讓校園創(chuàng)意和產(chǎn)品開發(fā)“無縫”聯(lián)接

讓校園創(chuàng)意和產(chǎn)品開發(fā)“無縫”聯(lián)接胡岳謝作如當我們最早接觸開源硬件的時候，最直觀的感受有三個特征：一是價格便宜，二是資源豐富，三是其潛在的教育屬性。當信息技術實驗室即將成為信息技術學科的標準教學環(huán)境的時候，其中的物聯(lián)網(wǎng)教學環(huán)境是否還能守得住這三個特征？謝作如老師領銜的“玩轉物聯(lián)網(wǎng)技術”的第一個一“一個創(chuàng)意——乾坤板”，便是一種“堅守初心”的表現(xiàn)?！袂ぐ宓脑O計背景“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”成為國家戰(zhàn)略[1]，中美關系實質上滑向“新冷戰(zhàn)”狀態(tài)[2]，解決“卡脖子技術”問題成為一種共識[3]，在這樣的背景下，社會對創(chuàng)新的認知似乎達到了空前的熱度。在這種氛圍下，作為一直關注創(chuàng)新教育的教師，筆者更加積極探索“錢學森之問”[4]與“李約瑟難題”的原因與破解之道。一個偶然的機會，因為參加STEAM教育的一個研討會，筆者接觸到中小學創(chuàng)新教育和創(chuàng)客文化，萌生了做一款用于創(chuàng)新教育硬件平臺的想法。每個人都有自己的特長，雖然人與人在智力等方面存在差別，但是追求個人自身的價值，并與社會發(fā)展相結合，是所有人都在自覺或者不自覺積極努力的。對社會而言，如果能夠提供一個理想的平臺，起到分類激發(fā)、尊重獨創(chuàng)、體現(xiàn)價值的作用，則每個人獨有的天賦活力與價值就能充分發(fā)揮，創(chuàng)新的土壤就能真正培養(yǎng)起來。在了解、學習了“開源”思想之后，基于為創(chuàng)新教育提供一個可以“激發(fā)興趣、自我探索、相互聯(lián)接、體現(xiàn)價值”的平臺，結合需求與個人經(jīng)歷，設計一個實在的平臺的想法也就逐步清晰地浮現(xiàn)于腦海中。幾經(jīng)交流討論、多次迭代，“乾坤板”的設計有了雛形，后續(xù)隨著對創(chuàng)新理念的進一步深入了解和實踐，“乾坤板”也將會進一步深入演化?！袂ぐ宓脑O計理念如何兼顧教學和實際應用呢？“乾坤板”的第一大特點是把核心控制板和傳感執(zhí)行的擴展板分開。核心板是具備精簡功能的控制單元，主要面向工業(yè)和消費應用，教學里核心板作為控制單元而擴展板主要面向教學實踐，精選典型和具有創(chuàng)意的傳感與執(zhí)行設備來配套單片機資源的開發(fā)利用，擴展板當教具用時，是把科創(chuàng)教育作為一種特殊的產(chǎn)品應用場景，擴展板同時也可以作為應用開發(fā)的驗證平臺，即使用擴展板開發(fā)相關程序，而后將成果直接移植到實際產(chǎn)品。核心板主芯片的選型，主要是基于開源思想，借鑒Arduino、micro：bit和掌控板的形態(tài)，面向物聯(lián)網(wǎng)和人工智能教學與產(chǎn)品開發(fā)的需求，以及結合國產(chǎn)化的考慮，選擇了ESP32作為主控芯片。這塊MCU本身具備Wi-Fi和藍牙無線通信，板載RAM相對于一般的MCU比較大，可以作為邊緣計算的終端節(jié)點，也能擴展互聯(lián)形成網(wǎng)絡結構。擴展板傳感的設計則主要面向實際應用，第一版面向科創(chuàng)教育，設計上除考慮與現(xiàn)有相關產(chǎn)品的兼容之外，重點針對物聯(lián)網(wǎng)和人工智能教育的需求，強化了語音和圖像處理接入的可能性。作為一款自主設計的開發(fā)板，筆者希望其有中國的元素，結合板子拆分成兩部分，以及兩部分各自功能的定位和后續(xù)的擴展。經(jīng)長時間的思索后，突然某天靈光一現(xiàn)，“乾坤板”三個字就跳了出來：核心板為“乾板”，擴展板為“坤板”。●乾坤板的產(chǎn)品形態(tài)“乾坤板”規(guī)劃構建一個開源硬件平臺，“乾板”作為控制部分與“坤板”結合，構成一個完整的功能系統(tǒng)，功能具有多變與擴展性。當前，第一版的“乾板”以MCU為主控芯片，“乾板”主要面向以物聯(lián)網(wǎng)為主題，兼顧簡單人工智能實現(xiàn)。后續(xù)坤板還會基于視覺人工智能邊緣計算、可重構系統(tǒng)等需求進行進一步開發(fā)，形成幾大系列，構成生態(tài)。MCU版本的乾坤板在開發(fā)上遵循如圖1所示的產(chǎn)品形態(tài)規(guī)劃。