基于行空板K10设计的小型家庭智能控制系统- Makelog(造物记)

案例摘要：本教学案例紧密围绕小学信息技术新课标第六章《过程与控制》，以智能家居为核心展开跨学科教学实践。通过详细阐述智能家居系统在教学中的应用，深入分析其与多学科的融合点，以及系统的教学实施过程和效果评估，旨在探索如何通过跨学科教学有效提升学生的信息素养、综合能力与创新思维，为小学信息技术教学提供具有实践指导意义的参考范例。

随着科技的飞速发展和教育理念的不断更新，小学信息技术教育面临着新的挑战与机遇。2022版小学信息技术新课标强调培养学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新能力以及信息社会责任。其中，第六章《过程与控制》作为关键章节，要求学生理解信息系统中过程与控制的基本概念，掌握简单的控制算法和编程实现，能够运用信息技术解决实际问题。

案例来源：智能家居作为现代科技的典型应用，融合了多种先进技术，涵盖了多学科知识领域。将其引入小学信息技术教学，不仅能够使学生直观地感受信息技术在生活中的应用，激发学生对信息技术的兴趣，还能促进信息技术与数学、物理、艺术、科学等学科的深度融合，培养学生的综合素养和跨学科解决问题的能力。通过对智能家居系统的学习与实践，学生能够更好地理解过程与控制的概念，掌握编程技能，提升创新思维和实践能力。

案例设计类型简介：

智能家居系统是一个复杂而智能的系统，主要由感知层、网络层、控制层和应用层组成。

1、感知层：感知层是智能家居系统的 “感觉器官”，包含各类传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器、人体红外传感器、烟雾传感器、门窗传感器等。这些传感器负责采集家居环境中的各种物理量和状态信息，如室内温度、湿度、光线强度、人员活动情况、烟雾浓度、门窗开关状态等，并将这些信息转换为电信号或数字信号，传输给网络层。
2、网络层：网络层是智能家居系统的 “神经系统”，负责将感知层采集的数据传输到控制层，同时将控制层的指令传输到应用层的执行设备。常见的网络传输方式有 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、以太网等。Wi-Fi 具有覆盖范围广、传输速度快的特点，常用于连接智能家电、智能摄像头等设备；蓝牙则适用于短距离、低功耗的设备连接，如智能手环、智能音箱等；ZigBee 以其低功耗、自组网的优势，常用于传感器网络的组建；以太网则具有稳定性高、传输速度快的特点，常用于对网络稳定性要求较高的设备连接。
3、控制层：控制层是智能家居系统的 “大脑”，由智能控制器、服务器或智能家居网关等设备组成。它根据预设的规则和用户指令，对感知层传输过来的数据进行分析处理，做出决策，并向应用层的执行设备发出控制信号。控制层通常运行着智能控制软件，具备数据存储、逻辑运算、智能决策等功能。例如，当温度传感器检测到室内温度过高时，控制层会根据预设的温度阈值，自动向空调发出制冷指令。
4、应用层：应用层是智能家居系统的 “执行机构”，由各种智能设备组成，如智能灯光、智能窗帘、智能空调、智能电视、智能扫地机器人等。这些智能设备接收控制层的指令，执行相应的操作，实现对家居环境的智能控制。例如，智能灯光可以根据环境光线强度和用户需求自动调节亮度和颜色；智能窗帘可以根据时间或光线变化自动开合。

