中小学教育资源及组卷应用平台
九年级下册信息技术教学设计
课题 第3节《跌倒救助机器人》 单元 二单元 学科 信息技术 年级 九年级
学习目标 知识与技能：1.掌握运动传感器、蜂鸣器等器件的使用方法；2.能设计、搭建一个跌倒救助机器人模型，并编写程序实现功能。过程与方法：通过探索实践，掌握运动传感器、蜂鸣器等器件的使用方法；通过小组合作，能设计、搭建一个跌倒救助机器人模型，并编写程序实现功能。情感、态度与价值观：拓展学生知识面，提高学生生活实践应用能力和信息素养，使学生乐于使用信息技术解决生活中的问题。培养学生的计算机思维和自主探究、小组合作能力。培养孩子们的动手操作能力。提升信息素养和创新能力。设计、搭建跌倒救助机器人。
重点 运动传感器、蜂鸣器等器件的使用方法。
难点 能设计、搭建一个跌倒救助机器人模型，并编写程序实现功能。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
教学设计教学设计教学设计 一、新课导入欢欢组来到了城市护卫主题展厅进行探索，看到了很多种陪伴机器人。未来人们真的需要这些机器人吗？在一则材料中他们找到了答案。当前，很多国家都面临人口老龄化的问题，老龄人口不断增加。而很多老年人都有跌倒的经历，据统计跌倒是造成伤害死亡的第四大因素，在65岁以上的老年人中则为首要因素。造成死亡的主要原因是老年人在跌倒后没有及时得到救治，耽误了最佳抢救时间。我们可以设计一个机器人来解决这个问题：准确、快速地检测老年人跌倒的发生并及时子以救助，以降低跌倒对老年人造成的伤害。二、新知学习（一）、项目分析，方案确定1. 项目分析本项目研究的问题是检测跌倒的发生，并在人跌倒后及时发出告警信号并及时救助。那么，如何检测到跌倒的发生呢？（1）跌倒检测分析后发现，人的跌倒是一个复杂的运动过程，且速度会发生快速变化。在运动学中，描述速度改变快慢的物理量称为加速度；重力对自由下落的物体产生的加速度，称为重力加速度。人在跌倒时，在竖直方向受重力影响，其加速度会发生变化，可以通过检测加速度的突变来检测跌倒事件的发生。思考：请和小组同学们一起分析，人的跌倒是怎样的运动过程，在跌倒过程中还有哪些物理量发生了变化？（2）功能分析为了监测跌倒情况的发生，可以将跌倒检测设备穿戴在人体上。当人体跌倒时，发出告警声音提醒周围人群及时救助。还可以通过无线通信方式发出求救信号，等待机器人救助。所以可以将跌倒救助机器人分成两个部分。2.技术选型用加速度传感器检测跌倒事件的发生，用蜂鸣器发出告警声音，用蓝牙模块传输告警信号。3.方案确定（二）、系统搭建，功能实现1.结构搭建根据设计方案穿戴端主要组成有Arduino控制器、MPU 6050模块蜂鸣器、蓝牙模块和背带。为便于封装和穿戴，可以使用Arduino扩展板进行器件集成。2.系统接线基于跌倒救助机器人的基本结构和模块的使用方法，将Arduino控制器与MPU6050模块、蓝牙模块和蜂鸣器模块进行系统接线，如图2-3-4所示。器件的针脚对应表，如表2-3-3所示。3.程序编写（1）数据分析穿戴端的主要功能是检测跌倒事件的发生，可以利用MPU 6050模块获取加速度的突然变化来检测跌倒。MPU6050模块可以获取三维空间中X、Y、Z三个轴向的加速度值，MPU6050的程序模块在“传感器” 分组中可以找到，如图2-3-5所示。在Mixly中， MPU6050的使用比较简单，可以通讨串口监视器将加速度值显示出来，以供研究，如图2-3-6所示。小提示：字符“\t” 在ArduinoIDE中表示的是制表符，在窗口会显示出一定的间隔。小提示：在串口监视器中，可以使用Ctrl+C组合键，复制出监视器中选定的数据。