篮球管家——篮球自助借还装置

篮球管家

——篮球自助借还装置

做中学·探未来｜科学教育实践案例　方向六：人工智能

作品信息

一、项目介绍

1.1 从“满地的篮球”开始

我们学校体育馆的器材室里，篮球都堆在不锈钢架子上。上体育课前，同学要排队找老师登记借球；下课后，很多人把球往架子边一放就走，球滚得到处都是，管理员要一个一个捡回去，再一个个数。我在一家培训机构上课时也看到同样的场面：课间休息结束，场地上散落着七八个篮球，没有人认领。

图 1　学校体育器材室的现状：球类堆叠、混放，借还全靠人工清点

这不是个别现象。邱伯聪在《学校体育器材管理自助化》中统计过一所寄宿制学校五个月的器材损耗：实验组篮球丢失 14 件、损坏 46 件、调换 12 件。杨溢文在《鹤山市纪元中学体育器材管理系统的研究与分析》中指出，传统器材管理从采购、入库到借用全靠手工记录，“工作量大、效率低，且容易出错、记录易丢失”。

于是我想到一个问题：能不能让柜子自己认人、自己认球，把“借”和“还”这两件事变成一次刷脸、一句语音？

1.2 我把问题拆成了四个可以测量的疑问

“做一个智能借还柜”这句话太大，没法直接验证。我把它拆成四个能用数字回答的问题，后面所有的实验都围绕它们展开：

1.3 它怎么用：三个场景

本装置是一个三层柜体，每层一个独立柜门，由电磁锁锁住。整机只有一块屏幕、一个按键、一圈灯环和一个麦克风，学生不需要带卡、不需要扫码枪，站着说一句话就能借还。

· 课堂场景　体育课借球：学生走到柜前，摄像头识别人脸，验证通过后说“借球”，系统自动找一个空柜位，灯环变绿，语音提示“请取出篮球”，柜门弹开。

· 归还场景　课间还球：说“还球”，把球上的二维码对准摄像头，系统核对是不是本人借出的那一个球，柜门打开；球放进去压住柜底的按键，才算“归还成功”，灯环变蓝。

· 管理场景　器材室管理：每次借还都写进记录，管理员可以看到哪个球被谁借走、什么时候还，不用再靠本子记。

1.4 背后的科学原理

这一节是我在做的过程中最费力的部分：机器“看见”“听懂”“锁住”“确认”这四件事，背后的原理其实都能用课上学过的知识解释。

（1）人脸识别：把“这是谁”变成“两组数字有多近”

摄像头拍到的画面，在机器眼里是一个由像素点组成的数字矩阵，每个点用红、绿、蓝三个亮度值表示。如果直接比像素，人稍微歪一下头，数字就全变了。所以系统先找到脸的位置，再提取眼睛、鼻尖、嘴角这些关键点的相对位置，把它们压缩成一组数字，叫做特征向量。识别时，把新拍到的人脸向量和库里存着的向量逐个算“距离”，距离最小、并且小于设定阈值的那一个，就是匹配结果；如果所有距离都超过阈值，就判定为“不认识”。

这也解释了实验中出现的失败：光线太暗时，画面噪点多，关键点位置会偏移；低头或侧脸时，关键点被遮挡，算出来的向量就偏了。所以失败不是“机器坏了”，而是输入的信息不够好。

（2）二维码：给每个球一个“身份证号”

二维码是把一串字符按黑白方块编码成的图案。它的三个角上有“回”字形的定位块，摄像头无论从哪个角度看，都能先找到这三个角，把倾斜的画面校正成正视，再逐格读出黑白，还原成字符。我在 1 号、2 号、3 号球上各贴了一张不同的二维码，识别结果就是球号。

（3）为什么人脸和二维码都要

只认脸，机器知道你借走了球，却不知道你借的是几号球，还回来一个别的球它也发现不了；只认二维码，机器知道有人还了 1 号球，却不知道是谁还的。把“人的身份”和“球的身份”分别验证一次，两条信息对上，才允许开柜——这在工程上叫双重校验。

