基于Arduino 的雙向防丟裝置

◆杭州第四中學(xué)高二（11）班 張樂齊

在家中，媽媽常常找不到自己的手機(jī)，每次我都要借助爸爸手機(jī)上自帶的查找功能定位媽媽的手機(jī)，讓它發(fā)出聲音。每次找不到電視機(jī)遙控器時，媽媽也總說“要是遙控器像手機(jī)一樣能被定位就好了”。媽媽的想法啟發(fā)了我，我決定設(shè)計一種雙向防丟裝置。

一、功能設(shè)計

（一）尋物功能

1.通過手機(jī)App 查找物品：單擊App 上的功能按鍵，雙向防丟裝置會鳴叫或閃爍燈光，便于主人確定其位置。

2.通過操作雙向防丟裝置找手機(jī)：長按雙向防丟裝置按鍵，手機(jī)會報警，從而確定其位置。

（二）防丟功能

當(dāng)雙向防丟裝置與手機(jī)藍(lán)牙連接后，它們之間的距離超過設(shè)定值時，手機(jī)與雙向防丟裝置都會鳴叫。兩者的距離在設(shè)定值以內(nèi)時，停止鳴叫。

（三）語音播報

App 檢測手機(jī)的語言，然后播報對應(yīng)語言的語音，包括雙向防丟裝置的剩余電量值、報警提示等。

（四）剩余電量查詢

通過App 的當(dāng)前電量按鍵，即可獲取當(dāng)前雙向防丟裝置電池的剩余電量。

二、關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

我采用分段實現(xiàn)相關(guān)功能模塊的方式，便于在出現(xiàn)問題時完成故障的定位和處理。

（一）步驟一：手機(jī)與藍(lán)牙的無線連接

為了實現(xiàn)手機(jī)和Nano 主控板的通信，必須實現(xiàn)手機(jī)和藍(lán)牙的無線連接，才能通過藍(lán)牙傳輸控制指令。我從最簡單的讀寫數(shù)據(jù)傳輸開始嘗試。

（二）步驟二：編程控制外部設(shè)備（LED 燈、開關(guān)）

為了綜合測試對外部設(shè)備的支持，設(shè)想通過連接Arduino 板塊的外部設(shè)備實現(xiàn)互相的控制，比如通過連接Arduino 板塊的開關(guān)來控制其他外部設(shè)備，具體包括控制LED 燈的開和關(guān)、蜂鳴器發(fā)聲等。

（三）步驟三：Arduino 端反向控制手機(jī)

在Arduino 硬件平臺，不斷讀取數(shù)字開關(guān)對應(yīng)的電平，如果為高，說明開關(guān)被按下，通過藍(lán)牙向串口寫入特定控制字符。在手機(jī)端讀取藍(lán)牙串口數(shù)據(jù)，判斷該數(shù)據(jù)為約定的控制字符后，控制手機(jī)端通過音效組件播放告警音，并彈出提示框。在提示框未被取消前，持續(xù)播放告警音。

（四）步驟四：模塊整合和整體拼裝

1.Arduino 端相關(guān)工作

Arduino 硬件平臺不斷讀取藍(lán)牙接口，分別根據(jù)收到的不同指令代碼控制Arduino 外設(shè)實現(xiàn)燈光閃爍、關(guān)燈、發(fā)聲、關(guān)閉聲音等功能，同時監(jiān)測數(shù)字按鈕，在按鈕被按下后向手機(jī)發(fā)送指令，實現(xiàn)遠(yuǎn)程查找手機(jī)的功能。

2.手機(jī)端相關(guān)工作

（1）建立無線藍(lán)牙連接

讀取藍(lán)牙設(shè)備列表，選擇具體的藍(lán)牙信號后建立無線連接，啟動定時器。

（2）構(gòu)建定時器讀取藍(lán)牙數(shù)據(jù)和RSSI 數(shù)值

在定時器的時間間隔中，不斷發(fā)送讀取藍(lán)牙串口的請求，如果讀取到相關(guān)數(shù)據(jù)，則認(rèn)為收到Arduino 主控板的查詢請求，在App 端利用音效組件播放告警音，同時彈出提示框，提示手機(jī)正在被查找。

