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[K10项目分享] 行空板k10——行空数码时钟创新智造

本帖最后由云天于 2025-2-10 11:36 编辑

一、项目来源
本项目基于新课标中对“人工智能与物联网”融合教育理念的要求，注重培养学生的科技创新思维与跨学科实践能力。让学生在制作行空数码时钟的过程中，不仅能够深入学习行空板的编程与应用，还能掌握舵机驱动、语音识别、网络通信及数据处理等多学科知识。借助行空板K10强大的计算能力和丰富的拓展接口，结合语音交互、物联网技术，打造一款功能齐全新颖别致的时间与天气信息展示工具。

二、项目介绍
1. 项目背景
在科技日新月异的当下，精准掌握时间与实时了解天气状况对于人们的日常生活至关重要。传统的电子时钟功能相对单一，而便捷获取天气信息的渠道又大多依赖手机等设备。基于此，我们创意性地设计出行空数码时钟，旨在通过一个装置实现时间显示和天气信息查询两项重要功能，满足人们对便捷生活的需求。

望通过此项目，引导学生学习跨学科知识，激发他们的创造力。在项目实施过程中，学生将深入学习编程、电子、机械等知识，掌握行空板编程、舵机控制、语音识别等技能。同时，鼓励学生细心观察生活，发现传统时钟与天气信息获取方式的不足，思考如何将两者结合，创造出更便捷、实用的产品。行空数码时钟项目不仅能满足人们对便捷生活的需求，还能成为学生学习知识、锻炼能力、激发创意的有力工具。

2. 项目特色

创意材质，旧物新生：采用环保理念，以绑扎气球用的塑料管作为主框架，实现旧物循环利用，赋予废弃材料全新价值，培养学生的环保意识与创新思维。
智能操控，语音交互：嵌入行空板语音识别功能，支持通过语音指令操控时钟，如“显示时间”“查看实时温度”等，优化人机交互体验，让信息获取更智能便捷。
跨学融合，知识拓展：融合编程、机械、电子、物联网等多学科知识，学生在制作过程中全面锻炼跨学科应用能力，深入了解科技产品从创意到实现的全过程。

3. 项目功能

时间展示：精确显示当前时间，以数码管形式呈现，小时、分钟和秒以先后顺序循环显示，中间以数码管之间的横线间隔标识，确保时间信息清晰易读。
天气资讯：连接网络后，能够获取并展示当地的实时气温、当日最高气温和最低气温等天气数据，方便用户随时了解气候情况。高年级学生可自主编写代码，通过 HTTP Client 库连接天气 API，利用 Arduino Json 库提取所需信息；低年级学生则可通过使用教师预编写的天气扩展插件，借助图形化编程实现天气信息获取，降低编程难度。
语音唤醒与指令：内置语音识别模块，可通过特定的语音唤醒词激活时钟，并接收后续如“显示时间、实时温度、最高温度、最低温度”等语音指令，精准触发对应功能，展示相关数据。

三、项目原理
1. 行空板 K10 作为核心控制单元：行空板 K10 搭载高性能处理器，负责整个时钟系统的控制与运算。其不仅承担程序运行、数据处理的任务，还具备丰富的输入输出接口，能便捷地连接各种外围设备与传感器，通过加载不同的代码程序，驱动舵机精准动作，实现仿数码管数字的动态显示，并同步管理语音识别功能，处理来自网络的天气数据信息，是整个数码时钟的大脑中枢。
2. 舵机驱动仿数码管显示数字：7 个 9g 舵机按特定顺序排列组成单个仿数码管。每个舵机精准控制角度，模拟数码管的发光段，不同的组合角度对应不同的数字或符号显示。行空板 K10 根据需要显示的数字信号，发送特定指令至舵机驱动板，驱动板按序驱动相应舵机转动至预设角度，呈现出 0 至 9 的数字形态，实现直观生动的数字视觉化效果。
3. 语音识别功能实现语音交互：语音识别模块基于机器学习算法，可准确识别用户的语音指令。当用户说出特定的唤醒词时，语音识别模块迅速激活，进入等待指令状态。当用户发出如“显示时间”“查看天气”等指令时，行空板 K10 接收并解析指令，即时调用对应的程序功能模块，完成相关操作，反馈结果给用户，实现便捷的语音交互控制。
4. 网络通信实现天气数据获取：借助 Wi-Fi 连接互联网，行空板 K10 可与网络上的天气服务 API 实现通信。通过发送特定格式的 HTTP请求，访问天气数据接口，获取包括实时气温、最高气温、最低气温及天气状况描述等丰富气象信息。返回的天气数据以 JSON 格式呈现，行空板 K10 利用Mind+内置的 JSON 解析库，快速提取出关键数据信息，如温度值等，再进行相应的数据处理和格式转换，最终以简洁明了的形式展示在仿数码管上，为用户提供及时准确的天气资讯。
5. 时间服务器访问获取准确时间：行空板 K10 连接时间服务器，获取精准的网络时间。通过网络时间协议（NTP）与互联网上的时间服务器进行同步，确保显示的时间准确无误。时间服务器会定期回传标准时间数据，行空板 K10 将这些时间数据解析后，按照预定的显示规则，通过控制舵机的动作，转化为仿数码管上形象直观的时间数字显示，让用户无论何时何地都能获取与世界标准时间同步的精确时间。

