。設備“非法電魚報警”分配了消息上限為6000，用于接收警報信息。同時需要記錄Topic、Iot_id、Iot_pwd處的值（后續(xù)編寫程序中會使用到）。（如圖4）

程序初始化代碼中進行物聯網模塊參數設置，其中Wi-Fi參數根據當下環(huán)境中實際Wi-Fi進行設置，物聯網平臺參數根據上一步的記錄信息進行對應填寫。

演示測試程序初始化后，從A0引腳讀取電壓模擬量，經過計算得到實際電壓值，與設定的閾值1V進行判斷，當大于1V時，則認為有電魚行為發(fā)生，并利用系統(tǒng)運行時間實現每1秒燈帶循環(huán)移動閃爍一次，每5秒語音報警并向物聯平臺Easy IoT發(fā)送“報警”信息，主程序如圖5。

學生小組根據教師的程序展示，進行個性程序編寫，可修改“警告提示語”、燈帶閃爍形式及間隔時間、物聯網警報信息等。

七、實際測試

學生分組實驗，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；改變兩“探針”的間距，測試裝置的靈敏性。

八、拓展與提升

當發(fā)現電魚行為后，我們進行了聲光警示，并且向Easy IoT物聯網平臺發(fā)送了信息，但我們不可能一直守在電腦前查看。學生們可以相互討論：我們如何通過MIT App Inventor與Easy IoT相結合，開發(fā)出一個手機App軟件，實時接收“警報”信息呢？學生可以課下進行拓展。

教學反思

本項目教師通過非法電魚智能報警器的制作過程，帶領學生將信息技術與物理學科電學知識相結合，通過創(chuàng)設生活中監(jiān)測電魚行為保護生態(tài)的情境，引導學生進行探究式學習，能夠提升學生的學習興趣，理解物理學科的價值。學生在項目學習過程中提升了學科素養(yǎng)和創(chuàng)新素養(yǎng)的同時，也培養(yǎng)了保護生態(tài)環(huán)境的良好意識。

宋秀雙

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