基于行空板K10的人工智能、物联网综合项目——智能课桌

项目主题：基于行空板K10的智能课桌实践项目

项目情境：

        十五六岁的青春，生活的中心都囿于一方课桌之前，目之所及即为心之所向。这个年纪的你们总是发着光，和同桌在课桌上撑着头聊着未来，聊着琐碎的小事拼凑起自己的整个青春岁月。青春余晖下课桌，似乎一直陪伴你们，刻撰着梦想，承载着秘密。科技的发展，信息空间的注入，请将你的课桌智能化，承载你更多的悲欢离合。那么一个智能课桌是怎么设计出来的？需要考虑哪些信息技术要素呢？

        在本项目中，我们将以智能课桌的设计方案为实例，通过项目化学习活动的方式，完成信息技术实践应用的探索。基于智能课桌的设计过程，感受人工智能技术的发展，体验物联网的关键技术的魅力，拓展探索信息技术的实践应用，领悟信息社会背景下，AI技术的强大技术支撑意义。

图1：智能课桌

项目准备：

【选定主题】

        人工智能风靡全球的今天，生活中我们随处可见各种“智能”的存在。课桌设计与发展也发生了翻天覆地的变化。智能化的屏幕设计为电子书籍阅览提供技术支持；万物互联提供适切的学习支持服务；自适应学习分析为其路径规划最优学习路径；人工智能技术为其深度学习提供智能学伴服务；虚拟现实技术的应用更是为情境学习和迁移应用提供可能，在智能课桌中随处都体现出了信息技术中关键技术的使用。了解了智能课桌的发展现状，本项目决定制作一个“智能课桌”，为智能教学楼发展贡献一份小小的智慧。

【项目视频】

        
        想一想：如何设计一款为学习者学习支持服务的智能课桌呢？

项目目标：

【项目综合目标】

        1.信息意识：利用K10行空板、Mind+掌控板基础套盒实践探索智能课桌项目设计过程，让学生对信息技术中的关键技术的原理有深刻的体验，增强学生对关键技术的敏感度和对信息判断的准确性。

        2.计算思维：利用Mind+设计程序的过程，对学生的逻辑抽象、问题求解、系统设计等一系列思维活动都有较强的锻炼。

        3.数字化学习与创新：通过编程与搭建实操，利用工具解决学习理论问题，完成新任务，形成创新作品的能力。

【项目学习目标】

        1.学习红外线传感器、超声波传感器、视觉识别、语音合成的作用原理与使用方式；

        2.利用变量，函数的相关知识，设计实现智能课桌的屏幕展示信息功能、智能坐姿检测功能、智能光线感应功能、智能书籍推荐功能等；

        3.能清晰完整地表述项目作品的设计意图、个人收获和反思。

项目设计：

【确定方案】

项目名称	智能课桌
需要解决的问题	1.如何利用K10行空板语音合成功能，实现智能课桌的语音播报功能？ 2.如何让掌控板显示播放内容信息？ 3.......
项目内容
需求分析与功能描述	（尝试从使用者的角度思考需要一个什么样的智能课桌，例如智能推荐的功能需求......）
草图绘制	（绘制作品的大致外观设计）
问题解决记录	（描述在实现功能的过程中遇到的问题以及解决的方法）
	（描述还未解决的问题以及哪些功能设想）

项目需求分析：

图2：项目流程

需求分析支架：

图3：目标需求分析支架

方案设计支架：

图4：方案设计

【制定计划】

图5：制定计划

项目实施：

        智能课桌的设计包括智能课桌屏幕显示功能、智能光线感应功能、智能坐姿检测功能和智能书籍推荐功能。课桌屏幕显示屏：它的界面设计通过K10行空板屏幕显示模块进行设计。界面涉及开启和关闭功能，按下A键开始，需要人脸识别验证是否是课桌的主人，验证成功方可进行课桌的使用。按下B键，关闭课桌。智能光线感应功能实现课桌自动感应外界环境光强度实现课桌灯光的切换。智能坐姿检测功能：是通过超声波传感器检测学习者的身体是否离课桌过近，过近时，课桌向物联网平台发送“坐姿出现问题”，K10行空板内嵌夫人语音合成就会提示学生要调整坐姿结合物联网平台。智能书籍推荐功能：利用红外线遥控对智能课桌进行操控，使用语音合成模块对红外遥控输入的需求进行相应的内容播报，最后利用红外感测系统的数据，对数据进行汇总，找出点击量最多的内容进行智能推送。

