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(xún)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。

夏天天氣熱，風(fēng)扇是常用的降溫工具。

一天，我打開(kāi)風(fēng)扇，風(fēng)扇只對(duì)著我吹，卻吹不到坐在沙發(fā)上看書(shū)的爸爸。我將風(fēng)扇調(diào)到搖頭模式，風(fēng)扇頭左右轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)，未在身上停留。也就是說(shuō)，大部分風(fēng)都在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(gè)人時(shí)，風(fēng)扇會(huì)跟著人轉(zhuǎn)——風(fēng)扇上的攝像頭識(shí)別人臉，并控制風(fēng)扇底部的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，使風(fēng)扇對(duì)準(zhǔn)人臉。當(dāng)人移動(dòng)時(shí)，攝像頭會(huì)迅速識(shí)別新位置，并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)時(shí)跟隨。

當(dāng)風(fēng)扇前有多人時(shí)，智能風(fēng)扇系統(tǒng)能同時(shí)識(shí)別所有人，風(fēng)扇按每人5秒時(shí)間平均分配風(fēng)量，實(shí)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(duì)人與人之間時(shí)，風(fēng)扇只轉(zhuǎn)動(dòng)不吹風(fēng)。如果中途有人離開(kāi)或者加入，智能風(fēng)扇系統(tǒng)會(huì)重新分配時(shí)間和風(fēng)量。

人來(lái)開(kāi)機(jī)，人走關(guān)機(jī)。一旦有人進(jìn)入攝像頭范圍（角度200°、距離3米的扇形區(qū)域），攝像頭識(shí)別出人，風(fēng)扇會(huì)開(kāi)機(jī)并根據(jù)預(yù)設(shè)值調(diào)整風(fēng)速。人離開(kāi)后，攝像頭識(shí)別不到人臉，風(fēng)扇立刻關(guān)閉。

制作過(guò)程：

1.測(cè)試和準(zhǔn)備

我拿書(shū)桌上的小風(fēng)扇進(jìn)行測(cè)試：拆開(kāi)背板，把開(kāi)關(guān)線(xiàn)引出來(lái)，用單路繼電器控制。這臺(tái)風(fēng)扇用的是USB 5 V電源，可以通過(guò)繼電器順利地開(kāi)關(guān)。

考慮到家用的風(fēng)扇有3個(gè)擋位和電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)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(gòu)買(mǎi)4K攝像頭（最大分辨率為3840×2880，廣角80°，自動(dòng)對(duì)焦）、12 V電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)（轉(zhuǎn)速為10秒/圈，載重15 kg）、8路USB繼電器和433MHN無(wú)線(xiàn)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(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，將電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)引線(xiàn)出來(lái)，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(kāi)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(pán)開(kāi)關(guān)；6、7路用于控制轉(zhuǎn)盤(pán)左右轉(zhuǎn)動(dòng)方向；8路未用。

風(fēng)扇對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后，5路繼電器關(guān)閉，轉(zhuǎn)盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。5秒后，5路繼電器打開(kāi)，風(fēng)扇恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

之后，我在攝像頭上加裝一個(gè)0.45X廣角鏡頭，在鏡頭上方安裝一個(gè)遮光罩，用于過(guò)濾無(wú)用環(huán)境光線(xiàn)，提高識(shí)別率。

3.模型識(shí)別

我使用PyCharm在Python 3.10環(huán)境下，先用OpenCV庫(kù)調(diào)用攝像頭獲取當(dāng)前風(fēng)扇正面的圖像，檢測(cè)到人臉位置信息，然后使用Dlib庫(kù)提供的人臉識(shí)別模型以及MySQL庫(kù)存儲(chǔ)的人臉特征點(diǎn)信息進(jìn)行人臉身份識(shí)別，根據(jù)人臉坐標(biāo)得到角度，計(jì)算出轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，然后依次對(duì)人臉吹風(fēng)。參考CSDN網(wǎng)代碼進(jìn)行調(diào)試。

測(cè)試與訓(xùn)練：

1.攝像頭人臉識(shí)別測(cè)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(jìn)行識(shí)別，并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇，測(cè)試風(fēng)扇前有多人的模式功能。

風(fēng)扇不僅能識(shí)別人臉，還能根據(jù)提前錄入數(shù)據(jù)庫(kù)里的人臉信息識(shí)別出是誰(shuí)，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(kāi)，風(fēng)扇立即做出相應(yīng)的調(diào)整。

2.訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)

系統(tǒng)在識(shí)別人臉時(shí)會(huì)出現(xiàn)識(shí)別不準(zhǔn)的問(wèn)題。通過(guò)查找資料，我發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)初期是以歐美人臉型為人臉識(shí)別預(yù)訓(xùn)練模型，對(duì)亞洲人臉的識(shí)別率不高。

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

依照這種方法，我建立人臉數(shù)據(jù)集，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人臉識(shí)別訓(xùn)練，提高人臉識(shí)別率。

實(shí)地試用：

我將智能風(fēng)扇系統(tǒng)安放在廈門(mén)一家醫(yī)院負(fù)三層地下車(chē)庫(kù)洗衣房中進(jìn)行試用。現(xiàn)場(chǎng)溫度為29.6 ℃，濕度為55%，光線(xiàn)一般。

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

1.阿姨們?cè)诠ぷ髯狼皝?lái)回走動(dòng)，人數(shù)從1名到5名來(lái)回變化，智能風(fēng)扇系統(tǒng)不停地識(shí)別人數(shù)和人員位置變化，電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，智能風(fēng)扇系統(tǒng)能準(zhǔn)確地把風(fēng)吹到每個(gè)阿姨身上。

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

3.人員離開(kāi)后，風(fēng)扇不在該空位停留，直接跳過(guò)，避免空吹。

4.風(fēng)扇在面對(duì)兩個(gè)阿姨之間時(shí)，只轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)，可實(shí)現(xiàn)智能取暖。針對(duì)類(lèi)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(shí)現(xiàn)空調(diào)智能化改造。

作品創(chuàng)新點(diǎn)：

1.在不更換現(xiàn)有風(fēng)扇的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)扇無(wú)損智能化改造。

2.模塊化設(shè)計(jì)，能在大部分家用電器上使用。

3.單人實(shí)時(shí)跟蹤，多人分配風(fēng)量。人來(lái)開(kāi)機(jī)，人走關(guān)機(jī)，節(jié)能減耗。

4.針對(duì)中國(guó)人臉型，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行人臉識(shí)別：通過(guò)大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)“教”會(huì)機(jī)器識(shí)別中國(guó)人人臉，提高人臉識(shí)別率。

（指導(dǎo)老師：呂章雯）

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

蘇硯一同學(xué)的基于人臉識(shí)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(gè)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(gè)作品的產(chǎn)生過(guò)程，充分體現(xiàn)蘇硯一同學(xué)對(duì)創(chuàng)新的追求及創(chuàng)新實(shí)踐的熱情。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)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(shí)解決問(wèn)題的能力等，一定有實(shí)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(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求和重要著力點(diǎn)，新質(zhì)生產(chǎn)力的特點(diǎn)是創(chuàng)新，而創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是人才驅(qū)動(dòng)，人才才是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐。國(guó)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(guò)科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，大力弘揚(yáng)“愛(ài)國(guó)、創(chuàng)新、求實(shí)、奉獻(xiàn)、協(xié)同、育人”的中國(guó)科學(xué)家精神，涵養(yǎng)自己的家國(guó)情懷，立志成長(zhǎng)為國(guó)家和民族需要、能為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力作出貢獻(xiàn)的拔尖創(chuàng)新人才。