基于编程实现的手持高空扎线装置

◆江苏省兴化中学 周明威 朱友明 蒋民浩

一些小区因建造年代久远，有线电视线、通信运营商的网线等线缆密密麻麻，形成一张张“蜘蛛网”，不仅影响美观，还存在一定的安全隐患。如果通过人力去整理、扎线，需要在空中悬空架梯，十分危险。此外，每扎一米，工人还要下梯重新摆放梯子，所需的劳动强度较大。如何整理凌乱的电线、电缆？ 高一时，我们加入了学校的科技社团，在社团中我们熟悉了编程的相关知识。能否利用所学知识发明一种长杆，通过遥控整理凌乱的电缆呢？我们开始研究一种基于编程技术的自动化的空中扎线装置。

图1 最初构想的作品示意图

一、设计思路

先设计出外观草图，再采用三维建模技术，打印出本项目所需的外壳。空中自动扎线计划通过Arduino开源编程来实现，通过霍尔传感器来感知，并计算出加载的扎线铁丝的长度，再通过改变扭丝电机的作用时间，调节扎线的松紧度。

二、调查研究

（一）开展问卷调查

1.问卷调查的地点

江苏省兴化中学理科班、兴化市锦绣园旧小区、兴化市九顷南村旧小区。

2.发放问卷

我们利用两个周末的时间，在兴化市锦绣园旧小区、兴化市九顷南村旧小区、江苏省兴化中学的部分理科班，共计发放调查问卷650份，收回有效问卷647份。

统计结果表明，约92.3%的调查对象认为，如果能研制出一款基于编程实现的手持高空扎线装置，对改造旧小区的环境具有重要意义。

（二）检索空中理线的注意事项

我们检索了与整理空中电缆相关的注意事项，避免人为损坏公共设施。综合考虑结构、加工工艺等方面的因素，我们决定采用纯机械凸轮机构实现排线功能。

三、设计过程

（一）设计外观

作品采用“V”形手势的造型，寓意其能快速在空中理线。

（二）外壳的三维建模设计

采用3D打印技术分段打印外壳，再将其组合成一个整体。

图2 作品外观设计图

图3 各个组成部分的三维模型图

（三）用开源编程实现扎线

本作品的扎线过程采用开源编程方式控制。

四、制作第一代产品

（一）用霍尔传感器计算送出的铁丝长度

图4 用霍尔传感器计算铁丝长度

当强磁性磁钢旋转至霍尔传感器的芯片处时，霍尔传感器将输出一个“1”的信号（即一个5 V的电平），每转一圈又输出一个“1”的信号。统计出现信号“1”的次数，便能计算出齿轮送出的铁丝的长度。调整要转的圈数这一参数，便能控制铁丝吐出的长度。

霍尔传感器可感知齿轮旋转的圈数，编程中调整旋转圈数参数，便能控制每次扎线铁丝吐出的长度。

（二）性能测试

采用可插拔直充式电池，更换方便，充电便捷，且能显示电量。无线遥控开关可隔墙使用。将扭丝爪设计成锥体结构，可方便拔丝。

图5 第一代基于编程实现的手持高空扎线装置

试用时发现，装置的扎线性能不稳定。调整铁丝直径的调节螺丝后，扎线成功率仍没有得到显著提高。

五、制作第二代产品

（一）制作过程

改用焊接微小的霍尔传感器，不断重新建模，改良作品的壳体结构，优化扎线盒以提高扎线成功率。在反复进行扎线技术测试、调试中改良传送扎线的机械力度，实施相应改进后重新设计下送料架，寻找编程中的扎线松紧度的最佳数据，终于让扎线成功率得以稳定。

改进后的手持高空扎线装置的电池盒采用亚克力板材，背面预留小孔，方便手指从背面推出锂电池。

（二）性能测试

单根线缆以及扎线的技术性能测试结果表明，扎线成功率达93%以上，满足了设计要求。

图6 第二代基于编程实现的手持高空扎线装置

六、创新点

（一）通过扎线整理空中凌乱的电线，无需人工架梯、登高，减少了安全隐患。

（二）电机正向顺时针转动时，利用霍尔传感器感知扎线铁丝的长度，并利用凸轮机构自动切断扎线铁丝。采用无线遥控方式，操作简便，性能可靠。

（三）电机反向逆时针转动时，利用U形扎丝头对铁丝进行上紧扭扎，并能通过编程来调节扎线的松紧度。设计了具有锥体结构的扭丝爪，方便拔丝。

（指导老师：朱石明）

专家点评

周明威、朱友明、蒋民浩同学的基于编程实现的手持高空扎线装置，是一项富有内涵的发明作品。这项作品体现了三位发明人：第一，具有良好的创新意识，在生活中善于观察、思考，发现别人发现不了的问题，提出有价值的实施课题。年代久远的小区内有线电视线、通信运营商的网线等各种线缆形成一张张“蜘蛛网”的情况不是一天两天的事情，三位同学能首先提出解决方法并加以实施，值得点赞。第二，具有跨学科知识综合运用解决问题的能力。三位同学将在学校科技活动中学到的编程知识与平时的课程知识等结合，解决问题。第三，具有良好的技术运用与动手实践能力。用什么方式解决这个问题？他们没有采用大型的机械设备，而是采用手持高空扎线杆的方式，既轻便又实用。

如果我们去做一个大型设备，也有可能解决问题，但也可能由于其成本高而无法将其推广应用。