基于人臉識別技術追蹤降溫的智能風扇系統

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。

夏天天氣熱，風扇是常用的降溫工具。

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

有一次，我晚上忘記關風扇，第二天起床發現風扇還在工作，竟然空吹了一整晚。

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

基本功能：

當風扇前只有一個人時，風扇會跟著人轉——風扇上的攝像頭識別人臉，并控制風扇底部的電動轉盤，使風扇對準人臉。當人移動時，攝像頭會迅速識別新位置，并驅動電動轉盤實時跟隨。

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

人來開機，人走關機。一旦有人進入攝像頭范圍（角度200°、距離3米的扇形區域），攝像頭識別出人，風扇會開機并根據預設值調整風速。人離開后，攝像頭識別不到人臉，風扇立刻關閉。

制作過程：

1.測試和準備

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

考慮到家用的風扇有3個擋位和電動轉盤要控制，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電動轉盤（轉速為10秒/圈，載重15 kg）、8路USB繼電器和433MHN無線收發模塊等元器件。

2.連接硬件

我把風扇的擋位按鍵拆除，在風扇上方安裝攝像頭并連接電腦，在風扇下方安裝電動轉盤，將電動轉盤正反轉開關引線出來，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路用于風扇開關；2、3、4路替代風扇的擋位按鍵，用于風扇調速；5路用于轉盤開關；6、7路用于控制轉盤左右轉動方向；8路未用。

風扇對準目標后，5路繼電器關閉，轉盤停止轉動。5秒后，5路繼電器打開，風扇恢復轉動。

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，用于過濾無用環境光線，提高識別率。

3.模型識別

我使用PyCharm在Python 3.10環境下，先用OpenCV庫調用攝像頭獲取當前風扇正面的圖像，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，根據人臉坐標得到角度，計算出轉盤轉動時間，然后依次對人臉吹風。參考CSDN網代碼進行調試。

測試與訓練：

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，并驅動電動轉盤轉動風扇，測試風扇前有多人的模式功能。

風扇不僅能識別人臉，還能根據提前錄入數據庫里的人臉信息識別出是誰，然后調整風量和風速。

我用紙張把其中幾張照片蓋上，攝像頭發現有人離開，風扇立即做出相應的調整。

2.訓練機器學習

系統在識別人臉時會出現識別不準的問題。通過查找資料，我發現開發軟件開發初期是以歐美人臉型為人臉識別預訓練模型，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”法對人臉進行標識，生成自己的臉的數據集。之后，我標識其中的10張人臉圖片，生成模型文件，發現識別率提高了。

依照這種方法，我建立人臉數據集，對系統進行人臉識別訓練，提高人臉識別率。

實地試用：

我將智能風扇系統安放在廈門一家醫院負三層地下車庫洗衣房中進行試用。現場溫度為29.6 ℃，濕度為55%，光線一般。

智能風扇系統工作了約20分鐘，所有功能均實現：

1.阿姨們在工作桌前來回走動，人數從1名到5名來回變化，智能風扇系統不停地識別人數和人員位置變化，電動轉盤不斷轉動，智能風扇系統能準確地把風吹到每個阿姨身上。

2.智能風扇系統搖頭功能正常，風扇能對準人體，平均分配停留時間和風量。

3.人員離開后，風扇不在該空位停留，直接跳過，避免空吹。

4.風扇在面對兩個阿姨之間時，只轉動不吹風，節約能源。

應用推廣：

智能風扇系統能用在不同的家用電器上。比如，冬天，將智能風扇系統的風扇換成取暖機，可實現智能取暖。針對類似壁掛式空調這種大家電，加裝適合的通風管道配件，也可以實現空調智能化改造。

作品創新點：

1.在不更換現有風扇的條件下，實現對傳統風扇無損智能化改造。

2.模塊化設計，能在大部分家用電器上使用。

3.單人實時跟蹤，多人分配風量。人來開機，人走關機，節能減耗。

4.針對中國人臉型，利用機器學習的方式進行人臉識別：通過大量訓練數據“教”會機器識別中國人人臉，提高人臉識別率。

（指導老師：呂章雯）

專家點評

蘇硯一同學的基于人臉識別技術追蹤降溫的智能風扇系統，是一件由一位初中生完成、頗具一定新技術支撐的創客作品。這個作品的出現，很好地詮釋了“創意—物化—分享”的創客理念。這個作品的產生過程，充分體現蘇硯一同學對創新的追求及創新實踐的熱情。通過這個項目的實施，蘇硯一同學的新技術學習與應用能力、利用跨學科知識解決問題的能力等，一定有實質性的提升，值得大家推崇。

應特別指出的是，當前，發展新質生產力是推動高質量發展的內在要求和重要著力點，新質生產力的特點是創新，而創新驅動的實質是人才驅動，人才才是發展新質生產力、推動高質量發展的重要支撐。國家的發展靠人才，民族的振興靠人才。所以，同學們要通過科技創新實踐活動，大力弘揚“愛國、創新、求實、奉獻、協同、育人”的中國科學家精神，涵養自己的家國情懷，立志成長為國家和民族需要、能為發展新質生產力作出貢獻的拔尖創新人才。