本发明属于数据处理领域，尤其涉及一种STEM教育卡片编程系统及其编程方法。
背景技术：
STEM是科学(Science)，技术(Technology)，工程(Engineering)，数学(Mathematics)四门学科英文首字母的缩写，其中科学在于认识世界、解释自然界的客观规律；技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界、实现对自然界的控制和利用、解决社会发展过程中遇到的难题；数学则作为技术与工程学科的基础工具。
我国近几年不断在普及STEM教育，青少年是STEM教育的主要受众以及核心用户。在国内，STEM教育发展起点较晚，辐射面较窄，仅在北上广深一线城市有所行动。其它二线及以下城市尚未开展或处于萌芽状态。缺乏脑力训练以及竞技性。同类产品过于死板，娱乐性不够，价格昂贵，导致只有少部分青少年被吸引。产品参数化严重，大多为兴趣导向的男孩，女孩参与度不高。同类产品的设计目的以及形式过于简单，趣味性不够，熟悉之后仅在属性的优化上做功课。同台竞技的实例不多，大多为一个接一个的展示型竞技，评判标准单一，结构不够多元化。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种STEM教育卡片编程系统和编程方法，以解决现有技术没有良好的STEM编程系统的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种STEM教育卡片编程系统，所述STEM教育卡片编程系统包括：
至少一个机器人、多个不同的指引性卡片、生成运行指令的终端、接收所述运行指令并将所述运行指令发送到对机器人的的多个NFC卡片，所述多个不同的指引性卡片通过排列组合形成多种不同的供所述机器人行动的地图，所述多个NFC卡片接收所述终端生成的与所述地图相对应的运行指令，并将所述运行指令发送到所述机器人，以使所述机器人根据所述运行指令在所述地图上行动。
本发明实施例的另一目的在于提供一种STEM教育卡片编程方法，所述STEM教育卡片编程方法包括：
通过多个指引性卡片的排列组合形成供机器人运行的地图，所述指引性卡片包含运动指示；
终端通过Scratch程序编写与所述地图相对应的运行指令，并将所述运行指令写入NFC卡片；
多张所述NFC卡片依次向所述机器人刷入所述运动指令；
至少一个所述机器人根据刷入的指令在所述地图上运动。
本发明实施例，将机器人放置于由多张指引性卡片组成的地图上，在终端上通过Scratch程序编写与该地图相对应的运行指令，将编写完成的运行指令写入NFC卡片中，NFC卡片将运行指令写入机器人，使得机器人根据写入运行指令的顺序，依次完成流程，锻炼了地图组装者的逻辑编程能力。
附图说明
图1为本发明示出的智能机器人的结构示意图；
图2为本发明一示例性实施例示出的一种STEM教育卡片编程系统的结构图；
图3为本发明一示例性实施例示出的一种STEM教育卡片编程方法的流程图；
图4为本发明实施例示出的硬件系统工作流程示意图；
图5为本发明实施例示出的交互流程示意图；
图6为本发明实施例示出的数据传输流程示意图；
图7为本发明实施例示出的编程系统示意图；
图8为本发明实施例示出的竞技地图设计示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示为本发明示出的智能机器人的结构示意图。
如图2所示为本发明一示例性实施例示出的一种STEM教育卡片编程系统的结构图，所述STEM教育卡片编程系统包括：
至少一个机器人201、多个不同的指引性卡片202、生成运行指令的终端203、接收所述运行指令并将所述运行指令发送到对机器人201的的多个NFC卡片204，所述多个不同的指引性卡片202通过排列组合形成多种不同的供所述机器人行动的地图，所述多个NFC卡片接收所述终端生成的与所述地图相对应的运行指令，并将所述运行指令发送到所述机器人，以使所述机器人根据所述运行指令在所述地图上行动。
