學習型之惡能風扇遙控裝置

◎湖南省常德芷蘭實驗學校初三年級 鐵健申

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>

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(fā)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(wǎng)查詢資料后發(fā)現(xiàn)，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?？晌以O想的智能電風扇是一款可以根據(jù)室內(nèi)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(jiān)測室內(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)進行綜合運算處理。當室內(nèi)溫度高于某個數(shù)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(nèi)溫度低于某個數(shù)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(jù)溫度的平均值調(diào)節(jié)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(wěn)壓電源模塊、Arduino系統(tǒng)板、學習型紅外發(fā)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(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，本實驗樣機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是一款靈活的開源電子平臺，包含Arduino板和Arduino IDE軟件開發(fā)平臺。它使用類似Java、C語言的Processing開發(fā)環(huán)境，Arduino板可用于電路連接，Arduino IDE是程序開發(fā)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(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、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(shù)據(jù)，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(fā)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(nèi)外已廣泛將其應用于燈具、自動門、門鈴等產(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)字信號校準輸出功能。它應用數(shù)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(wěn)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(yōu)點。

6.語音播放模塊

語音播放模塊有9個直接觸發(fā)端口，分別為A1~A9，9個端口同時對應9個音頻。觸發(fā)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。

圖2 語音播放模塊

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。

圖3 裝置結構與電路連接圖

四、軟件設計

1.主程序流程說明

主程序流程通過主函數(shù)實現(xiàn)，主函數(shù)的任務有：硬件初始化；相關數(shù)據(jù)的監(jiān)測與輸入；調(diào)用相關子函數(shù)，對監(jiān)測與輸入的數(shù)據(jù)進行處理。例如，在主函數(shù)中調(diào)用子函數(shù)，完成遙控指令的學習，將學習的指令存儲在芯片內(nèi)部，然后根據(jù)學習的命令執(zhí)行相關操作。

2.學習子函數(shù)程序說明

硬件初始化：根據(jù)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(diào)用。初始化工作主要包括學習指令代碼數(shù)組和學習指令的串口發(fā)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(jù)語音提示進行相關遙控指令的學習。

3.多組數(shù)據(jù)協(xié)同控制程序設計思想

由于居家環(huán)境復雜，單一數(shù)據(jù)很難實現(xiàn)電風扇的精確操控，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和室內(nèi)溫濕度、人體溫度等信息，將幾種數(shù)據(jù)分別儲存，綜合考量，協(xié)同處理，實現(xiàn)對現(xiàn)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(jù)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(shù)據(jù)。根據(jù)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(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 裝置實物圖

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(shù)據(jù)的偏移，影響控制精度。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(fā)前景良好。

六、創(chuàng)新點

1.利用室內(nèi)和人體綜合溫度平均值的變化，實現(xiàn)電風扇自動開啟與關閉，還可以自動調(diào)節(jié)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(fā)射模塊的綜合應用，可將任何電風扇遙控器信號存

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(chuàng)新能力、動手能力都有了質的提高。

科技創(chuàng)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！

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(chuàng)新項目。作者的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新欲望強烈，對人工智能技術應用嫻熟，作品能達到其創(chuàng)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(xiàn)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(yǎng)嚴謹、求實的科研品格。其二，在項目創(chuàng)新點的提煉方面還要進一步下功夫。創(chuàng)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(nèi)涵，不要讓人產(chǎn)生項目名稱與項目功能不一致的誤會。