书名：走近人工智能 行空板K10与Mind+的奇幻之旅
ISBN：978-7-115-68440-0
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著 李建江 章明干
责任编辑 吴晋瑜
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本书借助行空板K10与Mind+图形化编程软件，为读者呈现了一系列人工智能教学实践项目，包括七言律诗显示、校园身份小名片制作、校园记忆电子明信片制作、环境感知监测、运动步数统计、RGB灯效模拟、音乐播放、语音录制与控制、拍照功能实现，以及智慧教室、鱼缸守护、智能家居等综合应用。每个项目均涵盖知识准备与详细实施步骤，有助于读者掌握硬件连接、编程设计及传感器应用等技能。
本书适合对人工智能感兴趣的青少年群体阅读，无论是编程初学者，还是想要深入探索硬件编程应用的进阶型读者，都能从中找到学习的乐趣与价值。同时，对致力于开展科技教育的教师，以及希望通过实践项目提升自身技能的科技爱好者，这也是一本实用的参考书。
当今世界，技术正以前所未有的速度对我们的生活和社会进行重塑。人工智能（Artificial Intelligence，AI）作为这一时代的颠覆性技术之一，正从各个层面改变着人类感知、决策和交互的模式。对于中小学生而言，理解并掌握人工智能，已不只是一项技能，更是一种基本素养，是其在未来学习、生活与社会发展中不可或缺的能力，是开启未来之门的钥匙。
伴随国家将人工智能教育纳入中小学课程体系，“怎样高效开展AI教学，让学生不止步于概念认知，而是能够切实开展动手实践与创新应用”已成为教育界普遍关注的问题，而这正是本书的创作背景。人工智能的奥秘并非高不可攀，我们完全能够通过亲身体验来领会其要义，乃至创作出令人赞叹的智能作品。笔者希望通过本书，为教师和学生提供一套经实践验证、可直接运用的人工智能项目式学习方案。
本书的编撰遵循“软硬结合、由浅入深、项目驱动、注重思维”的核心思路。
◆ 在硬件层面，我们选用了国产自主研发的行空板K10。其优势体现于“All-in-One”设计。这一设计极大程度地简化了教学环境的搭建工作，规避了传统单片机教学中繁杂的连线问题，让教师与学生能够将注意力集中于编程逻辑与AI算法本身，可以有效提高课堂效率与安全性。
◆ 在软件层面，我们采用Mind+作为编程环境。Mind+完美融合了图形化编程的直观性与高级编程语言（如Python）的灵活性。初学者可以通过拖拽积木指令轻松入门，快速看到成果，建立信心；进阶者则可以无缝切换到代码模式，进行深入探索。Mind+极大地降低了底层复杂性，让读者能更专注于逻辑构建与创意实现。
在课程规划上，本书暗含“基础认知+功能应用+核心技术+综合创新”布局，力求做到层次清晰、明确。
◆ 基础认知：夯实硬件操作与图形化编程基础。
◆ 功能应用：深入探究传感器、执行器的应用，帮助读者培养物联网思维。
◆ 核心技术：重点介绍语音识别与合成、计算机视觉等AI关键技术。
◆ 综合创新：通过大型项目进行集成创新，帮助读者培养系统化解决问题的能力。
除第1课外，本书其余的每一课均包含一个或多个完整的项目，每个项目的实现都是一个微型的“产品设计”过程，包含需求分析（项目概览）、知识储备（知识准备）、方案设计（编程思路）、实现调试（编程实践）、优化展示（项目拓展与评价）等环节，旨在全方位地培养和锻炼学生的计算思维、工程思维和创新思维。
笔者衷心希望，本书不仅能帮助读者构建起对人工智能的直观认知，掌握实用的技术技能，更能点燃大家的创新热情，培养利用技术解决实际问题的能力，最终助力每一位学习者在智能时代从容、自信地成长为积极的创造者。
同学们，你们知道我们每天和手机对话时的语音助手、自动驾驶的汽车，以及能自动避障的扫地机器人（见图1-1）吗？它们为什么这么“聪明”？这就是人工智能（AI）的“魔力”！
图1-1
人工智能就像会学习的超级大脑，通过观察、学习和思考，能完成许多有趣的任务。今天我们要认识两位特别的小伙伴——行空板K10和Mind+，它们就像开启AI世界的魔法棒和工具箱，让我们可以亲手创造会看、会听、会说话的智能装置。
