孟宪超

摘 要：本文研究主旨是将嵌入式AI视觉套件与树莓派结合，形成一套可兼容Arduino、能力风暴、乐高等主流控制器的视觉传感器;可以让学生用该传感器做自己熟悉硬件的人工智能方面的开发。

关键字：树莓派;创客教育;机器人教育;Arduino;计算机视觉

1、研究背景：

近年来，机器人教育、创客教育在中小学生教育中越来越普及，无论是Arduino、树莓派这类开源硬件，还是乐高、能力风暴这类教育机器人产品对于人工智能（AI）的教学应用几乎没有，随着AI逐渐渗入到我们生活的方方面面，对于中小学生学习AI的重要性逐渐突显出来[1]。所以是否能设计一款兼容性好的人工智能设备让同学们在自己熟悉的硬件上学习人工智能、做人工智能应用开发，是我们研究该项目的基本思路。

2、该研究应用的科学依据和创新点

2.1嵌入式AI视觉套件的应用研究使用了，项目教学法：教师设置创客项目，学生组建团队完成该项目，以此来学习计算机程序设计：python编程方法。黑箱实验法：在硬件方面，使用Intel的MA245X卷积神经网络加速芯片，让计算机视觉识别检测本地化运算成为可能。在软件方面利用网络中开源的图像检测的模型，提前由教师搭建运行该模型通用的环境，学生可以很容易的调用该模型中API接口，比如学生检测人脸，学生使用设备直接调用对应的人脸检测API接口，就可以取得检测结果。利用学生现有平台，将设备检测结果传递给学生熟悉的主控设备，利用GPIO数字口的高低电平方式进行信息传递。

2.2该项目的创新点

IntelMovidiusMA245X卷积神经网络（CNN）加速芯和摄像头组成的嵌入式AI视觉套件结合树莓派组成一套视觉传感器，其基本原理是摄像头将捕捉到的画面，通过内嵌模型（具有人脸检测、人脸识别、物体识别、场景学习等）运算后反馈给树莓派，树莓派将这些视觉信息变为数字信号通过GPIO、串口、Wifi、蓝牙等形式传递给Arduino、乐高、能力风暴等主控设备。

3、AI视觉套件应用研究的实施过程：

3.1方案构思

IntelMovidiusMA245X卷积神经网络（CNN）加速芯和摄像头组成的嵌入式AI视觉套件结合树莓派组成一套视觉传感器，其基本原理是摄像头将捕捉到的画面，通过内嵌模型（具有人脸检测、人脸识别、物体识别、场景学习等）运算后反馈给树莓派，树莓派将这些视觉信息变为数字信号通过GPIO、串口、Wifi、蓝牙等形式传递给Arduino、乐高、能力风暴等主控设备[2]。

材料清单：

树莓派，Intel的MA245X卷积神经网络加速芯片、摄像头、10.1寸液晶屏、基本计算机外设、各类教育机器人平台（Arduino、乐高、能力风暴），3D打印机。

3.2在树莓派上搭建模型最简系统

硬件方面的搭建：

方案一：嵌入式AI视觉套件与树莓派zero-w的组合，特点：体积小巧，使用环境多样，但运算能力有限，进行多线程程序运行时卡顿明显。如图1

方案二：嵌入式AI视觉套件与树莓派3B+与10.1寸显示器的组合，可视化的操作非常方便，运算能力相对方案一有了很大的提升，但体积过大，兼容性不如方案一。

3.3模型运行的验证，参数调整和记录

搭建号硬件与软件环境后，我们在树莓派上应用python进行编程，调用模型中的人脸检测模型，设计一个小程序：智能台灯，具体功能为，当摄像头检测到人脸时，设置树莓派GPIO数字口为高电平，点亮LED，未检测到时，LED熄灭。如图2

3.4设计项目，开发与Arduino、EV3、能力风暴等主控设备的接口

模型验证成功后，我们制作一根可以连接树莓派与能力风暴主控的数字信号线，连接后进行测试。

如图3当检测到人脸时，在主控五号端口上的值由0变为2710。模型验证成功。

4、项目的使用情况和进一步完善的设想

目前该项目在学生的两项设计中得到应用：

4.1智能工具箱的应用，功能简介：使用视觉传感器结合能力风暴主控设计一个可检测人脸并进行跟随功能的移动工具箱，并且工具箱配备指纹锁，达到随用随取，用完即放、专人专用的目的。

4.2学校大门预警机器人的应用，功能简介：通过视觉传感器结合Arduino设计一款可检测突发情况的预警设备，通过视觉传感器场景学习功能，让设备学习校门口日常正常场景，当异常场景出现时，设备做出警报，并向相关部门发送警报信息。

参考文献

[1]楊剛.創客教育：我国创新教育发展的新路径[J].中国电化教育，2016（3）：8-13.

[2]卢宏涛，上海交通大学计算机科学与工程系，上海，，卢宏涛，etal.深度卷积神经网络在计算机视觉中的应用研究综述[J].数据采集与处理，2016.

[3]柴炜，贾雯杰.基于计算机视觉的智能机器人设计[J].硅谷，2011（7）：51-51.