【硬件准备】

图6：硬件资源

【知识准备】

        一、变量

        在编程中，变量是一个非常重要的编程元素，可以把它想象成一个数据盒子，用来存放程序中使用的各种数据。在计算机中，我们可以通俗的将变量描述为容器。

        如何理解呢？我们假定有A、B、C三个盒子，他们的大小型号不同，我们规定大盒子只能衣服，中号盒子只能装书籍，小盒子只能装零食。

图7：变量

        盒子A => 变量A （类型：衣服）；

        盒子B => 变量B （类型：书籍）；

        盒子C => 变量C（类型：零食）；

        变量（容器）的类型 => 能装什么类型的东西

        变量（容器）的大小 => 能装多

        二、函数

        

        函数也被叫做方法，函数是一段能完成特定功能的独立代码;它可以被多个使用方调用;将一组具有相关联的处理逻辑进行包裹封装，并将这个包裹命名一个名称，这样在需要编写相同处理逻辑的地方我们只需调用那个包裹名，这样可以大大的减少重复的代码，并且修改的时候也只需修改包裹里的内容，非常方便维护和更新。 比如，如果你想输出一段文字，而且这样的动作会在程序中出现上百次之多，写这段输出代码100次时不明智的，这时就可以将它定义为一段函数，需要时调用就可以了，而且若要改动输出内容只需要修改函数就可以了。

活动一：智能课桌屏幕显示功能

图8：屏幕显示功能

        智能课桌的显示屏的界面设计流程图如下所示:

图9：屏幕显示流程图

        注意：图13流程图是图9流程图的补充（答案见图13）

        第一步，连接硬件，将K10行空板、拓展板连接起来。

        第二步，在mind+软件中找到行空板，利用屏幕显示文字、图片模块进行编程。（注意必须要将缓存内容显示积木块放在程序中）

        示例程序如下所示：

图10：程序-显示屏的界面设计

图11：显示屏的界面设计效果图

        【注意】在该程序的编写过程中要注意坐标的设置，特别是按钮的制作过程中宽与高的数值设置，按钮A和按钮B的坐标关系应该有清晰的定位。

        第三步：设置智能开启与关机功能

图12：人脸识别解锁开启功能

        1. 开机功能初始化设置语音合成模块的功能程序。语音播报：你好，请注视摄像头，人脸识别正在解锁，人脸识别解锁实现开启。

        2. 解锁成功后，屏幕显示智能课桌上线啦，同时播放一段服务对白（智能课桌上线啦！小主人，让小智陪你一起开启今天的学习之旅吧！）

        3. 关机功能初始化一个关机灯光效果设置，屏幕显示智能课桌下线中，同时播放一段服务对白（智能课桌下线啦！小主人，已接收到指令，智能课桌正在下线中！）

        4. 播报完成后，屏幕背景设置显示全黑，达到智能关机的效果。

        

        流程图示例如下所示：

图13：开启关闭流程图

        注意：图13流程图是图9流程图的补充（答案）

        程序示例如下所示：

图14：程序-开启和关闭课桌功能

        功能效果图示例如下所示：

图15：开启和关闭课桌功能效果图

        【注意】在该程序的编写过程中注意按钮A和按钮B的程序放置在主程序中，调用了开启功能和关闭功能的子函数。

活动二：智能光线感应功能

        智能光线感应功能实现课桌自动感应外界环境光强度实现课桌灯光的切换。该功能的实现需要用到光强度传感器，当检测当环境环境光强度值<100时，显示暖灯光，当100<检测当环境环境光强度值<800时，课桌显示冷光灯，否则说明外界环境光强度较大，无需开启灯光。屏幕上始终动态更新外界天气情况。

        （教学提示：需要学生自行画出流程图 ）

        第一步，连接硬件，将K10行空板、拓展板连接起来。利用行空板内嵌的光线传感器实现智能灯光感应功能。

        第二步，在mind+软件中找到WIFI和获取天气模块，利用屏幕显示文字、图片模块进行编程。

图16：网络服务模块选择

        示例程序如下所示：

图17：程序-灯光感应功能

        功能效果图示例如下所示：

图18：效果图-灯光感应功能

活动三：智能坐姿检测功能

        智能坐姿检测功能是通过超声波传感器检测学习者的身体是否离课桌过近，过近时，物联网课桌就会提示学生需要调整坐姿。

        1.你知道如何使用超声波实现安全测距吗？

图19：超声波原理

        超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。在超声波传感器当中，一端是用于发射超声波，另一端用于接收超声波。通过超声波的发射与接收来判断距离。

