作者：校报记者团 张清禹 严海玥

原创·首发·独家

    刘翰是物理科学与技术学院2017级微电子科学与工程专业的一名本科生，2019年的暑假他没有回家，而是在榆中校区贺兰堂的实验室里度过的。他在忙着进行科研训练，忙着准备两场竞赛：全国大学生物联网设计竞赛和2019年大学生电子设计竞赛（A类赛事）。

    8月下旬，两项竞赛先后举行，刘翰作为学生负责人的“ToF创客”队在全国大学生物联网设计竞赛（以下简称物联网竞赛）获全国一等奖，他同样作为学生负责人的团队在2019年大学生电子设计竞赛（以下简称电子竞赛）获全国二等奖。

    刘翰长出一口气，表示对这个结果“很满意”。

    对此结果表示满意的除了刘翰，还有团队的指导教师李训栓。“刘翰他们在物联网竞赛中能拿全国一等奖，这出乎我的意料，因为之前我们将大量精力投入到了电子竞赛中，但仔细分析又在情理之中，首先我们的创意很好，只不过刚开始低估了这种无接触手势识别的作用，其次小组成员努力克服困难的精神是很可贵的”，李训栓如是说道。

动作识别系统实现隔空操作

    “ToF创客”队由物理科学与技术学院2017级微电子科学与工程专业本科生刘翰、朱鹏臣，2017级材料化学专业本科生崔立志和2017级物理学一班本科生刘浩组成。

    在老师们的精心指导下，“ToF创客”队设计了一款动作识别系统，能够实现隔空对物体的操作与控制，相较当下少数一些通过摄像头或陀螺仪来操作的动作识别系统，“它们不仅理论上复杂、实现困难，而且成本高、造价大”，“ToF创客”队的动作识别系统规避了这些缺陷，更具有推广的价值和可能。

    “ToF创客”队的动作识别系统是怎么实现隔空操作的呢？他们用测量距离数值的方法来实现对动作的识别，采用国际比较先进的“TimeofFlight（飞行时间）”激光测距技术，在电路板上分别连接四个激光测距模块，通过将这四个模块所测量的不同距离数值传输到电路板中间的微处理器，来实现对动作的识

    别，进而实现对其他物体的控制。生活中典型的应用有无人机、无线小车、手机App以及LED灯等。

    以无线小车作为简易演示工作，“ToF创客”队成员将手放在动作识别板上，通过“向左”、“向右”、“向前”、“向后”等手势分别实现对小车 “左转”、“右转”、“加速”、“减速”等操作，这种隔空的手势控制系统避免了以往用手接触开关的繁琐，可以给生活带来更多的便利。

    2019年8月4日至5日，“ToF创客”队带着作品前往长安大学参加物联网竞赛的西北赛区赛，尽管荣获了特等奖、晋级全国赛，但还有一个没有解决的问题始终困扰着他们：四个激光测距模块要把测距信息依次传递给中央的微处理器，这一过程效率慢、用时长，使得整个系统的实用性大大降低，应用到产品中也将使产品的价值大打折扣。

    赛区赛后，团队师生开始集中精力破解该难题。经过反复思考、试验、讨论，他们想到了一个简单而巧妙的办法：给每个激光测距模块都配备一个微处理器，四个微处理器接收的测距数值发送给中央的微处理器，这样由原先的一个微处理器增加到五个，速度从原来的100毫秒提升到40毫秒，这就使得传输效率慢、用时长这一问题得到了有效的改善。

    团队成员立刻重新画电路板、焊接电路，8月19日晚上彻夜未眠，20日带着调试好的新的动作识别系统踏上了兰州前往成都的列车，去四川大学参加全国赛。

    “我们在展位上布置完自己的作品之后就去参观其他的参赛作品，发现他们的作品都很优秀、特别有创意，为了加强自己的作品，我们一起商量，临时加上了远程动作监测系统”，刘翰说道。

    远程监测系统是一个显示器，能够有效显示手势所做的“向左”、“向右”、“向前”、“向后”、“向上”、“向下”等具体动作。

    但是很快又出现了别的突发状况，“我们在展位上将作品第一次上电之后，发现激光测距模块的数据一直乱跳，之前在实验室从没出现这个问题，在多次排查故障均无结果之后，我抱着试一试的态度将芯片上的保护膜撕掉，结果模块数据显示恢复正常了”，朱鹏臣说道。

