◎湖南省常德芷蘭實(shí)驗(yàn)學(xué)校初三年級(jí) 鐵健申

本期點(diǎn)評(píng)專(zhuān)家

譚迪熬中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)院士專(zhuān)家咨詢工作委員會(huì)首任專(zhuān)家，中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)中小學(xué)創(chuàng)造教育分會(huì)會(huì)長(zhǎng)，科技創(chuàng)新教育特級(jí)教師，教育部國(guó)培計(jì)劃專(zhuān)家?guī)鞂?zhuān)家。

暑假的一天，因?yàn)樘鞖庋谉幔掖蜷_(kāi)了電風(fēng)扇，吹著吹著就覺(jué)得身體變得干燥，很不舒服。晚上睡覺(jué)時(shí)我忘記關(guān)電風(fēng)扇，第二天便感冒了。我想，能否利用AI技術(shù)發(fā)明一種電風(fēng)扇智能遙控器，解決目前風(fēng)扇不智能的問(wèn)題？

一、設(shè)計(jì)思路

我上網(wǎng)查詢資料后發(fā)現(xiàn)，市面上已有許多通過(guò)遙控控制的電風(fēng)扇，如臺(tái)式電風(fēng)扇、吊式電風(fēng)扇、霧化降溫電風(fēng)扇、無(wú)葉電風(fēng)扇等?？晌以O(shè)想的智能電風(fēng)扇是一款可以根據(jù)室內(nèi)和人體的綜合溫度自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉，且可以提供合適風(fēng)速的電風(fēng)扇。

我的設(shè)計(jì)思路是：在裝置前面板的正中央安裝紅外線感應(yīng)器，以感應(yīng)人體紅外線；左側(cè)安裝紅外測(cè)溫儀，以測(cè)量人體溫度；右側(cè)安裝溫濕度傳感器，以監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫度與濕度。

Arduino主控板將人體溫度，室內(nèi)溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算處理。當(dāng)室內(nèi)溫度高于某個(gè)數(shù)值時(shí)，在紅外線感應(yīng)到有人的情況下自動(dòng)啟動(dòng)電風(fēng)扇；當(dāng)室內(nèi)溫度低于某個(gè)數(shù)值時(shí)，在感應(yīng)無(wú)人的情況下自動(dòng)關(guān)閉電風(fēng)扇。在風(fēng)扇工作期間，還可根據(jù)溫度的平均值調(diào)節(jié)電風(fēng)扇的速度。

二、硬件組成

學(xué)習(xí)型智能風(fēng)扇遙控裝置的硬件部分主要由集成穩(wěn)壓電源模塊、Arduino系統(tǒng)板、學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射模塊、遠(yuǎn)紅外人體溫度檢測(cè)模塊、溫濕度傳感器模塊、語(yǔ)音播放模塊等組成。

1.系統(tǒng)供電

7800系列為正電壓輸出穩(wěn)壓器，其一般用法電路原理如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)就采用這種方法供電。220 V交流電經(jīng)降壓、整流濾波后輸出脈動(dòng)直流電壓，在LN7805的作用下輸出固定的5 V電壓。

圖1 系統(tǒng)總供電電路圖

2.Arduino系統(tǒng)板

Arduino是一款靈活的開(kāi)源電子平臺(tái)，包含Arduino板和Arduino IDE軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它使用類(lèi)似Java、C語(yǔ)言的Processing開(kāi)發(fā)環(huán)境，Arduino板可用于電路連接，Arduino IDE是程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。只要在IDE中編寫(xiě)程序代碼，將程序上傳到Arduino模塊，程序便會(huì)控制Arduino模塊完成相關(guān)任務(wù)。

3.學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射模塊

該模塊兼具紅外解碼、紅外編碼發(fā)射遙控的功能，兼容帶有紅外遙控功能的常用電器如空調(diào)、電視機(jī)、機(jī)頂盒、電風(fēng)扇等。通過(guò)串口接收指令，即可解碼紅外遙控器信號(hào)，并上傳解碼后的數(shù)據(jù)，在專(zhuān)用軟件上同步顯示紅外波形。解碼后的紅外信號(hào)被轉(zhuǎn)換為特定編碼，并通過(guò)串口輸出。

4.遠(yuǎn)紅外人體溫度檢測(cè)模塊

人體能發(fā)射8~14納米波長(zhǎng)的紅外線，檢測(cè)這種紅外線的變化并予以處理，啟動(dòng)其他設(shè)備工作，完成指定的任務(wù)，是人體熱釋電紅外傳感器及專(zhuān)用集成電路的主要功能。這種人體檢測(cè)技術(shù)既靈敏又準(zhǔn)確，國(guó)內(nèi)外已廣泛將其應(yīng)用于燈具、自動(dòng)門(mén)、門(mén)鈴等產(chǎn)品中。

5.溫濕度傳感器模塊

DHT11溫濕度傳感器是一款溫濕度雙輸出傳感器，并含有數(shù)字信號(hào)校準(zhǔn)輸出功能。它應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，有極高的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

DHT11溫濕度傳感器包括一個(gè)感濕元件、一個(gè)測(cè)溫元件和一個(gè)高性能8位單片機(jī)。該傳感器具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

6.語(yǔ)音播放模塊

語(yǔ)音播放模塊有9個(gè)直接觸發(fā)端口，分別為A1~A9，9個(gè)端口同時(shí)對(duì)應(yīng)9個(gè)音頻。觸發(fā)方式簡(jiǎn)單，如要播放第三個(gè)音頻，只需向A3端口提供一個(gè)50毫秒以上的低電平即可。

圖2 語(yǔ)音播放模塊

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)型智能風(fēng)扇遙控裝置的結(jié)構(gòu)及電路連接如圖3。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)與電路連接圖

