疲勞駕駛AI提醒器

宋秀雙 河北省張家口市涿鹿縣涿鹿中學信息技術教師，曾榮獲張家口市信息技術教學新星、張家口市學科帶頭人等稱號。所做課程榮獲河北省“優秀示范課”，輔導的學生曾獲“童創未來”全國青少年人工智能創新挑戰賽金獎、河北省第五屆中小學教育機器人暨創客競賽創客項目高中組一等獎。

教學背景

汽車在給我們帶來方便的同時，也帶來了隱藏的危險。我國現有的汽車保有量約為3億輛，在這么龐大的車輛數目面前，交通事故也是頻頻發生。其中，因為疲勞駕駛所引發的車禍數不勝數。因此，本節課帶領學生制作一個疲勞駕駛AI提醒器，期望能在駕駛員因疲憊困倦而打瞌睡時，第一時間響鈴或亮燈示警，避免更多交通事故的發生，保障生命安全。

教學目標

1.學會在Mind+的Python模式下，安裝pinpong庫、face_recognition人臉識別庫;

2.掌握EAR人眼疲倦檢測開源算法，應用數學兩點距離公式;

3.利用face_recognition人臉識別庫獲取人眼坐標，感受人工智能;

4.學會在Mind+的Python模式下，通過編程實現pinpong庫與micro：bit通信，掌握用Python代碼給各種常見的開源硬件編程的方法。

5.學會積極觀察身邊發生的事情并發現問題，然后從中找到解決問題的辦法，在生活中養成良好的安全意識。

教學重點與難點

教學重點 EAR人眼疲倦檢測開源算法原理及其使用方法。

教學難點 實現pinpong庫與micro：bit通信。

教學過程

一、情境導入

師：貨車司機趙某2021年8月3日上午從山東出發前往陜西送貨，連續駕車13個小時，嚴重疲勞駕駛的趙某不由得打起瞌睡，導致貨車失控，撞上護欄。同學們坐車時有沒有發現司機疲勞駕駛呢？你當時是怎么做的？

學生思考、回答。

師：對，我們發現后應及時提醒司機停車休息，避免發生交通事故。有沒有更智能的方法來解決這個問題呢？我們可以用攝像頭來監控司機的眼睛，利用人工智能算法判斷司機是否瞌睡，并進行語音提醒。今天老師就帶領大家使用攝像頭和micro：bit擴展板制造出一臺疲勞駕駛AI提醒器。

二、知識講授

（一）EAR人眼疲倦檢測開源算法

EAR（eye aspect ratio）計算函數是指利用眼睛縱橫比，判斷眼睛是睜開的還是閉合的，從而檢測眨眼動作，判斷人是否疲勞。首先需要確定眼睛的位置，在確定眼睛位置之后，選擇6個點來表示眼睛，然后順時針繞著眼睛進行編號，編號的順序是從眼睛的左角開始，如圖1所示。

根據這6個點，我們便可以判斷眼睛睜開和閉合的狀態。當眼睛睜開的時候，上圖中豎著的黃色箭頭相對比較長，而眼睛閉合（疲勞狀態）時，這個箭頭就會變短。由于觀看的距離不同，單純用高度來表示狀態缺少參考比較，因此提出如下公式表示眼睛的狀態：

EAR=

點間距離的計算可參考數學課上學過的兩點間距離公式：

AB=

通過大量測試，分析統計結果發現，一般當EAR小于0.25時，眼睛便是疲勞狀態。

（二）face_recognition人臉識別庫

師：face_recognition是世界上最簡單的人臉識別庫，通過Python語言或命令行對圖像進行人臉識別操作。它使用Dlib最先進的人臉識別技術構建而成，并具有深度學習功能。

首先打開Mind+軟件，選擇Python模式中“庫管理”的“PIP模式”安裝face_recognition人臉識別庫，然后再去識別人臉關鍵點。使用電腦內置攝像頭加載圖像后，face_recognition庫中相關函數可識別出人臉關鍵點信息，參數是加載的圖像image，返回值是包含面部特征字典的列表，列表中每一項對應一張人臉，包括鼻子、眼睛、嘴唇、下巴等部分的信息，每個部分包含若干個特征點，總共有68個特征點。列表長度就是圖中識別出的人臉數。

