《GT创客智慧教室可视化系统》林镇涛 黄皓楠
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http://ai-gtmaker.com/wp-content/uploads/2024/04/宁德五中黄皓楠林镇涛郭欣语《未来教室可视化系统》.mp4 (链接: http://ai-gtmaker.com/wp-content/uploads/2024/04/宁德五中黄皓楠林镇涛郭欣语《未来教室可视化系统》.mp4)
摘 要 ：本作品基于人工智能与物联网，为促进创客教室的安全性和舒适性，加强环境与教学管理，为学生提供一个安全、舒适、健康、具有创客思想的空间。本作品具有四种功能：大屏显示、环境监测、语音识别、远程控制；可作为创客学习展示教学样板。
关键词：人工智能、物联网、大屏显示、环境监测、语音识别、远程控制
一、研究背景
学校的创客教室一直以来都是我们的日常主要活动场所之一，经常有很多学生在创客教室学习、设计、创作。我们发现在创客教室中存在着一些问题。
首当其冲的就是一些会影响到我们健康的环境问题，3D打印机、激光切割机运行时产生的噪音、空气污染；教室照明较弱，对学生视力造成一定影响，时间久了会有损伤；再者，上课人数统计管理费时费力；创客区的物料较多，需要经常清理；再者，平时在学生物联网、人工智能相关技术时，没有很具体的操作体验，在学习时往往不知所以。
经过调查研究，我们设计了一个智能的创客教室可视化系统，它基于人工智能与物联网，为促进创客教室的安全性和舒适性，加强环境与教学管理，为学生提供一个安全、舒适、健康、具有创客思想的空间。本作品的四种功能：大屏显示，环境监测、语音识别，远程控制，很好解决以上不足；可作为创客学习展示教学样板。
二、研究过程
1、设计思路
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2、合作分工
硬件连接，试验功能效果；
黄皓楠
作品定位重新考虑，再征求意见；
黄皓楠
作品外形结构重新设计
林镇涛
激光切割、安装
林镇涛
硬件连接，加固
林镇涛
编程、调试
黄皓楠
3、作品结构
本作品以教室模型为主体，在教室模型内安装各类传感器，设备主要分为智能创客教室的SIOT与数据采集部分与设备控制设备部分。
SIOT与数据采集部分包括：行空板、SCI采集模块、数字温湿度传感器、噪音计、环境光传感器、空气质量传感器、普通摄像头；
行空板接收各类传感器传输的数据，显示并通过行空板自带的物联网SIOT发送数据给掌控板与电脑，并在大屏幕上显示所有信息；普通摄像头模拟远程监控。
设备控制设备部分包括：掌控板、语音识别、huskylens人工智能摄像头、Fan module风扇模块（模拟通风排气系统）、130 直流电机风扇（模拟空调系统）LED灯条（模拟照明系统）
掌控板：接收行空板传输的数据分析后进行预警，并控制被连接的电器；语音识别模块：识别语音，并控制被连接的电器；huskylens人工智能摄像头：人脸识别，统计创客社团到位学生数。
4、 功能实现与结构要求
4.1实现功能要求：
能进行空气温度，湿度，环境光，声音强度等数值的检测并显示于行空板与数字化大屏上；
当各项数值超标时进行警报并调节相关电器；
获取物联网上的天气并进行对比与显示；
能通过语音控制相关电器开关；
能实时监控教室内状况；
人脸识别统计创客社团到位学生数进行点名；
4.2工程结构要求：
（1）结构稳固：在使用过程不易损坏;
（2）实时更新：可以定时获取最新的数据;
（3）实时警报：可以实时处理数据，并做出相应判断和对应的报警提示;
本装置适用于任何地区的创客教室，可以有效提高学生学习效率和学习环境水平；在繁忙的学习任务中，我们与老师讨论了多种设计方案，最后决定采用行空板、AI摄像头、可视化大屏、物联网等技术实现本设计；希望能对广大学生有所帮助，对学生学习效率和学习环境有所改进。
5、结构设计与模型制作
5.1结构设计效果图
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5.2初稿激光切图
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6、硬件选用与连接
硬件清单
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SIOT与数据采集部分硬件连接
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设备控制设备部分硬件连接
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7、电脑编程