四、軟件設(shè)計(jì)

1.主程序流程說(shuō)明

主程序流程通過(guò)主函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主函數(shù)的任務(wù)有：硬件初始化；相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與輸入；調(diào)用相關(guān)子函數(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)與輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如，在主函數(shù)中調(diào)用子函數(shù)，完成遙控指令的學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)的指令存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部，然后根據(jù)學(xué)習(xí)的命令執(zhí)行相關(guān)操作。

2.學(xué)習(xí)子函數(shù)程序說(shuō)明

硬件初始化：根據(jù)硬件的使用情況，在軟件上對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的初始化，以便后面的程序調(diào)用。初始化工作主要包括學(xué)習(xí)指令代碼數(shù)組和學(xué)習(xí)指令的串口發(fā)送設(shè)置。

語(yǔ)音初始化：主要是將語(yǔ)音轉(zhuǎn)化為程序可識(shí)別的代碼，方便用戶根據(jù)語(yǔ)音提示進(jìn)行相關(guān)遙控指令的學(xué)習(xí)。

3.多組數(shù)據(jù)協(xié)同控制程序設(shè)計(jì)思想

由于居家環(huán)境復(fù)雜，單一數(shù)據(jù)很難實(shí)現(xiàn)電風(fēng)扇的精確操控，所以多數(shù)據(jù)的協(xié)同控制就顯得尤為重要。本裝置采集人體熱釋紅外信號(hào)和室內(nèi)溫濕度、人體溫度等信息，將幾種數(shù)據(jù)分別儲(chǔ)存，綜合考量，協(xié)同處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有遙控風(fēng)扇的智能控制。

五、樣機(jī)測(cè)試

操作方法：在使用前先進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，按裝置面板上的學(xué)習(xí)按鍵進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，根據(jù)提示音學(xué)習(xí)遙控指令。待學(xué)習(xí)完所有操作指令后退出學(xué)習(xí)模式。然后將遙控風(fēng)扇接入220 V電源上，人站在裝置的正前方，裝置自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前溫濕度、有無(wú)人體靠近等相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的條件自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉風(fēng)扇。

通過(guò)樣機(jī)測(cè)試可知，本裝置具有節(jié)約電能、凈化空氣、降溫避暑的作用，它能為使用者提供適宜的室內(nèi)溫濕度，有益于人體健康，有很大的發(fā)展前景。

圖4 裝置實(shí)物圖

當(dāng)然，該裝置也有一些不盡人意的地方。如人體熱釋電紅外傳感器受陽(yáng)光或熱源的影響，易致操作失誤；紅外感溫探頭會(huì)因人坐與躺的位置變化造成數(shù)據(jù)的偏移，影響控制精度。入本裝置，再通過(guò)程序?qū)﹄婏L(fēng)扇進(jìn)行智能控制，滿足不同遙控電風(fēng)扇的需求，市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景良好。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

1.利用室內(nèi)和人體綜合溫度平均值的變化，實(shí)現(xiàn)電風(fēng)扇自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉，還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電風(fēng)扇的速度，使其保持在讓人舒適的范圍。為電風(fēng)扇的自動(dòng)控制提供了新的思路與方法。

2.遙控器學(xué)習(xí)兼發(fā)射模塊的綜合應(yīng)用，可將任何電風(fēng)扇遙控器信號(hào)存

七、收獲與感受

在作品的研究和制作過(guò)程中，得益于老師的悉心指導(dǎo)，我的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力都有了質(zhì)的提高。

科技創(chuàng)新活動(dòng)增長(zhǎng)了我的見(jiàn)識(shí)，開(kāi)拓了我的視野，豐富了我的思想。衷心感謝一直陪伴我成長(zhǎng)、給我真誠(chéng)鼓勵(lì)的老師和同學(xué)，還有一直默默為我付出的爸爸媽媽?zhuān)x謝你們！

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

“學(xué)習(xí)型智能風(fēng)扇遙控裝置”是一項(xiàng)來(lái)源于生活的集成式創(chuàng)新項(xiàng)目。作者的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新欲望強(qiáng)烈，對(duì)人工智能技術(shù)應(yīng)用嫻熟，作品能達(dá)到其創(chuàng)新設(shè)計(jì)所要達(dá)成的目標(biāo)。

從作品完成的過(guò)程可以看出，該作品對(duì)于一名初中生來(lái)說(shuō)難度不小。正因?yàn)槿绱?，特提出幾點(diǎn)建議：其一，開(kāi)展青少年科技實(shí)踐活動(dòng)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)人的成長(zhǎng)為基礎(chǔ)。在闡述研究過(guò)程中的技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，還應(yīng)就這項(xiàng)技術(shù)獲得的途徑作少許表述。如果作者一時(shí)無(wú)法掌握所應(yīng)用的技術(shù)，可向相關(guān)技術(shù)人員、老師、家長(zhǎng)或同學(xué)求助，并在項(xiàng)目中寫(xiě)明相關(guān)情況，以培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科研品格。其二，在項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)的提煉方面還要進(jìn)一步下功夫。創(chuàng)新點(diǎn)不是項(xiàng)目所達(dá)到的使用效果或目標(biāo)，而是為達(dá)到其設(shè)計(jì)要求所采用的新技術(shù)、新方法或新結(jié)構(gòu)等。其三，應(yīng)從科學(xué)性與準(zhǔn)確性等方面確定項(xiàng)目名稱(chēng)，概括項(xiàng)目的內(nèi)涵，不要讓人產(chǎn)生項(xiàng)目名稱(chēng)與項(xiàng)目功能不一致的誤會(huì)。