本期點評專家

譚迪熬" 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

夏天天氣熱，風(fēng)扇是常用的降溫工具。

一天，我打開風(fēng)扇，風(fēng)扇只對著我吹，卻吹不到坐在沙發(fā)上看書的爸爸。我將風(fēng)扇調(diào)到搖頭模式，風(fēng)扇頭左右轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度約為180°，而我、風(fēng)扇和爸爸的夾角不到60°，雖然風(fēng)扇的風(fēng)能吹到我和爸爸，但只是掃過，未在身上停留。也就是說，大部分風(fēng)都在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動過程中損耗了。

有一次，我晚上忘記關(guān)風(fēng)扇，第二天起床發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇還在工作，竟然空吹了一整晚。

我決定發(fā)明一種智能風(fēng)扇系統(tǒng)，讓風(fēng)扇具備“大腦”“眼睛”和“腳”等，方便高效地為人們吹風(fēng)降溫。

基本功能：

當(dāng)風(fēng)扇前只有一個人時，風(fēng)扇會跟著人轉(zhuǎn)——風(fēng)扇上的攝像頭識別人臉，并控制風(fēng)扇底部的電動轉(zhuǎn)盤，使風(fēng)扇對準(zhǔn)人臉。當(dāng)人移動時，攝像頭會迅速識別新位置，并驅(qū)動電動轉(zhuǎn)盤實時跟隨。

當(dāng)風(fēng)扇前有多人時，智能風(fēng)扇系統(tǒng)能同時識別所有人，風(fēng)扇按每人5秒時間平均分配風(fēng)量，實現(xiàn)“爸爸媽媽吹三擋，爺爺吹二擋，兒童吹一擋”的靈活吹風(fēng)方式。在面對人與人之間時，風(fēng)扇只轉(zhuǎn)動不吹風(fēng)。如果中途有人離開或者加入，智能風(fēng)扇系統(tǒng)會重新分配時間和風(fēng)量。

人來開機，人走關(guān)機。一旦有人進入攝像頭范圍（角度200°、距離3米的扇形區(qū)域），攝像頭識別出人，風(fēng)扇會開機并根據(jù)預(yù)設(shè)值調(diào)整風(fēng)速。人離開后，攝像頭識別不到人臉，風(fēng)扇立刻關(guān)閉。

制作過程：

1.測試和準(zhǔn)備

我拿書桌上的小風(fēng)扇進行測試：拆開背板，把開關(guān)線引出來，用單路繼電器控制。這臺風(fēng)扇用的是USB 5 V電源，可以通過繼電器順利地開關(guān)。

考慮到家用的風(fēng)扇有3個擋位和電動轉(zhuǎn)盤要控制，需要更多的繼電器，因此我選用8路繼電器。

接著，我購買4K攝像頭（最大分辨率為3840×2880，廣角80°，自動對焦）、12 V電動轉(zhuǎn)盤（轉(zhuǎn)速為10秒/圈，載重15 kg）、8路USB繼電器和433MHN無線收發(fā)模塊等元器件。

2.連接硬件

我把風(fēng)扇的擋位按鍵拆除，在風(fēng)扇上方安裝攝像頭并連接電腦，在風(fēng)扇下方安裝電動轉(zhuǎn)盤，將電動轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)開關(guān)引線出來，與8路繼電器連接，再將電腦與8路繼電器連接。

8路繼電器分配如下：1路用于風(fēng)扇開關(guān)；2、3、4路替代風(fēng)扇的擋位按鍵，用于風(fēng)扇調(diào)速；5路用于轉(zhuǎn)盤開關(guān)；6、7路用于控制轉(zhuǎn)盤左右轉(zhuǎn)動方向；8路未用。

風(fēng)扇對準(zhǔn)目標(biāo)后，5路繼電器關(guān)閉，轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動。5秒后，5路繼電器打開，風(fēng)扇恢復(fù)轉(zhuǎn)動。

之后，我在攝像頭上加裝一個0.45X廣角鏡頭，在鏡頭上方安裝一個遮光罩，用于過濾無用環(huán)境光線，提高識別率。

3.模型識別

我使用PyCharm在Python 3.10環(huán)境下，先用OpenCV庫調(diào)用攝像頭獲取當(dāng)前風(fēng)扇正面的圖像，檢測到人臉位置信息，然后使用Dlib庫提供的人臉識別模型以及MySQL庫存儲的人臉特征點信息進行人臉身份識別，根據(jù)人臉坐標(biāo)得到角度，計算出轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時間，然后依次對人臉吹風(fēng)。參考CSDN網(wǎng)代碼進行調(diào)試。

測試與訓(xùn)練：

1.攝像頭人臉識別測試

我將自己和爸爸、媽媽、老人和小孩的照片作為人臉樣本，把照片擺放在椅子上，然后用攝像頭進行識別，并驅(qū)動電動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動風(fēng)扇，測試風(fēng)扇前有多人的模式功能。