本案例简介：

本案例分为两部分，一部分是基于行空板K10设计的环境检测与控制系统；一部分是基于K10设计的安防系统。

1、环境监测与控制系统：通过温度传感器、湿度传感器、空气质量传感器等设备，实时监测室内温度、湿度、空气质量等环境参数。当通过语音模块播放环境参数、参数超出预设范围时，语音控制新风系统等设备，调节室内环境，保持舒适的居住环境，例如，当室内温度过高时，主人可以通过语音控制风扇开启与关闭，当室内光线不足时，主人可以通过语音控制灯光开启与关闭。（只有将加入系统根据参数自动控制相应传感器的开启与关闭）
2、安全防护功能：利用二哈识图摄像头、火焰传感器等设备，实现家庭安全监控。当检测到火灾隐患等异常情况时，系统立即发出警报，并通过语音等方式通知用户。同时，摄像头可以检测家人脸部信息，实现自动开关门，为用户提供安全保障。
环境检测与控制系统，通过K10大屏现实的一览无余。K10自带温湿度模块，实现了温湿度的检测功能，黑龙江室内采用地热供暖，温度较高，湿度较低。
语音控制客厅灯光开启与关闭。（之后打算加入系统控制自动开启与关闭）
语音控制风扇开启与关闭。（之后打算加入系统控制开启与关闭）
通过使用ENS160空气质量传感器实现对室内空气质量等多个数据的检测，保证室内空气质量的安全，提供一个舒适的环境。

主控板介绍：行空板K10

行空板K10是一款专为信息科技课程中的编程学习、物联网及AI项目教学需求而开发的学习板。它集摄像头、LCD彩屏、麦克风、扬声器、WiFi蓝牙模块、RGB指示灯及多种传感器和扩展接口于一体，无需额外设备即可实现传感器控制、物联网应用、图像检测、语音识别、语音合成等AI项目。

主要传感器介绍：ENS160空气质量传感器

Fermion: 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。

二哈识图AI摄像头

二哈识图（HuskyLens）是一款简单易用的人工智能视觉传感器，内置6种功能：人脸识别、物体追踪、物体识别、巡线追踪、颜色识别、标签识别。仅需一个按键即可完成AI训练，摆脱繁琐的训练和复杂的视觉算法，让你更加专注于项目的构思和实现。

教学目标设定

知识与技能目标：学生了解智能家居系统的基本构成、工作原理和主要功能；掌握传感器、控制器、执行器等硬件设备的使用方法；学会运用图形化编程软件（如 mind+）设计简单的智能家居控制程序；能够组装和调试简单的智能家居硬件系统。
过程与方法目标：通过小组合作探究、项目实践等方式，培养学生的自主学习能力、团队协作能力和问题解决能力；引导学生运用跨学科知识和方法，分析和解决智能家居设计中的实际问题，培养学生的综合思维能力和创新能力。
情感态度与价值观目标：激发学生对信息技术和智能家居的兴趣，培养学生的科学探索精神和创新意识；让学生感受科技给生活带来的便利和美好，增强学生对现代科技的认同感和责任感。

教学方法选择

项目驱动教学法：以智能家居项目为核心，将教学内容分解为多个子项目和任务，让学生在完成项目的过程中学习知识和技能。通过项目驱动，激发学生的学习兴趣和主动性，培养学生的实践能力和创新能力。
小组合作学习法：将学生分成小组，共同完成项目任务。在小组合作过程中，学生相互交流、协作，发挥各自的优势，共同解决问题。小组合作学习法有助于培养学生的团队协作能力和沟通能力。
情境教学法：创设真实的生活情境，如智能家居在家庭中的应用场景，让学生在情境中发现问题、解决问题。情境教学法可以增强学生的学习体验，提高学生对知识的理解和应用能力。
探究式教学法：引导学生自主探究智能家居系统的原理和应用，鼓励学生提出问题、做出假设、设计实验、验证假设。探究式教学法有助于培养学生的科学探究精神和创新思维能力。

步骤1 第一阶段：智能家居系统认知展示智能家居系统的实际案例，如智能家庭样板间视频、智能家居产品介绍等，让学生直观感受智能家居的功能和应用场景，激发学生的学习兴趣。讲解智能家居系统的基本构成，包括感知层、网络层、控制层和应用层，以及各层的主要设备和功能。通过实物展示和模型演示，让学生了解传感器、控制器、执行器等硬件设备的外观和基本工作原理。组织学生参观学校的智能家居实验室，让学生亲身体验智能家居设备的操作和应用，增强学生的感性认识。