教師講解并演示識別結果。

（三）程序編寫

1.提取兩眼坐標并計算眼睛縱橫比

每只眼需要提取6個輪廓坐標點，共12個。EAR計算函數方程的分子是垂直眼睛標志之間的距離，而分母是水平眼睛標志之間的距離，由于水平點只有一組，卻有兩組垂直點，所以分母乘以2，以保證兩組特征點的權重相同。

2.判斷是否處于瞌睡狀態

分別計算兩眼EAR值，然后取平均值，增加可信度。當平均值小于限定的閾值時，判定為閉眼一次;若長時間閉眼（大于2秒）時，判定為司機瞌睡。使用EAR算法，可避免人眼在圖像中近大遠小而產生的影響。

教師重點講解使用平均值的意義、閾值的反復調試，并進行演示操作，如圖2。

學生練習并反復調試，設定合理閾值。

三、硬件組裝與測試

（一）組裝硬件

連接組裝OLED顯示屏、喇叭、錄放模塊、LED燈、micro：bit擴展板等設備。教師講解每個硬件的作用，演示組裝過程。

學生以6人為小組，進行分工設計組裝。

（二）硬件測試

1.pinpong庫測試顯示屏

使用micro：bit主控板加擴展板，OLED顯示屏連接在IIC接口上。安裝pinpong庫，教師帶領學生進行顯示屏測試，編寫測試代碼讓顯示屏顯示“Hello PinPong”，如圖3。

學生可自行設計，顯示不同的內容。

2.pinpong庫測試LED燈

將LED燈接在擴展板的P12引腳上，編寫測試程序實現LED燈1秒閃爍1次。測試代碼如下。

import time

from pinpong.board import Board，Pin

Board（"microbit"）.begin（） #初始化，選擇板型和端口號，不輸入端口號則進行自動識別

led=Pin（Pin.D12， Pin.OUT） #引腳初始化為電平輸出

k=0

while True：

k=1-k

led.value（k）? ?#閃燈

time.sleep（1）? #等待1秒 保持狀態

教師講解程序代碼，并說明如何實現LED燈循環閃爍。

學生在掌握基本方法后，可小組討論，利用其他方法實現LED燈閃爍。

3.pinpong庫測試錄放模塊

錄音模塊接在擴展板的P14引腳上。測試代碼如下。

import time

from pinpong.board import Board，Pin

Board（"microbit"）.begin（） #初始化，選擇板型和端口號，不輸入端口號則進行自動識別

sound = Pin（Pin.P14， Pin.OUT）? #引腳初始化為電平輸出

while True：

sound.value（1）? #輸出高電平

time.sleep（0.1）? #等待0.1秒 保持狀態

sound.value（0）? #輸出低電平

time.sleep（3）? #等待3秒 保持狀態

學生自己錄制“提醒音”，并進行測試。

師：通過以上講解，請同學們整合一下各個分解任務的程序，形成完整程序。

學生組內明確分工，合作完成任務。學生小組討論，不斷地調試、修正、完善程序，并在此過程中培養溝通、團結合作的能力。（完整代碼掃描二維碼獲取）

四、拓展與提升

師：其實，我們生活中有很多場合都需要注意及時休息或提高注意力，如長時間加班工作、上網課時……怎樣在我們疲勞瞌睡時，有一個更有效的提醒方式？請根據本節課所學的教學內容，使用如樹莓派、熊貓板等制作一款疲勞AI提醒器，并嘗試改進它的不足之處。

教學反思

本課通過制作疲勞駕駛AI提醒器，讓學生學會觀察生活，發現生活中經常遇到的問題，然后通過學習新的技術尋找解決問題的方法。本課例是一個綜合性項目，不僅有開源硬件和開源算法的運用，還涉及人工智能，既培養了學生的思維能力，又培養了學生使用新技術解決實際問題的能力，提升了學生的綜合素質。

（本課件由DF創客社區推薦）