    参加竞赛，团队之间较量的并不仅仅是自身的实力，还有临场发挥的表现力与处理紧急状态、排查偶发因素的能力与素质，而在指导老师李训栓看来，“只有外行才会觉得你的东西做得很好，这是经验不够、对自己作品不够自信的表现。我每年都带学生参加很多竞赛，到了比赛现场通常都会产生这种心态，认为这个做得很好，那个做得也很好。参加比赛的重要目的在于让学生接触很多先进技术、不同设计理念、不同创意等，学习和交流更重要”。

    通过展位展览、答辩与现场演示等环节，“ToF创客”队的作品动作识别系统拿下了全国赛一等奖。

校车上产生的奇思妙想

    “ToF创客”队动作识别系统的创意源自李训栓老师喜欢看的《星际迷航》科幻剧集。

    在影片中常常出现感应式的门，手一挥即开，“我就想这个能不能做出来。现有的激光测距模块（即ToF传感器技术）的典型应用是手机拍照时的自动对焦功能，用激光测距来实现对焦，我回家坐校车的时候就想能不能把它用在手势识别上，在和学生商量之后觉得这是可行的。”李训栓对坐校车情有独钟，“我的很多灵感都是坐校车时产生的”。

    刘翰在最初接触这一研究项目的时候遇到了很多困难，“主要是很多知识不懂”。为此，去年的整个寒假他都在通过网课等资源自学与STM32微处理器相关的C语言及计算机编程，开学之后的3至5月份便一直在调试激光测距模块。

    模块 （一种包含传感器及其硬件驱动的电路）是从厂家订购的，厂家提供的资料只有模块的API函数库，这是最底层的代码，刘翰首先需要看懂这些代码，然后编制动作识别算法输入到模块之中去进行二次编程，“上一学期我和朱鹏臣没课的时候就聚到一起研究、编写动作识别算法，常常都是下午四五点钟一直到晚上宿舍楼熄灯，我大二参加的两个社团也很少有时间去”。“突然有一天他（刘翰）跑到实验室告诉我说‘老师，所有问题都解决了’”，李训栓说。

    真正到实际动手做实验的时候，又出现了反反复复的情况。刘翰第一次画出的电路图并没有得到老师的认可，“画电路首先要体现出工业设计之美，他画得不好看，调试的时候就很难发现其中的问题，这也是由于他电路设计经验少的缘故。”

    经过反复的调整，刘翰等人终于画出了令大家都满意的电路图，破解了可以想见的所有难题。这“耗费”了刘翰大量的时间，“我平常很少有时间复习课程内容，所以进图书馆的机会很少，也只有到期末复习考试的时候才会。更多的时间用在了这些科研项目上”。尽管如此，刘翰连续两年拿到了国家奖学金。

致力创新的创新实验室

    李训栓是物理学院电子线路实验室的主管老师，电子线路实验室于2014年在榆中校区建成，位于贺兰堂5楼，有数字电路实验室、模拟电路实验室以及电子线路创新实验室三个独立场所，数字电路实验室和模拟电路实验室供本科生基础教学用，电子线路创新实验室供学生进行科研培训和竞赛培训。

    每年都有很多学生出于兴趣进入电子线路创新实验室，从这里也走出了很多优秀的学生，例如2013级微电子科学与工程专业本科生周爽、现在美国加州大学洛杉矶分校攻读人工智能方面的博士研究生，2015级微电子科学与工程专业本科生张斌、保送北京大学研究生，2012级微电子科学与工程专业本科生雷顺、保送清华大学研究生，以及更多保送本校研究生的同学们。

    李训栓说：“学院对实验室的正常运行提供了很多支持，领导和同事们也都给予了很多帮助，学院副院长也不遗余力的解决了很多困难，自己常常觉得很幸福，很多人在支持你做自己想做的事。我的梦想是做一个非常牛的实验室，就像托尼·史塔克一样，学生想做什么都可以做出来。”

    电子线路创新实验室是一个开放的平台，鼓励全校师生到实验室参观交流，不仅如此，物理学院每年都会举办电子线路创新实验室培训班，鼓励更多的人加入进来，“我认为学生对科研的热情和兴趣还是有的，同时我也发现我们学生的潜力很大，只是对我们实验室方面了解较少，或者我们不能很有效地把学生吸引到科研工作中来。只要他来到实验室，我们是不会放弃的，除非他自己积极性不高。”