普通高中简单人工智能应用系统研究

浙江省丽水第二高级中学 金 松 胡艳俐 严丽红 李初升

现实生活中，我们能够接触到的人工智能应用越来越多，扫码支付、机器换人等，极大方便了人们的生活。世界上第一位取得公民身份的机器人索菲娅的诞生，AlphaGo 以绝对优势战胜人类围棋世界冠军，据说AlphaGo的升级产品AlphaGo Zero 自学了三天后，又以100：0 战胜了AlphaGo……所有这些，都说明人工智能就在我们身边。教育部在新版高中信息技术课程标准中增加“人工智能初步”，要求学生在高中阶段就要对人工智能有一定的了解。本文结合具体实例，对如何开展简单人工智能应用进行研究，以期对教学有一定的启示。

一、研究的目的

人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术，近年来，人工智能的发展呈现出深度学习、跨界融合、人机协同等新特征。2017 年，国务院发布的“新一代人工智能发展规划”中指出，人工智能发展进入新阶段，将成为国际竞争的新焦点和经济发展的新引擎，并带来社会建设的新机遇和新挑战。根据规划要求，到2020 年，人工智能总体技术和应用将与世界先进水平同步，到2025 年，人工智能基础理论将实现重大突破，到2030 年，人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平。

《教育信息化2.0 行动计划》提出“完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容”，表明从国家层面对人工智能进入中小学教育有了明确的要求。

教育部发布的《2017 年版普通高中信息技术课程标准》（简称“新课标”）中，将“人工智能初步”作为选择性必修内容。通过本模块内容的学习，可以让学生对人工智能的发展以及实现过程有所了解；通过亲身体验简单人工智能系统的搭建，增强利用智能技术服务人类发展的责任感。

二、研究的意义

通过参与简单人工智能应用系统研究，可以让学生对人工智能的概念与基本特征有一个初步了解，知道人工智能的发展历程、典型应用与趋势；通过剖析具体案例，了解人工智能的核心算法，理解人工智能技术实现的原理；可以利用开源人工智能应用框架，搭建出简单的人工智能应用系统；通过参与智能系统的应用体验，辩证认识人工智能对社会发展的价值和潜在的威胁，自觉维护和遵守人工智能社会化应用的规范与法规。

三、如何开展研究

根据新课标，普通高中开展人工智能初步模块的学习，要使学生达到“能描述人工智能的基本特征，会利用开源人工智能应用框架，搭建简单智能系统”这一目标，培养学生的计算思维。根据这一培养目标，结合当前生活中常见的诸如“小米AI 音箱”等智能设备，本文将结合开源硬件设备，阐述搭建一个简单的通过语音控制智能插座、开关的人工智能系统过程。

（一）硬件设备的选取

根据需达到的研究效果，选取WEGASUN-M6 语音交互模块，结合智能插座、开关来完成。该模块是一款集语音识别、语音合成、语音点播、射频功能、红外功能于一体的多功能模块。为了搭建这一套简单的智能家居系统，需用到核心版1块、底板1块、USB 设置器1 只、喇叭1 只、射频+红外模块1 套、射频天线1 根。

（二）设置简单对话

通过设置“识别词条”和“反馈语文本”，快速实现对话效果。所谓“识别词条”，是指智能模块能够识别的语音文本；“反馈语文本”是指智能模块根据识别词条做出的回应。

1.特定唤醒模式

主要通过两步操作来完成，具体操作步骤如下。（1）设置识别词条：选择串口号—打开串口—更新识别词条—设定内容—发送，如果显示返回值为“OK02”，则说明识别词条设置成功；（2）设置反馈语文本：更新反馈语文本—设定内容—发送，如果显示返回值为“OK13”，则说明反馈语设置成功。

分别设置好“识别词条”和“反馈语文本”后，就可进行简单的对话了。这一环节要特别注意以下两点：首先，要确保COM 口要和电脑的设备管理器中的USB 设置器的COM 口一致；其次，确保词条格式书写正确，特别要注意口令词条中001 和002 的前面要有空格、后面要有“｜”。

2.对话模式

如果觉得每次要通过呼唤识别词条来唤醒智能模块很麻烦，也可以将其设置成对话模式，就好像我们平时对话一样。具体操作如下：指令—选项设置—识别模式，在代码框输入“@AsrMode#1$”，点击发送，如果显示返回值为“OK17”，则表示对话模式设置成功了。

但是对话模式的工作方式是模块时刻对环境中口令词条进行识别操作，较容易造成误识别。如果要提高识别率，那么还是使用“特定唤醒模式”或“自定义唤醒模式”，因为这两种模式都会对口令进行过滤，能大大降低误识别的概率，保证识别效果。

3.自定义唤醒模式

如果觉得“特定唤醒模式”太单调，“对话模式”又容易误判，那么就可以尝试“自定义唤醒模式”，具体操作如下：指令—选项设置—4 字自定义唤醒词，在指令窗口输入相应词条，比如要通过“二丫”来唤醒，可以输入“@wakeword#二丫二丫$”，点击发送。如果设置成功，那么会返回信息“OK20”。

4.调用语音文件设置反馈语

如果觉得系统提供的反馈语文本太单调，还可以通过设置文本来完成，以及调用TF 卡中的语音文件。具体操作过程如下：（1）将语音文件如“泡沫.mp3”复制到TF 卡，并更改文件名如“0002.mp3”；（2）将TF 卡插入模块后，重新设置反馈语词条，若发送后返回值为“OK13”，则表示设置成功。