行空板K10是什么行空板K10是一款专为学习和体验人工智能而设计的开发学习板，100%采用国产芯片，知识产权自主可控，符合信息科技课程中编程学习物联网及人工智能等教学需求。行空板K10集成LCD（液晶显示）彩屏、Wi-Fi、蓝牙、摄像头、麦克风、扬声器、RGB（三原色，包括红色、绿色、蓝色3种颜色）指示灯、多种传感器及丰富的扩展接口。凭借高度集成的板载资源，教学过程中无须额外连接其他设备，便可轻松实现传感器控制、物联网应用以及人脸识别、语音识别、语音合成等人工智能项目。
行空板K10的正面、背面如图1-2所示。
图1-2
行空板K10的板载功能行空板K10集成了麦克风、摄像头以及温湿度传感器等18种传感器模块，如图1-3所示，它们的功能如表1-1所示。它支持离线人脸识别、语音合成、动态姿态检测等多种AI功能，并配备了Wi-Fi/蓝牙通信模块及Gravity扩展接口。这些特性使得行空板K10能够迅速搭建起智能气象站、声控宠物喂食器等教学项目。利用行空板K10，通过图形化编程工具（如Mind+），中小学生就可以轻松地开展人工智能的实践活动。
图1-3
表1-1
| 板载模块 |
功能介绍 |
|---|---|
| 双麦克风 |
配备双麦克风，提供更好的降噪效果，显著提高语音唤醒和识别的准确性，确保清晰的录音质量 |
| 摄像头 |
支持离线人脸检测、宠物检测等AI任务，并能进行拍照和监控，增强设备智能化应用 |
| 扬声器 |
不仅支持简单的音符播放，还支持语音合成、录音播放和音乐播放，音质清晰，应用广泛 |
| Wi-Fi和蓝牙 |
内置高效Wi-Fi和蓝牙模块，适用于物联网技术学习和项目开发，确保稳定连接 |
| 显示屏 |
2.8寸（1寸≈3.33厘米）高清彩色显示屏，可显示彩色文字、图片和摄像头画面，提供丰富的信息展示和视觉效果，增强用户交互体验 |
| 温湿度传感器 |
内置温湿度传感器，实时监控温湿度环境数据，可快速搭建简易物联网气象站 |
| 环境光传感器 |
内置数字环境光传感器，输出环境光的物理量数值而不仅仅是光线的强弱等级 |
| 加速度传感器 |
免校准加速度传感器，实时获取x、y、z轴的加速度数据，可检测设备的各种姿态 |
| RGB灯（×3） |
可用于实现流水灯效果和状态指示，提供动感的视觉体验，提升设备的互动性 |
| 状态指示灯 |
在语音唤醒、拍照、录音等操作时亮灯，让用户快速了解设备状态，提升操作的直观性和便利性 |
| microSD卡接口 |
支持扩充存储空间，可存储照片、音乐、录音等数据，满足更多数据的存储需求 |
| 金手指接口 |
引出所有I/O （输入输出）接口，支持扩展板连接，轻松实现更多功能扩展，满足各种开发需求 |
| Gravity I2C接口 |
可连接手势识别传感器、NFC （近场通信）模块等，扩展设备功能，支持多样化应用场景 |
| Gravity I/O接口 |
支持数字输入输出、模拟输入和PWM （脉宽调制）输出，灵活应对各种控制需求 |
| Type-C接口 |
兼容程序烧录、供电及串口信息输出，接口多功能化，操作更加便捷 |
行空板K10的应用行空板K10集成了多种传感器，并支持离线人脸检测、语音识别与合成等AI功能，如图1-4所示。借助这些强大的功能，我们可以迅速上手制作各种智能交互项目。例如，通过摄像头和AI算法，我们可以实现“人脸门禁系统”；利用语音模块，我们可以实现“语音控制灯光”；结合温湿度传感器，我们还可以设计制作出“环境监测器”等。这些功能不仅极大地简化了硬件连接与代码编写的过程，还能与图形化编程工具相结合，让中小学生也能轻松体验探索人工智能与跨学科创意融合的无限乐趣，充分激发学生在AI、编程与硬件交互方面的创造力。
图1-4
Mind+介绍Mind+是一款拥有自主知识产权的国产青少年编程软件，专为青少年设计，以图形化编程为核心，操作起来就像搭积木一样简单有趣！借助拖动不同颜色的积木指令组合程序，你能轻松控制机器人、传感器，还能制作小游戏和动画，进而顺利踏入编程世界的大门。
Mind+整合了当前科技教育中的主流开源硬件平台，拥有强大的硬件扩展功能库。直接使用它，你就可以对上百种硬件模块进行编程控制，这些模块包括各种传感器模块、执行器模块、通信模块、显示器模块等。同时，Mind+还开放了扩展库，支持人工智能与物联网等功能。它既可以让你通过拖动图形化积木指令进行编程，还支持使用Python/C/C++等高级编程语言进行编程。更重要的是，Mind+可以脱离计算机运行，让你摆脱计算机的束缚，改造真实世界，轻松体验创造的乐趣。