任务一：设计一组实验，模拟跌倒事件的发生，并且获取跌倒过程中三轴加速度变化的数据，使用数据分析软什进行分析，写出你认为可行的跌倒检测的算法。（2）跌倒检测算法的设计欢欢组设计了跌倒实验，将穿戴端设备穿戴在模特身上，模拟人类跌倒。图2-3-9展示跌倒实验中采集的数据，并使用Excel软件将数据用折线图表示出来。任务二：请你认真分析图2-3-10，提炼出图像的信息特征并加以解释。从数据分析可以看出，在跌倒情况发生时，三个轴向的加速度都发生了剧烈波动。为简化检测，我们可以运用在单个轴向上（以Y轴为例），在跌倒时间内(按1s计算）求极值的方式来检测跌倒的发生。思考：结合实验数据分析，思考和探究如下问题：①基于实验，你们小组确定的告警國值为多少？②图2-3-11所示的算法有没有可以改进的地方？请提出你的想法。③除了用极值的方式检测跌倒事件，还有其他算法吗？（3）程序编写基于上面的分析，首先设计告警两数alarm( ）。用于跌倒后伟用蜂鸣器发出现场告警求救声音，如图2-3-12所示。对于发出蓝牙信号的功能将在后面补充。依据图2-3-11所示算法设计跌倒检测与告警程序，如图2-3-13所示。（三）、功能拓展与实践远程救援端的主要功能是接收穿戴端传回的蓝牙信号，根据信号内容进行救援行动，将救援行动设计为远程救援端发出急救声音和启动行走两个动作。1.结构搭建根据前面的设计，远程救援端主要由蓝牙模块和机器人小车构成。2. 系统接线跌倒救助机器人远程救援端的基本结构与小车类似，可在小车的基础上增加蓝牙模块，接好系统线路，如图2-3-15所示。器件的针脚对应表，如表2-3-4所示。3.程序编写（1）蓝牙通信跌倒救助机器人分为穿戴端和远程救援端。在蓝牙通信中，主机只有一个，从机可以有多个。所以将穿戴端设置为主机，远程救援端设置为从机，它们的指令传输关系如图2-3-16所示。将两个终端的Arduino控制器接好蓝牙模块后，需要对它们进行配对才能正常通信。配置的方法如下：第1步 使用串口模式直连蓝牙模块将Arduino主控板的Rx引脚连接蓝牙模块的RX引脚，Tx引脚连接蓝牙模块的TX引脚，此时蓝牙模块与计算机串口直连。此状态下，可使用串口监视器的输人对蓝牙模块进行直接配置。第2步 进入AT模式对蓝牙模块进行配置时，先要进人AT模式。按下蓝牙模块正面的一个圆形按键，按住的过程中给蓝牙模块加电，蓝牙模块的指示灯慢闪（1~2s亮一次），说明已经进人AT模式，这样就可以对蓝牙模块进行配置。第3步 配置蓝牙模块打开Mixly的串口监视器，将监视器的换行模式选择为“\r\n”，波特率选择为 “38400”，在输人框输人配置指令。每条指令配置成功时会返回“oK〞响应，如图2-3-17所示。按如下配置程序对蓝牙信号名称、密码等参数进行配置，数值可以根据霱要进行调整。第4步 配对及通信测试配置好主、从机后，在密码一致的情况下，接通电源后即可自劲配对。蓝牙模块发送和接收信息是通过串口输出、输人方式进行的。图2-3-18是串口通信的程序示例。小提示：在程序编译后上传到Arduino控制器前，需要将蓝牙模块 与Arduino的TX和RX接线先找除，因为蓝牙模块会占用串口接口导致代码上传不成功。任务三：蓝牙通信实验：请将下面程序片段，分别上传至接好蓝牙模块的Arduino控制器，调试蓝牙之问的通信，观察从机上的LED灯的亮灭情况。（2）改进穿戴端告警两数穿戴端的另一项功能是发送蓝牙告警信号，需要对穿戴端的告警函数alarn（）（参见图2-3-12）进行功能拓展，让它具备发送蓝牙告警信号的功能。（3）编写远程救援端程序远程救援端需要接收穿戴端发出的蓝牙求救信号，收到信号后发出警报声音并且启动机器人小车前往救援。对项目方案中救援算法进行细化，如图2-3-21所示。任务四：请将上述代码编译上传至Arduino控制器，配合穿戴端再次做模拟跌倒实验，调试、观察实验结果是否达到了设计目标，并记录下实验现象和写出改进建议。三、拓展阅读5G时代下，移动机器人如何出奇“智”胜。四、课堂小结今天你有哪些收获？遇到了哪些困难？是怎么解决的？还有哪些困惑？五、作业布置