这里有两个地方要特别注意，一是TF 卡中的文件名要设成四位数，二是文件扩展名一定要小写，否则无法读取。

5.利用词条缓冲区实现多词条调用

在使用@WriteKeywords#进行词条设置时，最多只能设置3500 字节（约1750 个字）内容。如果需要设置更多词条，可以使用“词条缓冲区”指令进行设置，最多可以设置50 组词条缓冲，每组可以设置3500 字节内容。要特别注意，词条总数不能超过2000 句。具体操作步骤如下：（1）指令—内容更新—写词条缓冲区—编写指令—发送，若返回值为“OK01”，则表示设置成功了；（2）指令—内容更新—上传词条缓冲区内容—发送。

如果有多组词条缓冲，那么就需要分别设置好点击发送按钮后才能进行第（2）步，且发送过程中不能发送其他指令，否则会清除缓冲区。

6.调用记事本设置多个指令

除了手动设置词条外，还可以通过记事本，一次性对多个功能进行设置。首先创建一个记事本文件（注意要关闭自动换行功能）。一条指令书写结束才能回车换行，每条指令间最好加几个回车换行，因为模块执行指令需要时间，有些指令甚至需要好几秒才能执行完成。记事本文件设置好后，点击“调用记事本设置”，打开相应文件发送后，如果相应显示“OK20”“OK17”“OK02”“OK13”，表示设置成功，就可和模块进行语音对话。

（三）通过语音控制智能插座

要想通过语音控制插座，那么这个插座要具有“配对”功能，具体方法如下。

（1）首先通过“调用记事本设置”设置好词条和反馈语文本，然后编辑好配对文件，例如分别输入“@Send2262RF315mhz#001$”“@Send2262RF315mhz#002$”， 其 中001、002 分别对应相应的反馈语；（2）开启315Mhz 射频信号发送功能：指令—RF射频设置—315Mhz 射频发送使能—@Enble315RF#N$；（3）使用“调用记事本设置”和插座进行信号配对，完成后就可以通过语音控制插座的开与关。

（四）通过语音控制智能开关

实现通过语音控制开关的方法和语音控制插座类似，只是要将LV 无线开关接进原来的开关里，然后对LV 开关进行学习配对就可以了。具体方法如下。

（1）通过设置软件开启模块的315Mhz 射频信号发送功能；（2）在将LV 无线开关接好后，在“灯熄灭”的状态下长按学习键3 秒钟进入学码模式（此时指示灯一下一下地闪），再按一下学码键（此时指示灯两下两下地闪），表示进入设置“开”的配对状态；（3）在LV 无线开关进入“开”配对状态的时候，在设置软件中设置“开”编码的信号配 对：@Send2262RF315mhz#001$—@Send2262RF315mhz#001$— 点 击“ 发送”；（4）在“灯熄灭”的状态下长按学习键3 秒钟进入学码模式（此时指示灯一下一下地闪），再按两下学码键（此时指示灯三下三下地闪），表示进入设置“关”的配对状态；（5）在LV无线开关进入“关”配对状态的时候，在设置软件中设置“关”编码的信号配对：@Send2262RF315mhz#002$—点击“发送”。

（五）通过语音控制继电器

若要识别多路设备，则需要通过继电器来访问，并且可以根据实际需要，对多个继电器进行连接来实现。具体设置方法如下。

（1）通过“调用记事本设置”设置好词条和反馈语文本；（2）设置模块的返回值格式为“自定义返回值输出”：@AsrReturn#0$—@AsrReturn#0$—点击“发送”，若返回ok16，则表示ok16 说明设置成功；（3）设置语音识别模块的返回值和相应继电器的控制指令：更新自由编辑的返回值—@FreeEditReturn#|001 FF010102ee|002 FF010001EE$—点击“发送”；（4）将USB 模块拔出，将语音识别模块接到继电器模块上。

（六）通过语音智能控制窗帘

窗帘的打开、关闭、暂停，也可以通过语音来控制，当然前提是要选用具备特定功能的电机，如杜亚KT320窗帘机。具体配置如下。

（1）通过“调用记事本设置”设置好词条和反馈语文本，并且开启射频433 信号发送功能和杜亚编码绑定功能；（2）长按窗帘机学习键3 秒，看到绿灯亮起来，表示窗帘机进入配对状 态：@SendDooYaRF433mhz#009$—@SendDooYaRF433mhz#012$— 点 击 两次“发送”；（3）设置完成后，当给出“打开”命令时，则电机正转；当给出“关闭”命令时，则电机反转；当给出“停止”命令时，则电机停止转动。

（七）通过语音控制红外设备

另外，此模块如果配备“RFRI-M1模块”，还可以控制红外设备，如电视、空调等的运行和停止。红外信号又分两种：单码和双码。比如空调、电视的开关按钮是按一下开启，再按一下关闭，一个键代表两个红外信号，这就叫双码。而如果一个键只对应一个红外信号，则称为单码。单码和双码的配对方法基本相同，只是词条返回值的取值范围不同而已。单码返回值为100—207，共108 组；双码的返回值为208—243，共36 组。

综上所述， “人工智能初步”是为学生个性化发展而设计的课程，虽然对高中阶段的教学不一定有实际意义，但是能够对学生升学或者是就业有一定的帮助，可以让学生初步了解和体验人工智能的特点，感受智能技术对生活和学习带来的影响，进一步激发他们学习和探究新技术、新知识的积极性，提高信息技术应用能力，提升核心素养的养成。