Mind+下载与安装Mind+具有良好的兼容性，它不仅支持在Windows操作系统、macOS及Linux操作系统上运行，还支持直接在浏览器中在线运行。本书中主要用的是在Windows操作系统上安装的Mind+编程软件。
进入Mind+官网首页，如图1-5所示，单击“立即下载”按钮进入软件下载页，再单击“Mind+客户端下载for Windows”后面的“立即下载”按钮，如图1-6所示，这样软件就会下载保存在计算机相应的位置。
图1-5
图1-6
你也可以通过浏览器直接访问Mind+历史版本下载页面，在该页面中选择“Mind+V1.8.1 RC3.0”版本。该版本提供Windows安装版和Windows免安装版两种下载链接，可供用户根据自身的实际需求选择相应的版本进行下载，如图1-7所示。
图1-7
注意，本书使用的是Mind+V1.8.1 RC3.0的安装版。
找到下载好的安装文件并双击执行，如图1-8所示。
图1-8
按照提示进行安装，在安装过程中可选择使用的语言，如图1-9所示，直到安装完成，如图1-10所示。
图1-9
图1-10
安装完成后，桌面上就会多出一个“Mind+”的图标，如图1-11所示，双击这个图标，就可以打开Mind+编程软件。
图1-11
Mind+工作界面Mind+共有3种工作模式，即实时模式、上传模式和Python模式。本书的所有项目均使用上传模式进行编程，在这种模式下，采用图形化编程编写好程序后，将其上传到行空板K10上，这样程序就可以脱离计算机，在行空板K10上单独运行。结合行空板K10板载摄像头、双降噪麦克风、温湿度传感器等硬件，学生可以轻松实现离线AI功能。
Mind+上传模式界面如图1-12所示。
（1）菜单栏：Mind+的菜单栏集成了核心功能入口。“项目”菜单，可用于管理文件与历史记录；“教程”菜单提供学习资源与案例；“连接设备”菜单实现硬件驱动管理与端口控制；“编辑”菜单可用于操作回退与性能调节；“模式切换”可供用户灵活选择编程交互方式即工作模式；“设置”按钮可供用户自定义主题、语言，并更新软件版本。
图1-12
（2）快捷工具区：“上传到设备”是Mind+在上传模式下的核心功能，它用于将编写好的程序（无论是图形化积木指令生成的代码还是手动编辑的代码）编译并烧录到连接的硬件主控板（如Arduino、行空板、掌控板等），使硬件脱离计算机独立运行。代码区显示切换功能用于控制代码区和串口监视区的显示或隐藏。编程语言选择功能用于选择编程使用的语言。
（3）积木指令区：Mind+的积木指令区是图形化编程的核心组件区，提供包括控制指令、运算符、变量管理及函数等的积木指令。用户通过拖拽、组合这些积木指令，可快速实现硬件控制、AI交互、物联网项目等创意作品的编程。
（4）扩展库：用于加载和管理硬件模块的核心功能入口，单击相应的按钮后，可在上传模式中选择主控板（如Arduino、行空板K10）及配套传感器模块（如舵机、超声波传感器等），系统会根据所选主控板自动筛选兼容的硬件，支持用户通过图形化积木指令直接调用硬件功能。
（5）图形化编程区：这里是让你像玩积木一样轻松控制硬件和实现AI功能的地方。用户通过拖拽图形化积木指令（如控制指令、传感器模块、AI功能积木指令等）进行编程，可快速搭建硬件交互逻辑（如控制RGB灯亮灭、实现人脸识别），并自动生成代码。尤其在上传模式下，可将程序烧录至行空板K10等硬件，使其独立运行。
（6）书包区：一个跨项目存储与复用编程积木指令的临时库，用户可将常用积木指令（如传感器控制逻辑或角色动画模块）拖至书包区暂存，在切换项目时直接拖出使用，避免重复编写。
（7）代码区：用于编写、调试及上传程序的区域。代码区提供了两种模式，即自动生成模式和手动编辑模式。自动生成模式是将图形化编程区中的图形化积木指令转换为代码，便于直观理解编程逻辑；手动编辑模式可供用户直接编写或修改代码，并配合串口监视区实时查看硬件数据、调试错误等。
（8）串口监视区：用于实时调试硬件与程序交互数据的区域，主要功能如下。数据监控，接收并显示传感器数值（如光照强度、温湿度）或硬件运行状态；指令交互，用户可通过输入框发送指令（如输入“1”表示点亮RGB灯、输入“0”表示关闭RGB灯）来直接控制硬件行为；调试辅助，在上传模式中检查程序的上传情况或错误等。