四、项目知识点
1. 行空板 K10 编程与应用：学习基于行空板K10的 Mind+ 编程环境，包括程序结构、语法、函数定义与调用等基础编程知识，以及如何利用行空板的硬件资源（如 GPIO 接口、Wi-Fi 模块等），实现各种功能的开发与拓展应用，培养学生的编程思维能力和硬件操控技能。
2. 舵机控制原理：理解舵机的内部结构、工作原理和控制方式，包括舵机的驱动信号（PWM 信号）的产生、传输和解析过程，以及如何通过行空板向舵机发送精确的控制指令（如设置目标角度、控制转动速度等），实现对多个舵机的协同控制，完成复杂的运动控制任务，拓展学生对机电一体化系统的认知。
3. 语音识别技术基础：了解语音识别的基本概念、工作流程和技术原理，包括语音信号的采集、预处理、特征提取、模型训练与识别等关键环节，认识常见的语音识别算法和模型（如深度神经网络等），以及如何利用行空板K10的语音识别模块（如基于语音特征匹配的简单的模板匹配算法）实现对特定关键词或指令的识别与响应，提升学生对智能语音交互技术的理解。
4. 网络通信协议与数据传输：掌握 Wi-Fi 网络的基本组成、工作原理和连接过程，理解网络通信中的常见协议（如 TCP/IP、HTTP等），学习如何使用行空板与网络服务进行交互，包括发送 HTTP 请求、接收服务器响应以及解析 JSON 格式的网络数据等内容，培养学生在网络环境下的程序开发与数据处理能力，为后续深入学习物联网应用打下基础。
5. 数据处理与格式转换：学会对从时间服务器和天气 API 获取的原始数据进行处理和转换，涉及数据的筛选、清洗、解析、格式化等操作，如将 JSON 格式的天气数据提取出温度、湿度等关键信息，将网络时间转换为便于显示和操作的本地时间格式等，使学生能够熟练地运用数据处理技巧，为实现项目的各种功能提供准确可靠的数据支持。

五、项目实现
1. 硬件搭建：将绑扎气球用的塑料管切割、拼接成数码时钟的主框架，确保框架结构稳固，能够支撑舵机和行空板等部件。将 7 个 9g 舵机按照仿数码管的排列方式固定在主框架上，通过扩展板连接至行空板 K10 的舵机驱动接口，保证每个舵机与行空板之间的电气连接畅通。同时，将红色纸板根据需要裁剪成合适的形状与大小，贴在舵机的重要显示部位，增强数字显示的视觉效果和美观度。

2. 软件编程：基于行空板 K10 的编程环境，利用 Arduino 语言编写程序。程序需包含舵机驱动、语音识别、Wi - Fi连接、时间服务器访问、天气 API 数据获取与处理等功能模块。其中，舵机驱动模块负责控制各个舵机的动作，实现数字的显示；语音识别模块负责接收用户的语音指令，并触发相应的功能；Wi - Fi 连接模块用于实现网络连接，保障时间服务器和天气 API 数据的获取；时间服务器访问模块则负责定期获取精准的网络时间；天气 API 数据获取与处理模块用于从网络上获取天气数据，并将其转换为适当的格式进行显示。编程过程中，应注重代码的优化与注释，提高程序的可读性和可维护性。

3. 测试与调试：在硬件搭建和软件编程完成后，对行空数码时钟进行全面的测试与调试。首先，测试舵机的控制功能，检查每个舵机是否能按照预设的角度准确动作，确保数字的显示正确无误。接着，测试语音识别功能，验证其是否能准确识别用户的语音指令，并触发相应的功能。然后，测试 Wi - Fi 连接和网络数据获取功能，确认能够成功连接网络，准确获取时间服务器和天气 API 的数据。在测试过程中，如遇问题，应仔细排查原因，进行针对性的调试与修正，直至所有功能均能正常、稳定运行。

六、项目拓展
1. 天气信息扩展：除了当前的实时气温、最高气温和最低气温等基本天气信息展示外，可以进一步拓展项目的功能，增加如风向、风力、空气质量指数（AQI）等更丰富的天气信息显示。只需根据相应的天气 API 提供的数据格式，对程序进行适当修改与扩展，即可全面展示更详尽的气候状况，满足用户对天气信息多样化的需求。
2. 语音指令丰富：针对语音识别模块，进一步丰富和完善语音指令集，增加更多的功能指令和查询选项。例如，可以实现用户通过语音指令查询特定日期的天气信息、设置闹钟提醒、获取日历事件提醒等，显著提升行空数码时钟的智能化程度和实用性，让用户享受更加便捷高效的生活体验。
3. 外观个性化设计：鼓励学生充分发挥创意，对时钟的外观进行个性化设计与装饰，使其更具艺术感和观赏性。可以采用不同的材料、颜色和造型进行搭配与组合，例如使用激光切割、3D打印框架、彩绘塑料管、添加装饰性图案、悬挂装饰挂件等，打造独一无二、个性鲜明的数码时钟作品，彰显学生的创造力和审美品味。

七、附件下载
1.因Mind+中的天气扩展插件使用时出现无法获取数据，编写了一个”天气“扩展：下载附件