以乾板為中心進行擴展，MCU部分面向科創(chuàng)教育開發(fā)標準的坤板——擴展板。如圖1所示，坤板分為標準坤板和應用坤板兩種。標準坤板的重點是可面向物聯(lián)網(wǎng)和人工智能教學，還要融入Arduino和MicroPython生態(tài)，兼容掌控板、micro：bit等科教產(chǎn)品。標準坤板形態(tài)除第一版的AD&MP版本外（支持Arduino與MicroPython的標準版本），還將有Arduino版本，簡易接口擴展版本，以滿足不同生態(tài)接入和快速開發(fā)的需求。應用坤板則主要面向創(chuàng)意產(chǎn)品的開發(fā)，基于開源模式，使用者可在標準版本上自行進行開發(fā)。創(chuàng)意產(chǎn)品原型可在標準坤板（包括簡易接口擴展版本）上進行試驗測試，相對成熟后自行以乾板為基礎開發(fā)電路板，相應的交流和展示社區(qū)后續(xù)將建立起來?！袂ぐ宓墓δ苷故厩ぐ迨且粋€平臺，按照前節(jié)所述產(chǎn)品形態(tài)規(guī)劃，將會包含系列產(chǎn)品，這里主要介紹現(xiàn)已開發(fā)的乾板和標準坤板（AD&MP版本，該乾坤板套件簡稱為乾坤板-M，乾坤板-M的乾板和坤板分別簡稱為“乾-M”和“坤-M”）的結構與功能。“乾坤板-M”分為“乾-M”板與“坤-M”板，兩板之間采用了低塑高排針排母連接，在保證連接可靠的同時減少板與板之間的空隙。“乾-M”為核心板，尺寸為2.0cm×3.7cm超小尺寸，搭載了2.4GHzWi-Fi和藍牙雙模的ESP32-D0WDQ6-V3芯片，該芯片采用TSMC超低功耗的40納米工藝，擁有最佳的功耗性能、射頻性能、穩(wěn)定性、通用性和可靠性，同時板子集成了MEMS數(shù)字麥克風、8MBFlash，支持擴展8MBPSRAM以及外界天線獲得更好的無線性能，適用于各種應用和不同功耗下的物聯(lián)網(wǎng)應用?！袄?M”為主要面向物聯(lián)網(wǎng)和簡單人工智能視覺處理的擴展板，“坤-M”可以與掌控板進行兼容，板上集成了手勢傳感器、加速度傳感器、地磁傳感器、光線傳感器、蜂鳴器、模擬音頻功率放大器、3顆WS2812B-2020-RGB、2個物理按鍵、3個觸摸按鍵和1.3英寸OLED屏幕，同時還支持直接外接一路I2C接口、兩路數(shù)字接口、兩路模擬接口和一路揚聲器接口，豐富的拓展可以實現(xiàn)炫酷的小發(fā)明，實現(xiàn)無數(shù)可能?！袂ぐ宓漠a(chǎn)品開發(fā)陽臺與日常生活緊密連接，很多人在陽臺上種菜養(yǎng)花。但對于大部分人而言，能養(yǎng)好花、種好菜卻是一件比較難的事，如果通過小的控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動種養(yǎng)，除了可以減少養(yǎng)花種菜的時間投入，對種養(yǎng)體驗而言也將有很大的提升。自動種養(yǎng)需要的一些傳感與執(zhí)行需求歸納如圖2a所示。主要是要檢測土壤和環(huán)境信息，然后對肥水、病蟲害等進行防治，實現(xiàn)上述功能還需要供能，當然也希望能夠遠程控制與視覺監(jiān)測，最后希望除了可以遠程監(jiān)控外，還能通過植入算法，實現(xiàn)自動控制。在此基礎上基于“乾-M”板，設計了圖2b所示的擴展板，其中包含上述傳感與控制接口及擴展接口。根據(jù)這些要求，筆者在自家陽臺安裝了一套含儲能的12V太陽供電系統(tǒng)供能，包含一個魚缸和若干干濕要求不一的花菜盆栽。系統(tǒng)有一個水泵抽水，三個電磁閥控制滴灌和霧化噴淋，LED按需控制波長和亮度補光，風扇計劃用于煙霧噴藥或者環(huán)境風循環(huán)。系統(tǒng)通過MQTT實現(xiàn)遠程控制，加上一個網(wǎng)絡攝像頭可以實時遠程監(jiān)測控制效果。同步開發(fā)的圖像化編程插件和設備底層驅動，可實現(xiàn)圖形化與Arduino編程，面向小學、中學不同階段的學生開展相關邏輯控制和智能算法的課程教學與科學實驗，也可以用于實際陽臺智能種養(yǎng)。（感謝福州陽光國際學校對上海交通大學未來電網(wǎng)電力科普教育基地科創(chuàng)活動的捐贈支持，乾坤板的開發(fā)部分使用了該捐贈經(jīng)費）[1]國務院關于推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)高質量發(fā)展打造“雙創(chuàng)”升級版的意見[z].中華人民共和國國務院公報，2018（29）：51-57.[2]王帆.中美關