（4）电磁锁与继电器：用很小的电流控制很大的电流

电磁锁的锁舌后面是一个电磁铁：线圈通电产生磁场，吸住衔铁，锁就锁上；断电后磁场消失，弹簧把锁舌弹回，门就能拉开。主控板的引脚只能输出几毫安的电流，直接驱动电磁锁会烧坏引脚，所以中间要加一个继电器：主控只负责给继电器一个小小的控制信号，真正通过电磁锁的大电流由继电器触点承担。这也是为什么程序里写的是“设置数字引脚 P15 输出低电平”——引脚电平一变，继电器动作，锁就开了。

（5）按键：为什么要“压下去”才算还球

摄像头可以看到球在画面里，但看不出球是不是稳稳落在柜位上——斜靠着、卡在门口，画面里也都是球。所以我用了最笨也最可靠的办法：柜底装一个按键，球放正了就会压下去。一颗 7 号篮球质量约 600 g，对按键的压力大约是 6 N，微动开关在这个压力下会可靠闭合，主控读到电平变化，就确认“球到位了”。这就是用物理量代替“看起来像”。

（6）状态变量：机器怎么记住“你还没还球”

借还流程其实是一个只有两个状态的小系统：没借、已借。程序里设了一个变量“是否借球”，借球成功后置为“yes”，还球成功后改回“no”。每次借球前先检查这个变量，如果是“yes”就拒绝，这样就避免了同一个人连续借走两个球。看似简单的一个变量，解决的是规则问题。

1.5 对应哪些课程内容

二、运行演示

2.1 成品外观

图 2　成品正面（左）与侧面（右）：三层柜体、橙色亚克力柜门，主控与走线外挂在柜体外侧

图 3　俯视柜内：柜底按键与喇叭状导向座，篮球落座后压住按键

2.2 借球流程（现场实录顺序）

下面六步是装置实际运行时的顺序，配图是测试时拍下的画面。

图 4　借球时的现场：柜门已打开，学生取走贴着二维码的篮球（画面已裁去面部）

2.3 还球流程

图 5　还球后的状态：篮球落座压住柜底按键，三层柜门均可独立开合；左侧笔记本为 Mind+ 调试界面

运行演示视频（约 2 分钟）需另外上传。原始文件 38.9 MB，超过社区附件 10 MB 的限制，建议压到 720p、3 分钟以内，或上传视频平台后在帖内嵌入。

三、探究过程与结果

3.1 先问用的人：两位体育老师的访谈

动手之前，我先访谈了两位体育老师（A 老师教龄 5 年以上，B 老师教龄 3 年），问了三个问题：平时有没有因为篮球管理产生麻烦？如果有一台机器，应该具备什么功能？这台机器对学生和管理员各有什么好处？

A 老师的回答是“经常遇到”：课间和训练结束后学生随手丢球，场地乱，整理工作量大，还有球被遗失或损坏。B 老师补充，因为没有借还机制，很难追踪最后一个用球的人，出了问题只能由老师承担。两位老师都提到，设备要“简单易用”“能实时看到球的状态”“最好能提醒归还”，B 老师还特别提到要有身份验证，“确保只有注册用户才能借用”。

访谈给我的三点结论：① 痛点集中在“还不回原位”和“查不到人”；② 交互必须比登记更省事，否则学生不会用；③ 必须有身份识别，这直接决定了我要在方案里加人脸模块。

3.2 画出方案：从结构图到流程图

确定功能后，我先把整机拆成“传感器—主控—执行器”三段：麦克风和摄像头负责“感知”，行空板负责“判断”，灯环、语音和电磁锁负责“动作”。这张图后来成了我排查故障的顺序表——先看感知对不对，再看判断对不对，最后看动作有没有发生。