在本发明实施例中，STRM教育卡片编程系统包括：至少一个机器人201、多个不同的指引性卡片202、生成运行指令的终端203，接收所述运行指令并将所述运行指令发送到对机器人201的的多个NFC卡片204。在具体的使用过程中，用户通过指引性卡片的排列组合形成供机器人行动的地图，并在终端上通过Scratch程序编写与该地图相对应的运行指令，将编写完成的运行指令写入NFC卡片中，NFC卡片通过RFID的方式将行动指令刷入机器人中，机器人即可根据该运行指令在地图上行动。
指引性卡片可以显示多种不同的指示信息，包括但不限于：运动指示、声音指示、灯光指示、传感器指示。其中，运动指示包括但不限于：方向控制指示(前进、后退、向左旋转、向右旋转、旋转一周等)、运行时间指示(1s、2s、3s)，灯光指示包括但不限于：红色指示、黄色指示、蓝色指示。
NFC卡片可以在卡片中存储PC端生成的运行指令，在NFC卡片与机器人进行接触时，通过RFID近场通讯技术将运行指令写入到机器人中，机器人根据与NFC卡片接触的顺序，依次写入运行指令，机器人则按照运行指令的顺序依次做出对应的动作。
本发明实施例，将机器人放置于由多张指引性卡片组成的地图上，在终端上通过Scratch程序编写与该地图相对应的运行指令，将编写完成的运行指令写入NFC卡片中，NFC卡片将运行指令写入机器人，使得机器人根据写入运行指令的顺序，依次完成流程，锻炼了地图组装者的逻辑编程能力。
本发明实施例提供的机器人包括：头顶的RFID天线、左右两侧的RGB灯光、底部红外巡线传感器、头部避障传感器、底部读码传感器、内部锂电池、底盘电机驱动设备、背部喇叭、前面板的控制按键、内部集成PCB主板(主板包含各部分控制芯片以及传感器)。通过这些设备实现数据、命令的传输，机器人运动控制、灯光色彩控制、语音播放控制等。
本发明实施例中的运行指令由用户通过PC端进行Scratch程序编写实现。完成后进行转码通过NFC卡片读写器写入一张NFC卡片。使用已写入程序的NFC卡片靠近机器人头顶的NFC天线。卡片程序通过NFC天线传输至主板上的RFID模块，通过中央处理设备对程序进行编译解码。编译后的控制命令下发至各个控制单元，包括：音频播放设备、灯光控制设备、电机驱动设备、传感器开关控制以及开启读码传感器。音频播放设备接收到指令后从存储器中调用相应的音频进行播放。灯光控制设备接收指令后调用数据库中RGB灯光数据显示相应颜色的灯光。电机控制设备根据接收指令控制电机的运动。头部避障传感器、底部巡线传感器接收指令后在对应时间打开。头部传感器开启后可用遮挡道具引导机器人运动，当遮挡道具离开传感器范围后停止工作。底部巡线传感线开启后开始沿黑色跑道运动，当走到跑道尽头后自动关闭。当输入程序后自动打开底部读码传感器。读码传感器可读出地图不同指示标的隐藏码进行识别，并将数据传回中央处理设备进行对比判断。
本发明实施例提供的地图由用户通过多个指引性卡片不同的排列组合实现。将机器人放置在起始点，选手通过观察地图预设计编程路径以及完成任务的指标判定难度。选手通过PC进行SCRATCH编程，完成后进行转码编译，使用NFC烧写器将编译好的命令数据传输至NFC卡。使用带有程序的NFC卡靠近机器人头顶将卡片类的命令数据传输至机器人进行处理并启动机器人。机器人根据所得到的指令运动并在程序设定的位置和时间开启对应功能。当机器人到达终点或者未到达终点判定失败后，裁判进行成绩登记并进行排名。
本发明实施例提供的运行指令包括：运动控制、声音控制、灯光控制以及传感器控制。运动控制包含控制机器人的运动方向以及运动时间。方向中一共包含前进、后退、左转、右转以及旋转角度控制。根据角度设置可使机器人有不同的朝向，方便完成任务。时间控制指的是前进和后退运动持续时间，机器人默认状态下的单位时间路程为15cm/s(等于地图两块区域中心点的距离)。时间控制共3档：1s、2s、3s。声音控制所控制音频播放器播放时调用存储器内相应的音频文件。存储器中的音频与地图所指示的编号相对应。灯光控制设备控制左右两侧RGB等的颜色，共有三种颜色：红、黄、蓝。传感器控制头部传感器的开关以及底部传感器的开关。当机器人行驶至头部传感器开启地图区域如果与程序设计的对应，则开启头部传感器。此时可以使用遮挡道具放置在头部传感器前3cm左右位置，机器人会向后退3格区域，执行完毕后自动关闭头部传感器。当机器人行驶至有黑色轨道的区域同时程序开启了底部巡线传感器，则机器人开始沿着黑色跑道进行运动，当走到尽头后传感器自动关闭。
