基于人工智能類傳感器的掌控板物聯網實驗與探究

【摘 要】針對《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中涉及的“物聯網實踐與探索”模塊，筆者以物聯網項目化學習案例——“景區人流量監測系統”為例，借助掌控板、人工智能類傳感器，開展物聯網教學實踐與探索，培養學生的計算思維，提高學生核心素養。

【關鍵詞】物聯網；掌控板；教學實踐；人工智能類傳感器；項目化學習

【中圖分類號】G434" 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）012-069-02

2022年4月《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》頒布，其中提到要引導學生自覺遵守物聯網實驗的操作規程，會使用實驗設備搭建物聯網系統原型，并能通過實驗平臺讀取、發送、接收、匯總和使用數據。[1]這要求學生掌握物聯網基本原理，使用物聯網分析問題、解決問題。

筆者以物聯網項目化學習案例——“景區人流量監測系統”為例，借助掌控板、人工智能類傳感器，開展物聯網教學實踐與探索。本項目的生活情境如下。

為進行新冠肺炎疫情防控，公眾場所時常需要調整人數上限，高效快捷限制人群聚集，減少新冠肺炎疫情傳播風險。然而，節假日期間景區人流量大，需要對景區人流量進行嚴格控制，并分析人流量什么時候達到頂峰，我們可以怎么做？

根據生活情境，引發學生的思考：如何更嚴格地進行景區人流量控制？引導學生使用物聯網制作景區人流量監測系統。

基于生活情境，著手項目設計

1.硬件的選擇

在實施該項目前，首先需要考慮的是開源硬件的選擇，常見的開源硬件有Arduino、樹莓派、Micro：bit、掌控板。其中，掌控板這一開源硬件中提供了WiFi模塊、OLED顯示屏，為景區人流量監測系統的實現提供了便利。因此，我們將掌控板作為本項目的開源硬件。

除了開源硬件外，傳感器的選擇也是至關重要的。大部分學生選擇了人體感應傳感器進行實踐，但常常遇到數據偏差較大的情況。人工智能類傳感器能夠學習使用者的環境、習慣、感知，可以更加智能地輸出符合用戶期待的數據，并進行分析，提供需要的運算。“AI攝像頭2.0”是一款人工智能攝像頭，屬于人工智能類傳感器，可實現物體追蹤、人臉識別、物體識別、顏色識別、語音識別等功能，其板載4Pin傳感器接口，可連接到Arduino、樹莓派、Micro：bit、掌控板等主板。為了保證數據的準確性，選擇使用“AI攝像頭2.0”進行人臉識別。

2.平臺的選擇

搭建物聯網系統，除了選擇開源硬件外，還需要進行編程平臺和通信協議的選擇。結合掌控板這一開源硬件，我們選擇Mpython軟件進行編程，在該軟件中，學生可使用圖形化編程或Python編程。

通訊協議是指通信雙方對數據傳送控制的一種約定。物聯網的通信協議包括以下協議：（1）HTTP協議。該協議是典型的CS通訊模式，由客戶端主動發起連接，向服務器請求XML或JSON數據。但在物聯網場景中有一些弊端：難以主動向設備推送數據。對于頻繁的操控場景，只能通過設備定期主動拉取的方式，實現成本和時效性都大打折扣。（2）MQTT協議。該協議是消息隊列遙測傳輸，采用發布/訂閱模式，所有的物聯網終端都通過TCP連接到云端，云端通過主題的方式管理各個設備關注的通訊內容，負責設備與設備之間消息的轉發。因此，在本項目中采用MQTT協議。

根據設計思路，進行項目實施

景區人流量監測系統可以借助MQTT協議，使用掌控板、AI攝像頭加以實現。首先，使用AI攝像頭進行人臉識別，當檢測到人臉時進行統計，將統計的結果利用物聯網發送到平臺中。人流量若在正常范圍內，正常開放，否則控制人流量。

1.AI攝像頭的使用

該系統的主要功能是人臉識別，在這里需要一個主要的傳感器——AI攝像頭。圖1是AI攝像頭的部分功能實現代碼。

（1）設置掌中寶和AI攝像頭的串口通信，其中tx表示發送，rx表示接收；（2）kpu神經網絡指令區的內置模型有三種，分別是人臉檢測facedetect、20類物體識別20class以及手寫數字識別Mnist，選擇其中的人臉檢測模型；（3）模型的參數，主要包括概率閾值、門限、錨點數和錨點，概率閾值的取值范圍是0～1。

2.微信小程序的使用

在本項目中選擇微信小程序來實現。首先搜索“掌控板物聯網”小程序，用戶登錄，添加“掌控板”，再添加應用和組件。在Mpython軟件中選擇“微信小程序”模塊實現相關功能。

當檢測到人臉時，將數據傳送到平臺中，在平臺中可以讀取和接收數據，并將數據進行匯總，根據數據的變化情況，我們可以掌握該景區人流量的實時情況，并對其進行分析與追蹤。

學生自主探索，根據自己制定的設計思路，編寫程序，實現景區人流量監測系統的功能。在編程實現之前，學生需要掌握物聯網的原理及AI攝像頭、小程序的使用，選擇合適的模塊編程并調試。

完成該項目的程序編寫后，將景區人流量監測系統放置于景區入口，攝像頭檢測到人臉時，將人流量納入數據統計。平臺可實時監控景區的人流量情況，一旦人流量接近飽和，景區可以采取人流量控制的相應措施，減少疫情傳播風險。除此之外，還能將人流量的數據進行分析，根據人流量變化可有效分配相關管理和維護人員。

開展項目評價，促進教學相長

筆者在本項目中采用了自主評價，評價內容主要圍繞項目分析、項目實施、作品成果、交流展示效果四個方面展開，采取自評、師評、小組互評的方式。

通過分析發現，學生的物聯網作品制作能力已經處于中上等水平，作品也基本實現了指定的功能，只是在功能復雜度、美觀性等方面存在差異。結合課堂觀察發現，學生制訂的問題解決方案比較可行，具備將問題轉化為計算機能夠解決的方式的能力。[2]

結" 語

“景區人流量監測系統”采用小組合作的學習模式，每個小組進行成果展示。在老師的引領下，每小組均完成景區人流量監測系統的制作。通過本次學習，學生實際處理問題的能力有所提高，還體驗到了完成挑戰性任務給自己帶來的成就感。

參考文獻

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準：2022年版[S]. 北京：北京師范大學出版社，2022.

秦朋緒，陳明選. 高中人工智能課程中項目化學習設計與實施——以“智能語音電話簿的制作”為例[J]. 中國信息技術教育，2022（7）： 38-42.

作者單位：浙江紹興市柯橋區實驗中學