      2. 你知道如何利用行空板体验物联网应用吗？

        行空版K10支持WiFi通信，可作为物联网终端设备，实现物联网应用。Mind+推出物联网应用，通过搭载物联网云平台，用户只需要进行简单操作即可实现应用，通过本活动，实现掌控版显示Easy IoT平台发送的消息，进一步体验物联网的神奇。注册Easy IoT账号。打开网址：https://IoT.dfrobot.com.cn/，注册账号并登录。（步骤如下图）

图20：Easy IoT应用

        第一步：连接硬件

                STEP1：连接K10行空板与扩展板。

                STEP2：将超声波传感器接在P1端口和P8端口的信号引脚。（在扩展板上黑色为负极引脚，红色为正极引脚，绿色为信号引脚。）

        第二步：设计流程图

图21：简易坐姿检测流程图

        示例程序如下所示：

图22：程序-智能坐姿检测功能

       功能效果图示例如下所示：

图23：效果图-智能坐姿检测功能

活动四：智能书籍推荐功能

图24：智能书籍推荐功能描述

        思考解释：将红外感测的主程序中去掉按钮A和按钮B的子程序是否可行？为什么要在红外感测中加入按钮A和按钮B的子程序？（该程序的功能：智能课桌的启动和关机），最后，我们按下了红外遥控的1键，程序跳出了循环，从语音播报系统进入红外感测系统，但运行到后面你会发现程序无法再回到语音播报系统进行对智能课桌小智的关机功能，因此加入按钮A和按钮B的子程序是为了顺利将进行切换系统。

图25：智能书籍语音推荐扩展功能描述

          核心要点：该阶段的核心在变量与函数的讲解。

        关于函数的内容，由于语音播报的内容过多，所有的程序放置在主程序中，会使得主程序过于繁杂，逻辑梳理会带来负担。利用函数调用可能简化主程序，程序会更清晰，便于理解。涉及红外线程序的子函数有4条，四条子函数可以被反复调用，优化了主程序的框架的同时，实现了红外遥控功能的远程重复操控。特别时数据汇总的子函数中，要注意加入变量，对学习次数进行次数的汇总，并显示到屏幕上。

        第一步：硬件连接；连接行空板与扩展板，将红外接收模块接在扩展版的P0接口。

        第二步：选择编程模块

        STEP1：打开图形化编程软件，通信模块选择“红外接收模块”

图26：红外接收模块

STEP2：遥控套件--红外遥控器与红外接收模块是红外接收套件的一部分，两个是结合使用，红外遥控按钮所对应的引脚接收值。

图27：红外接收键值

         示例程序如下所示：

图28：书籍推荐主程序

图29：书籍1程序

图30：书籍2程序

图31：书籍3程序

        第三步：设计智能推荐功能

        利用红外感测系统的数据，对数据进行汇总，找出点击量最多的内容进行智能推送。

                1. 利用变量的递增对学习内容的频次进行汇总。

                2. 汇总后将各个学习内容显示到屏幕上。

                3. 利用汇总的值找到其中的最大值，将其设为只能推广的对象。

图32：汇总程序

        该程序意为：从三个红外感测键的触发检测学习相对应的内容的学习频次，从三个汇总频次的数据中找到最大值，将最大值的那项内容进行推广学习。

图33：主程序

        功能效果图示例如下所示：

图33：效果图-智能书籍推荐功能

展评反思：

        经历了项目设计、实施和迭代的完整流程，相信大家已经制作出来自己满意的作品。下面就开始展评反思，听取别人的意见，进一步反思提高。

【作品评价】

        请大家分别展示项目作品，从创新性、技术性、实用性、完整性、团队合作、展示分享六个方面评价每个作品，并在图34项目评价表中为其打分。

【收获反思】

        与大家一起分享你的收获，想想自己在项目制作中解决了哪些问题，哪些问题还没有解决。成员共同反思项目作品还有哪些可以改进的地方，例如利用积木制作一个智能课桌、增加超声波传感器增加新的功能……最后，请大家各自将讨论内容，用纸笔记录下来，方便在课后我们对项目作品进行修改迭代。

图34：评价量表

分步程序链接：通过网盘分享的文件：智能课桌程序链接: https://pan.baidu.com/s/1LGLg3gFKc7CAhaKeC2s1gw?pwd=ciw4 提取码: ciw4