本发明实施例提供的地图包括：三块区域：起始区域、活动区域、终点区域，以及五种触发事件：播放声音、开启灯光、开启头部传感器、跑道和禁止通行。起始区域如图有A、B、C三块，并且可以根据参赛人数进行调整。五种触发事件随机排列在地图的活动区域，作为机器人完成任务的指示物。播放声音：根据指示图标需播放对应编号的声音；开启灯光：根据指示图标的颜色需展示对应颜色的灯光；开启头部传感器：根据指示图标可以开启头部传感器，如程序设计中相对应的执行开启头部传感器命令则开启传感器，此时可使用遮挡道具放置在传感器前方3cm左右位置，则机器人向后倒退3个区域；跑道：机器人行驶至包含跑道的区域并且程序设计中执行开启底部传感器的命令则机器人沿着黑色轨道运动。机器人运动至跑道尽头关闭传感器。禁止通行：机器人如行驶至禁止通行区域则立刻结束所有程序并统计得分。终点区域指机器人运动的目的地，如机器人执行完所有程序并处于终点区域内则表示顺利完成并取得相应分数的加持。
本发明实施例提供的机器人的运行包括：到达终点区域、开启对应声音、开启对应灯光、使用跑道任务、头部传感器开启使用任务、禁止通行任务。竞技结束并会统计每个选手的花费时间。每种任务的完成度以及用时全部对应不同的分数加减。成绩根据选手的最终得分进行排名。分数最低值为0，最高值则根据地图设置而定。
如图3所示为本发明一示例性实施例示出的一种STEM教育卡片编程方法的流程图，所述编程方法包括：
步骤S301，通过多个指引性卡片的排列组合形成供机器人运行的地图，所述指引性卡片包含运动指示；
步骤S302，终端通过Scratch程序编写与所述地图相对应的运行指令，并将所述运行指令写入NFC卡片；
步骤S303，多张所述NFC卡片依次向所述机器人刷入所述运动指令；
步骤S304，至少一个所述机器人根据刷入的指令在所述地图上运动。
在本发明实施例中，指引性卡片上显示有多种不同的指示信息，用户通过多个指引性卡片可以组成不同的地图，用户在中终端上通过Scratch程序编写与地图相对应的运行指令，将编写好的运行指令刷入多张NFC卡片中，根据地图的组成顺序，NFC卡片通过RFID的方式将行动指令刷入机器人中，机器人即可根据该运行指令在地图上行动。
指引性卡片可以显示多种不同的指示信息，包括但不限于：运动指示、声音指示、灯光指示、传感器指示。其中，运动指示包括但不限于：方向控制指示(前进、后退、向左旋转、向右旋转、旋转一周等)、运行时间指示(1s、2s、3s)，灯光指示包括但不限于：红色指示、黄色指示、蓝色指示。
NFC卡片则可以在卡片中存储PC端生成的运行指令，在NFC卡片与机器人进行接触时，通过RFID近场通讯技术将运行指令写入到机器人中，机器人根据与NFC卡片接触的顺序，依次写入运行指令，机器人则按照运行指令的顺序依次做出对应的动作。
本发明实施例，将机器人放置于由多张指引性卡片组成的地图上，在终端上通过Scratch程序编写与该地图相对应的运行指令，将编写完成的运行指令写入NFC卡片中，NFC卡片将运行指令写入机器人，使得机器人根据写入运行指令的顺序，依次完成流程，锻炼了地图组装者的逻辑编程能力。
如图4所示为本发明实施例示出的硬件系统工作流程示意图。
如图5所示为本发明实施例示出的交互流程示意图。
如图6所示为本发明实施例示出的数据传输流程示意图。
如图7所示为本发明实施例示出的编程系统示意图。
如图8所示为本发明实施例示出的竞技地图设计示意图。
下表1为本发明实施例示出的规则判定表，该表作为一示例，并不用于限定本发明。
表1
本领域普通技术人员可以理解为上述实施例所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。