《中小学信息技术教育杂志》专栏-【基于人工智能类传感器的掌控板物联网实验与探究】

—本篇文章摘自《中小学信息技术教育杂志》2022年第12期

基于人工智能类传感器的掌控板物联网实验与探究

陈 瑜

【摘要】

针对《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中涉及的“物联网实践与探索”模块，笔者以物联网项目化学习案例——“景区人流量监测系统”为例，借助掌控板、人工智能类传感器，开展物联网教学实践与探索，培养学生的计算思维，提高学生核心素养。

【关键词】

物联网；掌控板；教学实践；人工智能类传感器；项目化学习

【中图分类号】

G434 【文献标识码】A

【论文编号】

1671-7384（2022）012-069-02

【作者单位】

浙江绍兴市柯桥区实验中学

2022年4月《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》颁布，其中提到要引导学生自觉遵守物联网实验的操作规程，会使用实验设备搭建物联网系统原型，并能通过实验平台读取、发送、接收、汇总和使用数据。[1]这要求学生掌握物联网基本原理，使用物联网分析问题、解决问题。

笔者以物联网项目化学习案例——“景区人流量监测系统”为例，借助掌控板、人工智能类传感器，开展物联网教学实践与探索。本项目的生活情境如下。

为进行新冠肺炎疫情防控，公众场所时常需要调整人数上限，高效快捷限制人群聚集，减少新冠肺炎疫情传播风险。然而，节假日期间景区人流量大，需要对景区人流量进行严格控制，并分析人流量什么时候达到顶峰，我们可以怎么做？

根据生活情境，引发学生的思考：如何更严格地进行景区人流量控制？引导学生使用物联网制作景区人流量监测系统。

基于生活情境，善于项目设计

硬件的选择

在实施该项目前，首先需要考虑的是开源硬件的选择，常见的开源硬件有Arduino、树莓派、Micro:bit、掌控板。其中，掌控板这一开源硬件中提供了WiFi模块、OLED显示屏，为景区人流量监测系统的实现提供了便利。因此，我们将掌控板作为本项目的开源硬件。

除了开源硬件外，传感器的选择也是至关重要的。大部分学生选择了人体感应传感器进行实践，但常常遇到数据偏差较大的情况。人工智能类传感器能够学习使用者的环境、习惯、感知，可以更加智能地输出符合用户期待的数据，并进行分析，提供需要的运算。“AI摄像头2.0”是一款人工智能摄像头，属于人工智能类传感器，可实现物体追踪、人脸识别、物体识别、颜色识别、语音识别等功能，其板载4Pin传感器接口，可连接到Arduino、树莓派、Micro:bit、掌控板等主板。为了保证数据的准确

性，选择使用“AI摄像头2.0”进行人脸识别。

2.平台的选择

搭建物联网系统，除了选择开源硬件外，还需要进行编程平台和通信协议的选择。结合掌控板这一开源硬件，我们选择Mpython软件进行编程，在该软件中，学生可使用图形化编程或Python编程。

通讯协议是指通信双方对数据传送控制的一种约定。物联网的通信协议包括以下协议：（1）HTTP协议。该协议是典型的CS通讯模式，由客户端主动发起连接，向服务器请求XML或JSON数据。但在物联网场景中有一些弊端：难以主动向设备推送数据。对于频繁的操控场景，只能通过设备定期主动拉取的方式，实现成本和时效性都大打折扣。（2）MQTT协议。该协议是消息队列遥测传输，采用发布/订阅模式，所有的物联网终端都通过TCP连接到云端，云端通过主题的方式管理各个设备关注的通讯内容，负责设备与设备之间消息的转发。因此，在本项目中采用MQTT协议。

根据设计思路，进行项目实施

景区人流量监测系统可以借助MQTT协议，使用掌控板、AI摄像头加以实现。首先，使用AI摄像头进行人脸识别，当检测到人脸时进行统计，将统计的结果利用物联网发送到平台中。人流量若在正常范围内，正常开放，否则控制人流量。

1.AI摄像头的使用

该系统的主要功能是人脸识别，在这里需要一个主要的传感器——AI摄像头。图1是AI摄像头的部分功能实现代码。

图1 AI摄像头的部分功能实现代码

（1）设置掌中宝和AI摄像头的串口通信，其中tx表示发送，rx表示接收；（2）kpu神经网络指令区的内置模型有三种，分别是人脸检测facedetect、20类物体识别20class以及手写数字识别Mnist，选择其中的人脸检测模型；（3）模型的参数，主要包括概率阈值、门限、锚点数和锚点，概率阈值的取值范围是0~1。

2.微信小程序的使用

在本项目中选择微信小程序来实现。首先搜索“掌控板物联网”小程序，用户登录，添加“掌控板”，再添加应用和组件。在Mpython软件中选择“微信小程序”模块实现相关功能。

当检测到人脸时，将数据传送到平台中，在平台中可以读取和接收数据，并将数据进行汇总，根据数据的变化情况，我们可以掌握该景区人流量的实时情况，并对其进行分析与追踪。

学生自主探索，根据自己制定的设计思路，编写程序，实现景区人流量监测系统的功能。在编程实现之前，学生需要掌握物联网的原理及AI摄像头、小程序的使用，选择合适的模块编程并调试。

完成该项目的程序编写后，将景区人流量监测系统放置于景区入口，摄像头检测到人脸时，将人流量纳入数据统计。平台可实时监控景区的人流量情况，一旦人流量接近饱和，景区可以采取人流量控制的相应措施，减少疫情传播风险。除此之外，还能将人流量的数据进行分析，根据人流量变化可有效分配相关管理和维护人员。

开展项目评价，促进教学相长

笔者在本项目中采用了自主评价，评价内容主要围绕项目分析、项目实施、作品成果、交流展示效果四个方面展开，采取自评、师评、小组互评的方式。

通过分析发现，学生的物联网作品制作能力已经处于中上等水平，作品也基本实现了指定的功能，只是在功能复杂度、美观性等方面存在差异。结合课堂观察发现，学生制订的问题解决方案比较可行，具备将问题转化为计算机能够解决的方式的能力。[2]

结语

“景区人流量监测系统”采用小组合作的学习模式，每个小组进行成果展示。在老师的引领下，每小组均完成景区人流量监测系统的制作。通过本次学习，学生实际处理问题的能力有所提高，还体验到了完成挑战性任务给自己带来的成就感。@

参考文献

【1】中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准：2022年版[S]. 北京：北京师范大学出版社，2022.

【2】秦朋绪，陈明选. 高中人工智能课程中项目化学习设计与实施——以“智能语音电话簿的制作”为例[J]. 中国信息技术教育，2022(7): 38-42.