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8、制作组装
(1).初步构思：组员之间讨论，对其他学生进行调研，对创客智能教室进行构想
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(2)模型制造：运用激光切割制作创客教室模型，按比例还原创客教室
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(3)程序编程：将组员可实现的想法通过程序体现在硬件上
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(4)成品组装：将硬件加入进创客教室模型中，并进行一些调整
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9、作品展示
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三、研究结论
分贝计/噪音计 检测分析
声音（分贝）
危害
大屏提示
大于80
长时间会让我听力受损，及其他危害
留意或远离噪音源
70-80
会让人感觉心烦意乱
请勿大声喧哗
小于70
无
无
数字温度计 检测分析
室内温度（℃）
症状
大屏提示
大于28℃
身体过热、脱水、中暑
开窗通风或打开空调、风扇；保持水分，并在荫凉处休息
16℃-28℃
无
人体适宜温度
小于16℃
导致冻伤、体温过低，免疫功能下降、感冒及呼吸道疾病
温度较低，请注意保暖、增添衣物，或打开加热设备
环境光传感器 检测分析
光照强度（lx）
影响
大屏提示
大于60lx
眩光、强光照射
戴上眼罩、关闭窗帘（百叶窗或遮阳板）
50lx-60lx
光线柔和、适合阅读
小于50lx
视力降低
打开窗帘或打开照明系统
空气质量 检测分析
AQI等级
处理建议
停留时间建议
5
极差
请加强通风
不建议停留
4
差
通风，寻找污染源
小于1个月
3
一般
通风，靠近水源
小于12个月
2
好
保持充分通风
适于长期居住
1
非常好
没有建议
适于长期居住
eCO2/CO2浓度
等级
结果/建议
21500
严重
室内空气污染严重/需要通风
1000-1500
差
室内空气污染/建议通风
800-1000
一般
可以通风
600-800
好
保持正常
400-600
非常好
没有建议
TVOC浓度（ppb）
人体反应
大于6000
产生头痛等神经问题
750-6000
可能急躁不安和头疼
50-750
可能急躁不安和不舒服
小于50
正常
四、创新点
1、实时监测：能进行空气温度，湿度，环境光，声音强度等数值的检测并显示于行空板与数字化大屏上；自动警报；
2、大屏显示：智能的创客教室所有监测数据可视化；
3、自动控制：当项数值超标时进行警报，系统启动自动控制，保持环境舒适；
4、人脸识别：人脸识别统计到位学生数；
5、语音识别：可以通过语音控制创客教室内的一些设备；
6、远程控制：智能大屏上可以远程控制创客教室内的一些设备，如灯，空调，排气扇等；
五、作品设计体会
创造是一个从无到有的过程，当中充满了天马行空的想象与一丝不苟的严谨。
这一作品方案也经过多次修改与调整，从调研到方案的设计，结合了许多人对智能创客教室的想法，再总结这些想法然后经过我们组员的思考与讨论以及相互配合，才有了这一项目的完成；由于创客社符合国家标准，所以工具完备，在指导老师的指导下，模型制作过程也很顺利，但由于经验不足，论文的制作，代码的编辑等或多或少都出现了不少的小问题，但在指导老师的帮助下也都一一解决了。
六、有关技术参数
6.1 掌控板技术规格：
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6.2 行空板技术规格
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6.3 SCI采集模块
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SCI采集模块是一款功能强大且高度集成的数据采集模块，该模块融合了屏幕显示、传感器自动识别、传感器校准、数据存储、RTC时钟以及数据优化等多种特性，让数据采集变得更加便捷和高效。此外，SCI采集模块还具有多种供电方案，并可通过I2C接口输出优化后的传感器数据，兼容Arduino、micro:bit、掌控板、行空板、树莓派等常用的开源硬件主控。SCI采集模块支持了20余种受欢迎的传感器，包括温湿度、大气压、空气质量、氧气浓度等等。
6.4 ENS160空气质量传感器
