學習型智能風扇遙控裝置

本期點評專家

譚迪熬" 中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。

暑假的一天，因為天氣炎熱，我打開了電風扇，吹著吹著就覺得身體變得干燥，很不舒服。晚上睡覺時我忘記關電風扇，第二天便感冒了。我想，能否利用AI技術發明一種電風扇智能遙控器，解決目前風扇不智能的問題？

一、設計思路

我上網查詢資料后發現，市面上已有許多通過遙控控制的電風扇，如臺式電風扇、吊式電風扇、霧化降溫電風扇、無葉電風扇等。可我設想的智能電風扇是一款可以根據室內和人體的綜合溫度自動打開或關閉，且可以提供合適風速的電風扇。

我的設計思路是：在裝置前面板的正中央安裝紅外線感應器，以感應人體紅外線;左側安裝紅外測溫儀，以測量人體溫度;右側安裝溫濕度傳感器，以監測室內的溫度與濕度。

Arduino主控板將人體溫度，室內溫度、濕度等數據進行綜合運算處理。當室內溫度高于某個數值時，在紅外線感應到有人的情況下自動啟動電風扇;當室內溫度低于某個數值時，在感應無人的情況下自動關閉電風扇。在風扇工作期間，還可根據溫度的平均值調節電風扇的速度。

二、硬件組成

學習型智能風扇遙控裝置的硬件部分主要由集成穩壓電源模塊、Arduino系統板、學習型紅外發射模塊、遠紅外人體溫度檢測模塊、溫濕度傳感器模塊、語音播放模塊等組成。

1.系統供電

7800系列為正電壓輸出穩壓器，其一般用法電路原理如圖1所示，本實驗樣機就采用這種方法供電。220 V交流電經降壓、整流濾波后輸出脈動直流電壓，在LN7805的作用下輸出固定的5 V電壓。

2.Arduino系統板

Arduino是一款靈活的開源電子平臺，包含Arduino板和Arduino IDE軟件開發平臺。它使用類似Java、C語言的Processing開發環境，Arduino板可用于電路連接，Arduino IDE是程序開發平臺。只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino模塊，程序便會控制Arduino模塊完成相關任務。

3.學習型紅外發射模塊

該模塊兼具紅外解碼、紅外編碼發射遙控的功能，兼容帶有紅外遙控功能的常用電器如空調、電視機、機頂盒、電風扇等。通過串口接收指令，即可解碼紅外遙控器信號，并上傳解碼后的數據，在專用軟件上同步顯示紅外波形。解碼后的紅外信號被轉換為特定編碼，并通過串口輸出。

4.遠紅外人體溫度檢測模塊

人體能發射8～14納米波長的紅外線，檢測這種紅外線的變化并予以處理，啟動其他設備工作，完成指定的任務，是人體熱釋電紅外傳感器及專用集成電路的主要功能。這種人體檢測技術既靈敏又準確，國內外已廣泛將其應用于燈具、自動門、門鈴等產品中。

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，并含有數字信號校準輸出功能。它應用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，有極高的可靠性與長期穩定性。

DHT11溫濕度傳感器包括一個感濕元件、一個測溫元件和一個高性能8位單片機。該傳感器具有響應快、抗干擾能力強、性價比高的優點。

6.語音播放模塊

語音播放模塊有9個直接觸發端口，分別為A1～A9，9個端口同時對應9個音頻。觸發方式簡單，如要播放第三個音頻，只需向A3端口提供一個50毫秒以上的低電平即可。

三、結構設計

學習型智能風扇遙控裝置的結構及電路連接如圖3。

四、軟件設計

1.主程序流程說明

主程序流程通過主函數實現，主函數的任務有：硬件初始化;相關數據的監測與輸入;調用相關子函數，對監測與輸入的數據進行處理。例如，在主函數中調用子函數，完成遙控指令的學習，將學習的指令存儲在芯片內部，然后根據學習的命令執行相關操作。

2.學習子函數程序說明

硬件初始化：根據硬件的使用情況，在軟件上對其進行相應的初始化，以便后面的程序調用。初始化工作主要包括學習指令代碼數組和學習指令的串口發送設置。

語音初始化：主要是將語音轉化為程序可識別的代碼，方便用戶根據語音提示進行相關遙控指令的學習。

3.多組數據協同控制程序設計思想

由于居家環境復雜，單一數據很難實現電風扇的精確操控，所以多數據的協同控制就顯得尤為重要。本裝置采集人體熱釋紅外信號和室內溫濕度、人體溫度等信息，將幾種數據分別儲存，綜合考量，協同處理，實現對現有遙控風扇的智能控制。

五、樣機測試

操作方法：在使用前先進行自我學習，按裝置面板上的學習按鍵進入學習模式，根據提示音學習遙控指令。待學習完所有操作指令后退出學習模式。然后將遙控風扇接入220 V電源上，人站在裝置的正前方，裝置自動檢測當前溫濕度、有無人體靠近等相關數據。根據預先設置的條件自動打開或關閉風扇。

通過樣機測試可知，本裝置具有節約電能、凈化空氣、降溫避暑的作用，它能為使用者提供適宜的室內溫濕度，有益于人體健康，有很大的發展前景。

當然，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光或熱源的影響，易致操作失誤;紅外感溫探頭會因人坐與躺的位置變化造成數據的偏移，影響控制精度。

六、創新點

1.利用室內和人體綜合溫度平均值的變化，實現電風扇自動開啟與關閉，還可以自動調節電風扇的速度，使其保持在讓人舒適的范圍。為電風扇的自動控制提供了新的思路與方法。

2.遙控器學習兼發射模塊的綜合應用，可將任何電風扇遙控器信號存入本裝置，再通過程序對電風扇進行智能控制，滿足不同遙控電風扇的需求，市場開發前景良好。

七、收獲與感受

在作品的研究和制作過程中，得益于老師的悉心指導，我的創新能力、動手能力都有了質的提高。

科技創新活動增長了我的見識，開拓了我的視野，豐富了我的思想。衷心感謝一直陪伴我成長、給我真誠鼓勵的老師和同學，還有一直默默為我付出的爸爸媽媽，謝謝你們！（指導老師：張才友）

專家點評

“學習型智能風扇遙控裝置”是一項來源于生活的集成式創新項目。作者的創新意識與創新欲望強烈，對人工智能技術應用嫻熟，作品能達到其創新設計所要達成的目標。

從作品完成的過程可以看出，該作品對于一名初中生來說難度不小。正因為如此，特提出幾點建議：其一，開展青少年科技實踐活動應以實現人的成長為基礎。在闡述研究過程中的技術應用的同時，還應就這項技術獲得的途徑作少許表述。如果作者一時無法掌握所應用的技術，可向相關技術人員、老師、家長或同學求助，并在項目中寫明相關情況，以培養嚴謹、求實的科研品格。其二，在項目創新點的提煉方面還要進一步下功夫。創新點不是項目所達到的使用效果或目標，而是為達到其設計要求所采用的新技術、新方法或新結構等。其三，應從科學性與準確性等方面確定項目名稱，概括項目的內涵，不要讓人產生項目名稱與項目功能不一致的誤會。