会“思考”的教室：我的AI节能与环境管家

【项目背景】

教室是我们每日学习生活的核心场所，日常使用中却长期存在三类突出问题，既造成资源浪费，也影响课堂学习体验：

第一，能源浪费现象普遍。下课、午休或是放学后，教室内常常空无一人，但电灯、风扇、空调、投影等设备持续通电运行，长期下来产生大量不必要的电力消耗。

第二，室内环境质量堪忧。上课时门窗紧闭，人员密集导致二氧化碳、挥发性有机物堆积，空气浑浊闷闷，容易让同学们犯困、注意力下降，直接降低课堂学习效率。

第三，朗读教学缺少智能辅助。早读、午读、音乐课自主练习时，不少同学字音、语调标准度不足，缺少实时标准音频对照，自主纠错难度大，学习效果大打折扣。

针对以上校园真实痛点，我基于行空板K10开发了这款AI节能与环境管家，集成人体感应、环境监测、AI视觉识别、智能设备控制功能，一站式解决教室节电、空气监测、语音跟读辅助三大需求，打造能自主感知、自动调控、智能教学的“会思考”智慧教室微型模型。

【功能介绍】

本作品融合传感检测、AI 视觉、自动控制三大技术，共有五大实用功能：

1、手动按键控制设备：设置独立按键分别管控照明灯与模拟空调风扇，单次按键切换设备状态，一键开灯/关灯、开风扇/关风扇，操作简单直观，适配课堂即时调控需求。

2、无人自动断电节能：搭载人体红外传感器实时检测教室人员状态：首次检测无人后延时3秒二次核验，确认长时间无人员停留，自动关闭灯光与风扇，杜绝空教室设备空转耗电，实现无人节能。

3、实时环境监测+超标声光报警：行空板显示屏实时同步展示室内温度、湿度、空气质量指数（AQI）；ENS160传感器采集空气质量等级分为五档（非常好/好/一般/差/极差），一旦空气质量判定为“差”或“极差”，蜂鸣器立即播放提示音，提醒师生及时开窗通风。

4、AI标签识别智能音频播放：AI视觉摄像头提前学习6组专属识别标签，扫描不同标签即可自动匹配播放对应音频素材，包含课文朗读、英语范文、歌曲、国歌等教学音频；按下机身A/B任意按键，可随时终止音频播放。

5、多任务同步并行运行：依托多线程程序架构，环境监测、人体感应节能、按键设备控制、AI音频识别四大模块同步工作，互不干扰，实现监测、控制、教学辅助一体化运行。

图1

【硬件清单】

整套作品以行空板K10为主控，搭配各类传感器、执行器与结构件，硬件明细如下：

序号	硬件	数量	功能
1	行空板K10	1	主控板，接收信息、控制设备
2	行空板拓展板	1	接连主控板、传感器和执行器
3	AI视觉摄像头	1	识别标签
4	LED灯	1	照明
5	空气质量传感器	1	检测空气质量
6	按钮	2	控制灯和风扇
7	风扇	1	模拟空调
8	人体红外传感器	1	检测有没有人
9	结构件等
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【硬件连接】

各传感器和执行器与行空板拓展板的连接方式如图2所示。

图2

【设计与组装】

1、外观结构件设计

作品外壳选用5mm厚椴木板，轻便易加工、外观整洁。使用LaserMaker绘图软件，根据所有硬件尺寸、传感器安装点位、走线空间绘制分体式外壳图纸，预留摄像头、显示屏、按键、传感器外露窗口，兼顾美观与设备检测视野，如图3所示。

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图3

2、将设计好的图纸导入激光切割机，加工出所有结构件，加工后的零件如图4所示。

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图4

3、按照图纸设计将板材拼接，并使用适量胶水加固，确保整体稳固。组装后的框架如图5所示。

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图5

4、将各个传感器和执行器依次安装到预留的槽位或固定孔中，如图6所示。

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图6

5、按照硬件连接图，使用杜邦线将传感器、执行器与拓展板对应的引脚相连，如图7所示。

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图7

6、最后将行空板K10插入拓展板，组装工作即告完成，如图8所示。

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图8

【程序编写】

1、素材准备。先将所需的图片（用于空气质量等级显示）和音频文件（用于课文朗读）复制到SD卡根目录，并将SD卡插入行空板K10。再准备6张不同的标签，分别贴在对应书本的相应位置。素材示意如图9所示。

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图9

2、编程环境搭建。使用Mind+软件进行编程，切换至“上传模式”，点击“扩展”进入库管理页面，如图10所示。

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图10

3、加载所需扩展库。在“主控板”选项卡中选择“行空板K10”作为本次编程使用的主控设备；在“传感器”选项卡中分别加载“HUSKYLENS AI摄像头”和“ENS160空气质量传感器”；在“显示器”选项卡中加载“WS2812 RGB灯”，如图11~图13所示。

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图11

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图12

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图13

4、添加多线程支持。在“功能模块”选项卡中加载“多线程”，点击“返回”回到主界面，完成扩展添加，如图14所示。

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图14

5、传感器初始化。在编程主界面，首先对ENS160空气质量传感器和HUSKYLENS AI摄像头进行初始化。注意：ENS160的I2C地址需与传感器上拨码开关设置一致；AI摄像头切换至“标签识别”算法模式，如图15所示。

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图15

6、添加控制变量与子线程。创建“电灯开关”和“风扇开关”两个变量，初始值均为0，用于记录开关状态。同时新建一个子线程，用于独立监测人体红外信号，如图16所示。

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图16

7、子线程——无人自动关断。在子线程中，当人体红外传感器第一次检测到无人时，等待3秒再进行第二次确认。若仍无人，则将“电灯开关”和“风扇开关”均置为0，从而触发后续的关闭动作（具体关灯/关扇代码见后文），避免单次误判造成设备频繁启停，如图17所示。

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图17

8、主循环与函数定义。新建“屏幕显示”、“灯风扇控制”、“朗读”三个自定义函数，并将其调用块放入主循环的“循环执行”中，如图18所示。

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图18

9、“屏幕显示”函数——环境数据展示。在屏幕上半部分显示实时温度与湿度；下半部分根据ENS160返回的空气质量指数（1~5）显示对应的文字描述和图片。例如，当值为1时，显示“空气质量：非常好”并加载图片“空气1”，如图19所示。

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图19

对于其他等级（2~5），采用同样的逻辑展示相应内容，如图20所示。

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图20

10、“灯风扇控制”函数——手动与自动结合。首先，读取接在P9引脚上的按钮按下次数：若按下次数为奇数，则将变量“电灯开关”赋值为1；若为偶数，则赋值为0。接着判断该变量：若为1，点亮P1引脚上的LED灯，否则熄灭。同样地，对风扇按钮和风扇执行器做相同处理。通过这种方式，既实现了按钮手动开关，也能根据子线程中“变量的值”实现自动关闭。代码如图21、图22所示。

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图21

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图22

11、“朗读”函数——AI标签触发音频。首先让“HUSKYLENS AI摄像头”分别学习6个标签，使其ID对应为1~6。在“朗读”函数中，当“HUSKYLENS AI摄像头”识别到ID为1的标签时，先发送“停止TF卡音频播放”指令（确保无音频冲突），然后播放名为“观潮”的音频文件。同时，当板载A键或B键被按下时，立即停止当前播放，方便课堂操作。核心代码如图23所示。

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