图 6　系统结构图：传感器 → 主控板（行空板 K10）→ 执行器

接着画出运行逻辑。这张流程图我画了三遍才定稿，难点在“还球”这条分支：它既要核对球号，又要等按键确认，还要处理“球放下了但没压到按键”的情况，所以图中专门留了一条“处理无借球资格情况”的出口。

图 7　运行逻辑流程图（含人脸验证失败、重复借球、无借球资格、还球确认四条分支；按原图重绘）

3.3 做出来

柜体用 2020 铝型材做骨架，紫灰色的是 3D 打印的角连接件，橙色亚克力板做柜门和侧板。我先把模型在 3D 软件里建好，导出 STL 打印连接件，再到电商平台定制切割铝型材和亚克力板，最后用螺丝、合页和热熔胶把部件装起来。三层柜体每层一个柜门，独立控制。

图 8　装配过程：3D 打印角件把铝型材连成框架，装上门锁与合页

3.4 怎么测：把四个疑问变成四项测试

我请 5 位同学做测试者，先录入他们的人脸信息，然后按四项内容逐项测试。每项都有明确的记录口径，失败也要记下原因，否则数据没法分析。

3.5 测试数据

人脸识别：5 位测试者各测 10 次，共 50 次，成功 48 次，整体准确率 96%。

语音识别与借还流程：三项各测 50 次。

3.6 从数据里读出的三件事

第一，难点不在“能不能识别”，而在“识别失败的代价”。三项成功率都在 92% 以上，看起来不错；但还球是 92%，意味着 50 次里有 4 次学生把球放下却没能完成归还，人已经走了，球还在柜门外。所以真正要改的不是识别率，而是失败之后的补救：给出明确的提示音，并让管理员能看到“这次没成功”。

第二，失败原因可以归成两类，改法完全不同。一类是“输入变差”——光线暗、角度偏、背景吵、二维码磨损，属于环境适应性问题，可以通过补光、降噪、换用 RFID 或提高二维码耐磨性解决；另一类是“机械没跟上”——电磁锁响应延迟、按键没被压到，属于结构问题，要调锁体位置、改按键行程。两类问题混在一起谈，就会得出“识别率不够高”这种笼统结论。

第三，交互设计的价值被低估了。借球流程有 1 次失败是“学生没有及时取走篮球”。这不是机器的问题，是提示不够明确。把提示音从一句话改成“请在三秒内取出篮球”，并让灯环闪烁，这类改动成本几乎为零，效果却直接。

3.7 这次探究的局限

写清楚局限，比只报好数据更重要。这次测试至少有四点不足：

· 样本量小　样本只有 5 人，且都是同一年龄段，不能代表全校身高、肤色、戴眼镜比例。

· 光照条件有限　只测了“正常光、强光、弱光”三种情况，没有测逆光、侧逆光和夜间走廊。

· 无盲测　测试者是自己的同学，知道该怎么站、怎么说，真实用户不会这么配合。

· 未做并发测试　只做了单机测试，没有接入后台，多人同时使用时的排队与冲突没被验证。

四、软硬件清单与制作步骤

4.1 硬件清单

图 9　核心器件：行空板 K10（左）、12 V 电磁锁（中）、WS2812 灯环（右）

预算参考：主控与传感器约 400—500 元，结构件（铝型材＋亚克力＋3D 打印耗材）约 300—400 元，五金与电源约 100 元，整机约 800—1000 元。铝型材与亚克力可在电商平台按图定制，没有 3D 打印机时，角连接件可改用铝角件或木质角码替代。