步骤2 第二阶段：硬件组装与基础编程为学生提供硬件设备，以及主板等控制器，让学生分组进行硬件组装。在组装过程中，学生学习硬件设备的连接方法和电路原理，了解不同设备之间的信号传输方式。引入图形化编程软件mind+通过简单的案例演示，让学生掌握 mind+ 的基本操作和编程方法，如指令模块使用、事件驱动编程等。引导学生运用 mind+ 编程软件，为组装好的硬件设备编写控制程序。例如，编写一个程序，实现当光线传感器检测到温度高于设定值时，LED 灯亮起；当温度传感器检测到温度高于设定值时，风扇电机启动进行降温。通过这个过程，学生掌握传感器数据读取、条件判断和设备控制的编程方法。

步骤3 第三阶段：跨学科项目实践布置跨学科项目任务，如设计一个智能房屋。学生以小组为单位，综合运用信息技术、数学、物理、艺术等多学科知识，完成项目的设计与实现。在项目设计过程中，学生需要运用数学知识进行数据统计和分析，如根据一段时间内的温度和湿度数据，确定智能空调和加湿器的最佳控制参数；运用物理知识设计电路和选择电子器件，如根据智能灯具的功率需求，选择合适的电源和驱动电路；运用艺术知识进行外观设计和用户界面设计，如设计智能卧室的灯光布局和颜色搭配。学生在小组内分工协作，共同完成硬件组装、编程调试、外观设计等任务。教师在项目实施过程中，给予学生必要的指导和帮助，引导学生解决遇到的问题。

步骤4 第四阶段：项目展示与评价各小组展示自己的项目成果，包括项目设计方案、硬件实物展示、软件演示等。每个小组派代表进行讲解，介绍项目的设计思路、实现过程和创新点。组织学生进行项目评价，评价内容包括项目的功能实现、技术创新、跨学科融合、团队协作等方面。评价方式采用学生自评、小组互评和教师评价相结合，让学生在评价过程中相互学习、共同提高。

教学实践效果

学生学习兴趣显著提高：通过引入智能家居这一富有吸引力的跨学科案例，学生对信息技术课程的兴趣明显增强。在课堂上，学生积极参与讨论、实践操作和项目设计，表现出强烈的求知欲和探索精神。
知识与技能掌握扎实：学生通过亲身体验和实践操作，深入理解了智能家居系统的构成、工作原理和编程控制方法。在硬件组装和编程过程中，学生的动手能力和编程技能得到了有效锻炼，能够熟练运用所学知识和技能解决实际问题。
综合素养得到提升：跨学科教学促进了学生多学科知识的融合与应用，培养了学生的综合思维能力和创新能力。在项目实践中，学生学会了运用数学、物理、艺术等学科知识解决信息技术问题，同时也提高了自己的审美能力、团队协作能力和沟通能力。
创新能力得到激发：在智能家居项目设计过程中，学生充分发挥自己的想象力和创造力，提出了许多具有创新性的设计思路和解决方案。例如，有的小组设计了具有智能语音交互功能的智能厨房，用户可以通过语音指令控制厨房设备；有的小组设计了基于太阳能供电的智能花园系统，实现了节能环保。

教学反思

教学资源的局限性：在教学实践中，发现教学资源存在一定的局限性。例如，部分硬件设备的数量不足，导致学生在实践操作中需要轮流使用；一些高级的智能家居设备和软件工具价格昂贵，学校难以配备。针对这一问题，可以通过与企业合作、开展线上教学资源共享等方式，丰富教学资源。
学生个体差异的影响：学生在学习能力、兴趣爱好和知识基础等方面存在个体差异，这给教学带来了一定的挑战。部分学习能力较弱的学生在硬件组装和编程过程中遇到困难，需要教师给予更多的指导和帮助。在今后的教学中，应关注学生的个体差异，采用分层教学、个别辅导等方式，满足不同学生的学习需求。
跨学科融合的深度和广度有待加强：虽然在教学中尝试了将信息技术与多学科进行融合，但在融合的深度和广度上还有待进一步提高。例如，在与数学学科的融合中，对数学知识的应用还不够深入，缺乏对数学模型和算法的深入探究；在与艺术学科的融合中，更多地关注了外观设计和用户界面设计，对艺术与科技的文化内涵和价值融合探讨较少。在今后的教学中，应加强对跨学科融合的研究和实践，拓宽融合的领域和深度。