風(fēng)扇不僅能識別人臉，還能根據(jù)提前錄入數(shù)據(jù)庫里的人臉信息識別出是誰，然后調(diào)整風(fēng)量和風(fēng)速。

我用紙張把其中幾張照片蓋上，攝像頭發(fā)現(xiàn)有人離開，風(fēng)扇立即做出相應(yīng)的調(diào)整。

2.訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)

系統(tǒng)在識別人臉時會出現(xiàn)識別不準(zhǔn)的問題。通過查找資料，我發(fā)現(xiàn)開發(fā)軟件開發(fā)初期是以歐美人臉型為人臉識別預(yù)訓(xùn)練模型，對亞洲人臉的識別率不高。

于是，我安裝使用軟件工具Imglab，用“68個特征點”法對人臉進行標(biāo)識，生成自己的臉的數(shù)據(jù)集。之后，我標(biāo)識其中的10張人臉圖片，生成模型文件，發(fā)現(xiàn)識別率提高了。

依照這種方法，我建立人臉數(shù)據(jù)集，對系統(tǒng)進行人臉識別訓(xùn)練，提高人臉識別率。

實地試用：

我將智能風(fēng)扇系統(tǒng)安放在廈門一家醫(yī)院負三層地下車庫洗衣房中進行試用。現(xiàn)場溫度為29.6 ℃，濕度為55%，光線一般。

智能風(fēng)扇系統(tǒng)工作了約20分鐘，所有功能均實現(xiàn)：

1.阿姨們在工作桌前來回走動，人數(shù)從1名到5名來回變化，智能風(fēng)扇系統(tǒng)不停地識別人數(shù)和人員位置變化，電動轉(zhuǎn)盤不斷轉(zhuǎn)動，智能風(fēng)扇系統(tǒng)能準(zhǔn)確地把風(fēng)吹到每個阿姨身上。

2.智能風(fēng)扇系統(tǒng)搖頭功能正常，風(fēng)扇能對準(zhǔn)人體，平均分配停留時間和風(fēng)量。

3.人員離開后，風(fēng)扇不在該空位停留，直接跳過，避免空吹。

4.風(fēng)扇在面對兩個阿姨之間時，只轉(zhuǎn)動不吹風(fēng)，節(jié)約能源。

應(yīng)用推廣：

智能風(fēng)扇系統(tǒng)能用在不同的家用電器上。比如，冬天，將智能風(fēng)扇系統(tǒng)的風(fēng)扇換成取暖機，可實現(xiàn)智能取暖。針對類似壁掛式空調(diào)這種大家電，加裝適合的通風(fēng)管道配件，也可以實現(xiàn)空調(diào)智能化改造。

作品創(chuàng)新點：

1.在不更換現(xiàn)有風(fēng)扇的條件下，實現(xiàn)對傳統(tǒng)風(fēng)扇無損智能化改造。

2.模塊化設(shè)計，能在大部分家用電器上使用。

3.單人實時跟蹤，多人分配風(fēng)量。人來開機，人走關(guān)機，節(jié)能減耗。

4.針對中國人臉型，利用機器學(xué)習(xí)的方式進行人臉識別：通過大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)“教”會機器識別中國人人臉，提高人臉識別率。

（指導(dǎo)老師：呂章雯）

專家點評

蘇硯一同學(xué)的基于人臉識別技術(shù)追蹤降溫的智能風(fēng)扇系統(tǒng)，是一件由一位初中生完成、頗具一定新技術(shù)支撐的創(chuàng)客作品。這個作品的出現(xiàn)，很好地詮釋了“創(chuàng)意—物化—分享”的創(chuàng)客理念。這個作品的產(chǎn)生過程，充分體現(xiàn)蘇硯一同學(xué)對創(chuàng)新的追求及創(chuàng)新實踐的熱情。通過這個項目的實施，蘇硯一同學(xué)的新技術(shù)學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力、利用跨學(xué)科知識解決問題的能力等，一定有實質(zhì)性的提升，值得大家推崇。

應(yīng)特別指出的是，當(dāng)前，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力是推動高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求和重要著力點，新質(zhì)生產(chǎn)力的特點是創(chuàng)新，而創(chuàng)新驅(qū)動的實質(zhì)是人才驅(qū)動，人才才是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、推動高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐。國家的發(fā)展靠人才，民族的振興靠人才。所以，同學(xué)們要通過科技創(chuàng)新實踐活動，大力弘揚“愛國、創(chuàng)新、求實、奉獻、協(xié)同、育人”的中國科學(xué)家精神，涵養(yǎng)自己的家國情懷，立志成長為國家和民族需要、能為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力作出貢獻的拔尖創(chuàng)新人才。