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ENS160 空气质量传感器，搭载了ScioSense公司新推出ENS160空气质量传感器。该传感器专为室内空气质量检测而设计，能直接输出多种IAQ（TVOC、eCO2、AQI）数据。创新的TrueVOC技术结合金属氧化物(MOX)技术使得该传感器有优越准确性、快速响应、抗干扰等特性。 ENS160空气质量传感器内置算法，直接输出TVOC、eCO2、AQI数据，环境数据更丰富、容易理解。该传感器的预热时间小于3分钟，可以更快速的获得准确数据，内置基线自动校准算法，确保了传感器的长期稳定性。
产品特性
多种IAQ输出(TVOC、eCO2、AQI)，环境数据丰富
预热时间小于三分钟，更快获取数据
内置算法，输出数据更准确
自动校准基线，长期使用更稳定
应用场景：空气净化/家庭自动化、环境污染检测、暖通空调/通风系统、楼宇自动化/智能恒温器
6.5 数字温湿度传感器
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本模块采用SHT31-DIS-F芯片，这个芯片是SHT2x系列温湿度传感器的新一代继承者，相比上一代芯片精度更高，在SHT3x系列中属于标准版,同时这款芯片上面还有一层保护膜。 芯片测量数据经过出厂校正、线性化和温度补偿，具有温湿度报警输出、软硬件复位功能。传感器的湿度测量范围是0-100%RH，温度测量范围是-40-125℃。I2C接口，可选I2C 地址，工作电压范围宽（2.15V至5.5 V）。 保护膜是IP67的PTFE膜，可防止传感器开孔接触灰尘，因此允许传感器在恶劣环境条件下使用，如密切接触灰尘可能对传感器的精准性具有影响的地方。由于最小封装和膜的高 水气渗透性，相对湿度和温度信号的响应时间与没加膜的传感器所实现的相同。虽然，保护膜可完美防止灰尘的进入，但在一般情况下它不能防止挥发性化学物质的污染。
温湿度偏差参考:
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6.6 分贝计
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声级计（又称分贝计、噪音计）是最基本的噪声测量仪器，能够模拟人耳对声波反应速度的时间特性，测量周围环境声音的大小。但目前还没有一款能兼容arduino、简单易用的声级计。 为此，我们新推出了一款arduino兼容的、即插即用的声级计模块，可精确测量周围环境声音的大小。该产品采用仪器级电路方案，低噪麦克风，精度高；支持3.3~5.0V宽电压输入，0.6~2.6V模拟量输出，兼容性好；分贝值与输出电压为线性关系，转换简单，无需复杂的算法；接口即插即用，无需焊接，可方便的应用到现成的系统中。 声级计在环境噪音检测中有着广泛的应用，如公路噪音监测站、居室噪音监测等。有了我们这款声级计模块，DIY一套环境声音检测设备不再有任何难度。
分贝计接口管脚定义
标号
名称
功能描述
1
A
模拟信号输出端（0.6~2.6V）
2
+
电源输入正极（3.3~5.0V）
3
–
电源输入负极（0V）
6.7 环境光传感器
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本产品是数字式环境光传感器，测量不同环境下光的强度，在串口监视器中以数值显示，单位是lx。它的测量精度高，量程较广，探测范围从0lx到120klx，分辨率0.0036lx/ct。在设计方面，本传感器采用Filtron™技术，Filtron技术使传感器对环境光的光谱感光度接近人眼，同时它还采用了O-Trim™技术，使输出公差不到10%。在电路方面，此传感器模块支持I2C总线接口，并且采用了Gravity接口的设计形式，直接地简化了用户的接线难度。
光亮度数据参考：
晚上： 0.001-0.02 lx；
月夜： 0.02-0.3 lx；
多云室内： 5-50 lx；
多云室外： 50-500 lx；
晴天室内： 100-1000 lx；
夏天中午光照下： 大约10*6 lx；
阅读书籍时的照明度：50-60 lx；
注意：实际使用中可测得大于 120klx 的环境光，但精度不高
七、参考文献：
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-313042.html (链接: https://makelog.dfrobot.com.cn/article-313042.html)
天马创客物联网智慧大屏
https://mc.dfrobot.com.cn/ (链接: https://mc.dfrobot.com.cn/)
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