4.2 引脚接线

P13、P14 的实际接法请按实物核对后在发布版中修正；本表按初始化程序中的引脚设置整理。

图 10　引脚接线示意：摄像头走 FPC 排线，灯环接 P0，按键接 P12，锁由 P15 经继电器控制；12 V 锁与主控分开供电、共地

4.3 制作步骤（8 步）

第 1 步　建模：在 3D 软件里按 2020 铝型材截面建柜体模型，导出角连接件、按键座、行空板底座的 STL 并打印。

第 2 步　备料：按图纸在电商平台定制切割铝型材与 3 mm 橙色亚克力板，采购合页、角件、螺丝。

第 3 步　装框：用 3D 打印角件和角码把铝型材连成三层框架，先不装门，检查方正度。

第 4 步　装门：装上亚克力柜门与合页，调整门缝，确保门能自然闭合。

第 5 步　装锁：在每层柜门内侧安装电磁锁，锁舌与门框扣位对齐；接继电器，先用单路测试开合。

第 6 步　装电控：把行空板、摄像头、灯环、按键固定在柜体外侧；按接线表连线，注意强电与信号线分开走。

第 7 步　写程序：在 Mind+ 中按“初始化—人脸学习与识别—借球—还球”四段搭建程序，逐段下载测试。

第 8 步　调试：先测灯环与语音，再测人脸，最后合起来测完整借还流程；记录每次失败的原因。

图 11　在 Mind+ 中分段编写程序：屏幕左侧为积木库，中间为脚本区，右侧为正在联机调试的柜体

4.4 复刻建议

· 可以简化　柜体尺寸可以按学校篮球架的数量缩小到一层或两层，成本能降到一半。

· 材料替代　没有 3D 打印机时，角连接件用铝角件替代；没有亚克力，用透明 PVC 板替代。

· 先做最小原型　如果只需要验证识别功能，可以不做柜体，直接把电磁锁固定在纸箱上做原型。

· 容易踩的坑　电磁锁和主控一定要分开供电，否则开锁瞬间的电流冲击会让主控重启。

五、开源代码

程序用 Mind+ 图形化编写，可以单独下载测试。

5.1 初始化：把机器“唤醒”

程序启动后先做四件事：设定“是否借球”变量、初始化灯环与引脚、把“jie qiu”“huan qiu”两个词加进语音识别词库、在屏幕上写好欢迎语。这一段出错，后面全都不会动，所以我把它单独做成一个可以反复检查的模块。

图 12　初始化程序：变量、RGB 灯环、P15/P13/P14 引脚与语音命令词

5.2 人脸学习

第一次使用时，按下按键 A，灯环变黄，进入人脸录入模式；摄像头连续拍几张，提取特征值并分配 ID，2 秒后自动退出，语音提示“已完成人脸学习”。

图 13　人脸学习程序：按键 A 触发，灯环提示，录入完成语音反馈

5.3 还球与二维码校验

识别到“还球”命令后，屏幕切到摄像头画面并进入二维码识别模式；识别结果里包含“1 号篮球”时，语音提示放入，然后等待按键 P12 读到 1，才判定归还成功，把变量改回 no。

图 14　还球程序：二维码比对 → 开锁 → 等待按键确认 → 语音反馈

完整源程序见附件《02_篮球借还_源程序与结构件.zip》（含主程序与两段测试程序，Mind+ 工程文件可直接打开）；同一压缩包内附柜体结构件 STL / 3MF 文件。

六、优化记录与失败尝试

这一章记录的是“没做成”的部分。它们没有出现在成品里，但决定了成品现在的样子。

另外两件事是我做完了才想明白的：

一是“看起来能用”和“能连续用”是两回事。单次演示成功很容易，但 50 次里只要有 4 次失败，管理员就不敢把钥匙交出去。所以后面我把测试次数从 5 次提高到 50 次，问题才暴露出来。

二是失败提示比成功提示更重要。成功时语音、灯环、柜门三重反馈，很热闹；失败时只有灯环闪一下，学生根本不知道发生了什么。改进方向是给每一种失败配一句明确的话，比如“光线太暗，请靠近一点”。

七、AI 使用说明

为保持材料真实、可追溯，本项目在以下环节使用了 AI 工具，均不作为作品核心内容的替代：

本文档中的照片均来自项目实拍，测试数据来自项目原始记录表，未做修改。