材料清单

行空板K10 X2 链接
二哈识图 X1 链接
ENS空气质量传感器 X1 链接
灯带 X1 链接
风扇模块 X1 链接
火焰模块 X1 链接
舵机 X1 链接
LED灯 X1 链接

代码

环境检测与控制系统
/*!
 * MindPlus
 * esp32s3bit
 *
 */
#include "asr.h"
#include "unihiker_k10.h"
#include <DFRobot_ENS160.h>
#include <DFRobot_NeoPixel.h>
// 创建对象
DFRobot_ENS160_I2C ens160(&Wire, 0x53);
DFRobot_NeoPixel   neoPixel_P0;
UNIHIKER_K10       k10;
uint8_t            screen_dir=2;
ASR                asr;
AHT20              aht20;


// 主程序开始
void setup() {
	k10.begin();
	ens160.begin();
	k10.initScreen(screen_dir);
	k10.creatCanvas();
	asr.asrInit(CONTINUOUS, CN_MODE, 12000);
	while(asr._asrState == 0){delay(100);}
	asr.setAsrSpeed(2);
	ens160.setPWRMode(ENS160_STANDARD_MODE);
	neoPixel_P0.begin(P0, 8);
	neoPixel_P0.setBrightness(255);
	k10.canvas->canvasText("基于K10的智能家居", 10, 0, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("当前温度：", 30, 30, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("当前湿度：", 30, 60, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("空气质量：", 30, 90, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("CO2含量：", 30, 120, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("TVOC值：", 30, 150, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("灯光状态：", 30, 180, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("风扇状态：", 30, 210, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->updateCanvas();
}
void loop() {
	asr.addASRCommand(0+1, "ke ting kai deng");
	asr.addASRCommand(1+1, "ke ting guan deng");
	asr.addASRCommand(2+1, "kai feng shan");
	asr.addASRCommand(3+1, "guan feng shan");
	asr.addASRCommand(4+1, "du qu wen du");
	asr.addASRCommand(5+1, "du qu shi du");
	asr.addASRCommand(6+1, "du qu er yang hua tan nong du");
	asr.addASRCommand(7+1, "du qu kong qi zhi liang");
	asr.addASRCommand(8+1, "du qu zong hui fa xing you ji hua he wu ");
	while (1) {
		if (asr.isWakeUp()) {
			k10.canvas->canvasText("等待主人的召唤", 30, 240, 0xFF0000, k10.canvas->eCNAndENFont16, 20, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
		}
		else {
			k10.canvas->canvasText("主人，我先去休息了", 30, 270, 0xFF0000, k10.canvas->eCNAndENFont16, 20, true);
			k10.canvas->canvasText("主人需要我的话，请说“你好小行”", 30, 300, 0x333333, k10.canvas->eCNAndENFont16, 20, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
		}
		if (asr.isDetectCmdID(0+1)) {
			neoPixel_P0.setRangeColor(0, 7, 0xFFFFFF);
			k10.canvas->canvasText("打开", 140, 180, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			asr.speak("已经帮你打开客厅灯光啦~");
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(1+1)) {
			neoPixel_P0.clear();
			k10.canvas->updateCanvas();
			k10.canvas->canvasText("关闭", 140, 180, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			asr.speak("已经帮你关闭客厅灯光啦~");
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(2+1)) {
			digital_write(eP2, HIGH);
			asr.speak("小风扇已经转起来啦");
			k10.canvas->canvasText("开启", 140, 210, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(3+1)) {
			digital_write(eP2, LOW);
			asr.speak("小风扇已经关闭咯~");
			k10.canvas->canvasText("关闭", 140, 210, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(4+1)) {
			asr.speak((String((String(aht20.getData(AHT20::eAHT20TempC)))) + String("摄氏度")));
			k10.canvas->canvasText((String(aht20.getData(AHT20::eAHT20TempC)) + String("°C")), 140, 30, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(5+1)) {
			asr.speak((String("相对湿度是") + String((String(aht20.getData(AHT20::eAHT20HumiRH))))));
			k10.canvas->canvasText((String(aht20.getData(AHT20::eAHT20HumiRH)) + String("%rh")), 140, 60, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(6+1)) {
			asr.speak((String("二氧化碳浓度是") + String((String(ens160.getECO2())))));
			k10.canvas->canvasText(ens160.getECO2(), 140, 120, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(7+1)) {
			asr.speak((String((String("空气质量指数是") + String((String(ens160.getAQI()))))) + String("级")));
			k10.canvas->canvasText((String(ens160.getAQI()) + String("级")), 140, 90, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			delay(1000);
		}
		if (asr.isDetectCmdID(8+1)) {
			asr.speak((String("挥发性有机化合物指数是") + String((String(ens160.getTVOC())))));
			k10.canvas->canvasText(ens160.getTVOC(), 140, 150, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
			k10.canvas->updateCanvas();
			delay(1000);
		}
	}
}