在定時器的時間間隔內(nèi)，不斷發(fā)出請求，讀取所連藍(lán)牙設(shè)備的RSSI值，計算出手機(jī)和藍(lán)牙模塊之間的距離。如果超出8 米（具體的距離可根據(jù)需要設(shè)置），手機(jī)則播放告警音，同時蜂鳴器發(fā)出提示音。

（3）手機(jī)端遠(yuǎn)程控制藍(lán)牙模組的外設(shè)

手機(jī)端的四個操作按鍵對應(yīng)亮燈查找、關(guān)燈、發(fā)聲查找、關(guān)閉聲音等四種操作。為了精簡代碼，在App Inventor 里定義“點擊動作”這個過程。

經(jīng)過模塊整合和整體拼裝，最終通過手機(jī)App 和“定位神器”的配合，基本可以實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的幾大功能。

作者有話說：

在制作過程中，我不斷優(yōu)化功能，從最開始的UNO 板卡結(jié)合藍(lán)牙3.0，到最終的BLUNO 板卡結(jié)合BLE 藍(lán) 牙4.0，經(jīng) 歷了多次完善。我認(rèn)為科技創(chuàng)新活動就是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題、不斷改進(jìn)、不斷提升的過程。

后期在UI 設(shè)計和美工上，還有很大的進(jìn)步空間。

圖1 測試裝置效果

三、創(chuàng)新點

目前設(shè)計的外部設(shè)備可提供脫離報警、遠(yuǎn)程定位與找回等功能，未來還將搭配溫度傳感器、煙霧傳感器等多種傳感設(shè)備，在信號異常的情況下，通過藍(lán)牙向手機(jī)端發(fā)出告警信息，除了防丟還可以起到火警等緊急事故的報警作用。

通過對RSSI 測距公式中的參數(shù)進(jìn)行分析，分場景（室內(nèi)、室外等）對無線藍(lán)牙距離算法的“環(huán)境衰減因子”參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)校正，經(jīng)實驗比較，優(yōu)于單一的均值統(tǒng)計模型。

圖2 張樂齊在做測試

作者有話說：

這次科技創(chuàng)新活動使我進(jìn)一步熟悉了物聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)開發(fā)相關(guān)的知識和技能，促使我不斷學(xué)習(xí)和思考，在實踐中充分汲取各類知識并把它們轉(zhuǎn)化成科技成果。

專家點評

張樂齊的基于Arduino 的手機(jī)雙向防丟失裝置，是一件創(chuàng)新實踐作品。這是因為關(guān)于手機(jī)防丟失和對火災(zāi)、水災(zāi)、地震等的報警功能，現(xiàn)在的許多智能手機(jī)都能實現(xiàn)，且十分方便。而難能可貴的是，張樂齊作為一名高中生，經(jīng)過對項目的了解、分析，通過防丟尋物、語音播報、剩余電量查詢功能的設(shè)計，就有關(guān)手機(jī)與藍(lán)牙的無線連接、編程控制外設(shè)（LED 燈開關(guān)）、Arduino 端反向控制手機(jī)、模塊整合和整體拼裝等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，充分體現(xiàn)了他已具備良好的相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力。

要指出的是，我們的輔導(dǎo)教師應(yīng)清楚，創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和實踐能力與創(chuàng)新拔尖人才培養(yǎng)關(guān)聯(lián)度非常高。其中，創(chuàng)新意識是內(nèi)驅(qū)力，創(chuàng)新思維是一種路徑或是一種思維方式，或是不斷前行的外在保障。實踐能力應(yīng)當(dāng)說是一種媒介，學(xué)生借著實踐實現(xiàn)創(chuàng)新，所以三者缺一不可。沒有創(chuàng)新意識的活動，就只是一種機(jī)械重復(fù)的活動。