基于人脸识别技术追踪降温的智能风扇系统

本期点评专家

谭迪熬" 中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。

夏天天气热，风扇是常用的降温工具。

一天，我打开风扇，风扇只对着我吹，却吹不到坐在沙发上看书的爸爸。我将风扇调到摇头模式，风扇头左右转动，转动角度约为180°，而我、风扇和爸爸的夹角不到60°，虽然风扇的风能吹到我和爸爸，但只是扫过，未在身上停留。也就是说，大部分风都在风扇转动过程中损耗了。

有一次，我晚上忘记关风扇，第二天起床发现风扇还在工作，竟然空吹了一整晚。

我决定发明一种智能风扇系统，让风扇具备“大脑”“眼睛”和“脚”等，方便高效地为人们吹风降温。

基本功能：

当风扇前只有一个人时，风扇会跟着人转——风扇上的摄像头识别人脸，并控制风扇底部的电动转盘，使风扇对准人脸。当人移动时，摄像头会迅速识别新位置，并驱动电动转盘实时跟随。

当风扇前有多人时，智能风扇系统能同时识别所有人，风扇按每人5秒时间平均分配风量，实现“爸爸妈妈吹三挡，爷爷吹二挡，儿童吹一挡”的灵活吹风方式。在面对人与人之间时，风扇只转动不吹风。如果中途有人离开或者加入，智能风扇系统会重新分配时间和风量。

人来开机，人走关机。一旦有人进入摄像头范围（角度200°、距离3米的扇形区域），摄像头识别出人，风扇会开机并根据预设值调整风速。人离开后，摄像头识别不到人脸，风扇立刻关闭。

制作过程：

1.测试和准备

我拿书桌上的小风扇进行测试：拆开背板，把开关线引出来，用单路继电器控制。这台风扇用的是USB 5 V电源，可以通过继电器顺利地开关。

考虑到家用的风扇有3个挡位和电动转盘要控制，需要更多的继电器，因此我选用8路继电器。

接着，我购买4K摄像头（最大分辨率为3840×2880，广角80°，自动对焦）、12 V电动转盘（转速为10秒/圈，载重15 kg）、8路USB继电器和433MHN无线收发模块等元器件。

2.连接硬件

我把风扇的挡位按键拆除，在风扇上方安装摄像头并连接电脑，在风扇下方安装电动转盘，将电动转盘正反转开关引线出来，与8路继电器连接，再将电脑与8路继电器连接。

8路继电器分配如下：1路用于风扇开关；2、3、4路替代风扇的挡位按键，用于风扇调速；5路用于转盘开关；6、7路用于控制转盘左右转动方向；8路未用。

风扇对准目标后，5路继电器关闭，转盘停止转动。5秒后，5路继电器打开，风扇恢复转动。

之后，我在摄像头上加装一个0.45X广角镜头，在镜头上方安装一个遮光罩，用于过滤无用环境光线，提高识别率。

3.模型识别

我使用PyCharm在Python 3.10环境下，先用OpenCV库调用摄像头获取当前风扇正面的图像，检测到人脸位置信息，然后使用Dlib库提供的人脸识别模型以及MySQL库存储的人脸特征点信息进行人脸身份识别，根据人脸坐标得到角度，计算出转盘转动时间，然后依次对人脸吹风。参考CSDN网代码进行调试。

测试与训练：

1.摄像头人脸识别测试

我将自己和爸爸、妈妈、老人和小孩的照片作为人脸样本，把照片摆放在椅子上，然后用摄像头进行识别，并驱动电动转盘转动风扇，测试风扇前有多人的模式功能。

风扇不仅能识别人脸，还能根据提前录入数据库里的人脸信息识别出是谁，然后调整风量和风速。

我用纸张把其中几张照片盖上，摄像头发现有人离开，风扇立即做出相应的调整。

2.训练机器学习

系统在识别人脸时会出现识别不准的问题。通过查找资料，我发现开发软件开发初期是以欧美人脸型为人脸识别预训练模型，对亚洲人脸的识别率不高。

于是，我安装使用软件工具Imglab，用“68个特征点”法对人脸进行标识，生成自己的脸的数据集。之后，我标识其中的10张人脸图片，生成模型文件，发现识别率提高了。

依照这种方法，我建立人脸数据集，对系统进行人脸识别训练，提高人脸识别率。

实地试用：

我将智能风扇系统安放在厦门一家医院负三层地下车库洗衣房中进行试用。现场温度为29.6 ℃，湿度为55%，光线一般。

智能风扇系统工作了约20分钟，所有功能均实现：

1.阿姨们在工作桌前来回走动，人数从1名到5名来回变化，智能风扇系统不停地识别人数和人员位置变化，电动转盘不断转动，智能风扇系统能准确地把风吹到每个阿姨身上。

2.智能风扇系统摇头功能正常，风扇能对准人体，平均分配停留时间和风量。

3.人员离开后，风扇不在该空位停留，直接跳过，避免空吹。

4.风扇在面对两个阿姨之间时，只转动不吹风，节约能源。

应用推广：

智能风扇系统能用在不同的家用电器上。比如，冬天，将智能风扇系统的风扇换成取暖机，可实现智能取暖。针对类似壁挂式空调这种大家电，加装适合的通风管道配件，也可以实现空调智能化改造。

作品创新点：

1.在不更换现有风扇的条件下，实现对传统风扇无损智能化改造。

2.模块化设计，能在大部分家用电器上使用。

3.单人实时跟踪，多人分配风量。人来开机，人走关机，节能减耗。

4.针对中国人脸型，利用机器学习的方式进行人脸识别：通过大量训练数据“教”会机器识别中国人人脸，提高人脸识别率。

（指导老师：吕章雯）

专家点评

苏砚一同学的基于人脸识别技术追踪降温的智能风扇系统，是一件由一位初中生完成、颇具一定新技术支撑的创客作品。这个作品的出现，很好地诠释了“创意—物化—分享”的创客理念。这个作品的产生过程，充分体现苏砚一同学对创新的追求及创新实践的热情。通过这个项目的实施，苏砚一同学的新技术学习与应用能力、利用跨学科知识解决问题的能力等，一定有实质性的提升，值得大家推崇。

应特别指出的是，当前，发展新质生产力是推动高质量发展的内在要求和重要着力点，新质生产力的特点是创新，而创新驱动的实质是人才驱动，人才才是发展新质生产力、推动高质量发展的重要支撑。国家的发展靠人才，民族的振兴靠人才。所以，同学们要通过科技创新实践活动，大力弘扬“爱国、创新、求实、奉献、协同、育人”的中国科学家精神，涵养自己的家国情怀，立志成长为国家和民族需要、能为发展新质生产力作出贡献的拔尖创新人才。