预习下一课《确定项目 规划机器人方案》。 思考了解交流；谈论学习学习交流表达了解操作练习操作实践学习了解操作实践操作实践了解交流表达预习下一课 创设趣味的学习情境，更能激发学生的兴趣；了解本节课学习任务项目分析，方案确定培养表达能力与解决问题的能力学习系统接线培养动脑思考能力，培养思维增加知识面培养动手能力学生利用自主探究、小组合作、实践操作的方法去解决问题；师生直观演示更具说服力，加深印象。培养学生举一反三、学习迁移的能力；鼓励学生尝试完成操作练习功能拓展与实践增加知识面培养动手能力培养小组合作能力增加知识面培养知识归纳能力培养自主学习能力
板书 第2节 跌倒救助机器人 1、项目分析，方案确定2、系统搭建，功能实现3、功能拓展与实践
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共36张PPT)
跌倒救助机器人
九年级下
欢欢组来到了城市护卫主题展厅进行探索，看到了很多种陪伴机器人。未来人们真的需要这些机器人吗？
我们可以设计一个机器人来解决这个问题：准确、快速地检测老年人跌倒的发生并及时予以救助，以降低跌倒对老年人造成的伤害。
当前，很多国家都面临人口老龄化的问题，老龄人口不断增加。而很多老年人都有跌倒的经历，据统计跌倒是造成伤害死亡的第四大因素，在65岁以上的老年人中则为首要因素。造成死亡的主要原因是老年人在跌倒后没有及时得到救治，耽误了最佳抢救时间。
1. 项目分析
（一）、项目分析，方案确定
本项目研究的问题是检测跌倒的发生，并在人跌倒后及时发出告警信号并及时救助。那么，如何检测到跌倒的发生呢？
（1）跌倒检测
分析后发现，人的跌倒是一个复杂的运动过程，且速度会发生快速变化。在运动学中，描述速度改变快慢的物理量称为加速度；重力对自由下落的物体产生的加速度，称为重力加速度。人在跌倒时，在竖直方向受重力影响，其加速度会发生变化，可以通过检测加速度的突变来检测跌倒事件的发生。
思考：请和小组同学们一起分析，人的跌倒是怎样的运动过程，在跌倒过程中还有哪些物理量发生了变化？
为了监测跌倒情况的发生，可以将跌倒检测设备穿戴在人体上。当人体跌倒时，发出告警声音提醒周围人群及时救助。还可以通过无线通信方式发出求救信号，等待机器人救助。所以可以将跌倒救助机器人分成两个部分。
（2）功能分析
用加速度传感器检测跌倒事件的发生，用蜂鸣器发出告警声音，用蓝牙模块传输告警信号。
2.技术选型
3.方案确定
（二）、系统搭建，功能实现
1.结构搭建
根据设计方案穿戴端主要组成有Arduino控制器、MPU 6050模块蜂鸣器、蓝牙模块和背带。为便于封装和穿戴，可以使用Arduino扩展板进行器件集成。
基于跌倒救助机器人的基本结构和模块的使用方法，将Arduino控制器与MPU6050模块、蓝牙模块和蜂鸣器模块进行系统接线，如图2-3-4所示。器件的针脚对应表，如表2-3-3所示。
2.系统接线
3.程序编写
（1）数据分析
穿戴端的主要功能是检测跌倒事件的发生，可以利用MPU 6050模块获取加速度的突然变化来检测跌倒。MPU6050模块可以获取三维空间中X、Y、Z三个轴向的加速度值，MPU6050的程序模块在“传感器” 分组中可以找到，如图2-3-5所示。
在Mixly中， MPU6050的使用比较简单，可以通讨串口监视器将加速度值显示出来，以供研究，如图2-3-6所示。