代码

安防系统
/*!
 * MindPlus
 * esp32s3bit
 *
 */
#include "asr.h"
#include <ESP32Servo.h>
#include "unihiker_k10.h"
#include <DFRobot_HuskyLens.h>
// 创建对象
DFRobot_HuskyLens huskylens;
Servo             myservo_1;
int               servoPin_1 = 1 ;
UNIHIKER_K10      k10;
uint8_t           screen_dir=2;
ASR               asr;


// 主程序开始
void setup() {
	k10.begin();
	ESP32PWM::allocateTimer(0);
	ESP32PWM::allocateTimer(1);
	ESP32PWM::allocateTimer(2);
	ESP32PWM::allocateTimer(3);
	myservo_1.setPeriodHertz(50);
	myservo_1.attach(servoPin_1, 500, 2500);
	k10.initScreen(screen_dir);
	k10.creatCanvas();
	asr.setAsrSpeed(2);
	huskylens.beginI2CUntilSuccess();
	huskylens.writeAlgorithm(ALGORITHM_FACE_RECOGNITION);
	myservo_1.write(55);
	k10.canvas->canvasText("基于K10家庭安防系统", 0, 0, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("入户门状态：", 10, 30, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("火灾状态：", 10, 90, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->updateCanvas();
}
void loop() {
	huskylens.request();
	if (huskylens.isLearned(1)) {
		if (huskylens.isAppearDirect(HUSKYLENSResultBlock)) {
			if (huskylens.isAppear(1,HUSKYLENSResultBlock)) {
				k10.canvas->canvasText("打开", 140, 30, 0xFF0000, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
				k10.canvas->updateCanvas();
				asr.speak("入户门已打开，欢迎主人回家");
				myservo_1.write(10);
				delay(3000);
				myservo_1.write(55);
				k10.canvas->canvasText("关闭", 140, 30, 0xFF0000, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
				k10.canvas->updateCanvas();
				asr.speak("入户门已关闭");
			}
		}
	}
	if (((analogRead(P1))<2000)) {
		asr.speak("火灾隐患警报，请撤离");
		digital_write(eP9, HIGH);
		k10.canvas->canvasText("警报", 140, 90, 0xFF0000, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
		k10.canvas->updateCanvas();
		delay(1000);
	}
	else {
		digital_write(eP9, LOW);
		k10.canvas->canvasText("安全", 140, 90, 0x00FF00, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
		k10.canvas->updateCanvas();
	}
}

附件

基于K10的智能家居.zip

基于行空板K10设计的小型家庭智能控制系统 简单

基于行空板K10设计的小型家庭智能控制系统简单