任务一
设计一组实验，模拟跌倒事件的发生，并且获取跌倒过程中三轴加速度变化的数据，使用数据分析软什进行分析，写出你认为可行的跌倒检测的算法。
欢欢组设计了跌倒实验，将穿戴端设备穿戴在模特身上，模拟人类跌倒。
（2）跌倒检测算法的设计
图2-3-9展示跌倒实验中采集的数据，并使用Excel软件将数据用折线图表示出来。
任务二
请你认真分析图2-3-10，提炼出图像的信息特征并加以解释。
从数据分析可以看出，在跌倒情况发生时，三个轴向的加速度都发生了剧烈波动。为简化检测，我们可以运用在单个轴向上（以Y轴为例），在跌倒时间内(按1s计算）求极值的方式来检测跌倒的发生。
思考：结合实验数据分析，思考和探究如下问题：
①基于实验，你们小组确定的告警國值为多少？
②图2-3-11所示的算法有没有可以改进的地方？请提出你的想法。
③除了用极值的方式检测跌倒事件，还有其他算法吗？
基于上面的分析，首先设计告警两数alarm( ）。用于跌倒后伟用蜂鸣器发出现场告警求救声音，如图2-3-12所示。对于发出蓝牙信号的功能将在后面补充。
（3）程序编写
依据图2-3-11所示算法设计跌倒检测与告警程序，如图2-3-13所示。
（三）、功能拓展与实践
1.结构搭建
根据前面的设计，远程救援端主要由蓝牙模块和机器人小车构成。
跌倒救助机器人远程救援端的基本结构与小车类似，可在小车的基础上增加蓝牙模块，接好系统线路，如图2-3-15所示。器件的针脚对应表，如表2-3-4所示。
2. 系统接线
3.程序编写
（1）蓝牙通信
跌倒救助机器人分为穿戴端和远程救援端。在蓝牙通信中，主机只有一个，从机可以有多个。所以将穿戴端设置为主机，远程救援端设置为从机，它们的指令传输关系如图2-3-16所示。
将Arduino主控板的Rx引脚连接蓝牙模块的RX引脚，Tx引脚连接蓝牙模块的TX引脚，此时蓝牙模块与计算机串口直连。此状态下，可使用串口监视器的输人对蓝牙模块进行直接配置。
第1步 使用串口模式直连蓝牙模块
对蓝牙模块进行配置时，先要进人AT模式。按下蓝牙模块正面的一个圆形按键，按住的过程中给蓝牙模块加电，蓝牙模块的指示灯慢闪（1~2s亮一次），说明已经进人AT模式，这样就可以对蓝牙模块进行配置。
第2步 进入AT模式
打开Mixly的串口监视器，将监视器的换行模式选择为“\r\n”，波特率选择为 “38400”，在输人框输人配置指令。每条指令配置成功时会返回“oK〞响应，如图2-3-17所示。
第3步 配置蓝牙模块
按如下配置程序对蓝牙信号名称、密码等参数进行配置，数值可以根据霱要进行调整。
配置好主、从机后，在密码一致的情况下，接通电源后即可自劲配对。蓝牙模块发送和接收信息是通过串口输出、输人方式进行的。图2-3-18是串口通信的程序示例。
第4步 配对及通信测试
任务三
蓝牙通信实验：
请将下面程序片段，分别上传至接好蓝牙模块的Arduino控制器，调试蓝牙之问的通信，观察从机上的LED灯的亮灭情况。
穿戴端的另一项功能是发送蓝牙告警信号，需要对穿戴端的告警函数alarn（）（参见图2-3-12）进行功能拓展，让它具备发送蓝牙告警信号的功能。
（2）改进穿戴端告警两数
远程救援端需要接收穿戴端发出的蓝牙求救信号，收到信号后发出警报声音并且启动机器人小车前往救援。对项目方案中救援算法进行细化，如图2-3-21所示。
（3）编写远程救援端程序
编写程序如下：
在Mixly中， MPU6050的使用比较简单，可以通讨串口监视器将加速度值显示出来，以供研究，如图2-3-6所示。
任务四
请将上述代码编译上传至Arduino控制器，配合穿戴端再次做模拟跌倒实验，调试、观察实验结果是否达到了设计目标，并记录下实验现象和写出改进建议。
下课啦！
