学习型之恶能风扇遥控装置

◎湖南省常德芷兰实验学校初三年级 铁健申

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。

暑假的一天，因为天气炎热，我打开了电风扇，吹着吹着就觉得身体变得干燥，很不舒服。晚上睡觉时我忘记关电风扇，第二天便感冒了。我想，能否利用AI技术发明一种电风扇智能遥控器，解决目前风扇不智能的问题？

一、设计思路

我上网查询资料后发现，市面上已有许多通过遥控控制的电风扇，如台式电风扇、吊式电风扇、雾化降温电风扇、无叶电风扇等。可我设想的智能电风扇是一款可以根据室内和人体的综合温度自动打开或关闭，且可以提供合适风速的电风扇。

我的设计思路是：在装置前面板的正中央安装红外线感应器，以感应人体红外线；左侧安装红外测温仪，以测量人体温度；右侧安装温湿度传感器，以监测室内的温度与湿度。

Arduino主控板将人体温度，室内温度、湿度等数据进行综合运算处理。当室内温度高于某个数值时，在红外线感应到有人的情况下自动启动电风扇；当室内温度低于某个数值时，在感应无人的情况下自动关闭电风扇。在风扇工作期间，还可根据温度的平均值调节电风扇的速度。

二、硬件组成

学习型智能风扇遥控装置的硬件部分主要由集成稳压电源模块、Arduino系统板、学习型红外发射模块、远红外人体温度检测模块、温湿度传感器模块、语音播放模块等组成。

1.系统供电

7800系列为正电压输出稳压器，其一般用法电路原理如图1所示，本实验样机就采用这种方法供电。220 V交流电经降压、整流滤波后输出脉动直流电压，在LN7805的作用下输出固定的5 V电压。

图1 系统总供电电路图

2.Arduino系统板

Arduino是一款灵活的开源电子平台，包含Arduino板和Arduino IDE软件开发平台。它使用类似Java、C语言的Processing开发环境，Arduino板可用于电路连接，Arduino IDE是程序开发平台。只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino模块，程序便会控制Arduino模块完成相关任务。

3.学习型红外发射模块

该模块兼具红外解码、红外编码发射遥控的功能，兼容带有红外遥控功能的常用电器如空调、电视机、机顶盒、电风扇等。通过串口接收指令，即可解码红外遥控器信号，并上传解码后的数据，在专用软件上同步显示红外波形。解码后的红外信号被转换为特定编码，并通过串口输出。

4.远红外人体温度检测模块

人体能发射8~14纳米波长的红外线，检测这种红外线的变化并予以处理，启动其他设备工作，完成指定的任务，是人体热释电红外传感器及专用集成电路的主要功能。这种人体检测技术既灵敏又准确，国内外已广泛将其应用于灯具、自动门、门铃等产品中。

5.温湿度传感器模块

DHT11温湿度传感器是一款温湿度双输出传感器，并含有数字信号校准输出功能。它应用数字模块采集技术和温湿度传感技术，有极高的可靠性与长期稳定性。

DHT11温湿度传感器包括一个感湿元件、一个测温元件和一个高性能8位单片机。该传感器具有响应快、抗干扰能力强、性价比高的优点。

6.语音播放模块

语音播放模块有9个直接触发端口，分别为A1~A9，9个端口同时对应9个音频。触发方式简单，如要播放第三个音频，只需向A3端口提供一个50毫秒以上的低电平即可。

图2 语音播放模块

三、结构设计

学习型智能风扇遥控装置的结构及电路连接如图3。

图3 装置结构与电路连接图

四、软件设计

1.主程序流程说明

主程序流程通过主函数实现，主函数的任务有：硬件初始化；相关数据的监测与输入；调用相关子函数，对监测与输入的数据进行处理。例如，在主函数中调用子函数，完成遥控指令的学习，将学习的指令存储在芯片内部，然后根据学习的命令执行相关操作。

2.学习子函数程序说明

硬件初始化：根据硬件的使用情况，在软件上对其进行相应的初始化，以便后面的程序调用。初始化工作主要包括学习指令代码数组和学习指令的串口发送设置。

语音初始化：主要是将语音转化为程序可识别的代码，方便用户根据语音提示进行相关遥控指令的学习。

3.多组数据协同控制程序设计思想

由于居家环境复杂，单一数据很难实现电风扇的精确操控，所以多数据的协同控制就显得尤为重要。本装置采集人体热释红外信号和室内温湿度、人体温度等信息，将几种数据分别储存，综合考量，协同处理，实现对现有遥控风扇的智能控制。

五、样机测试

操作方法：在使用前先进行自我学习，按装置面板上的学习按键进入学习模式，根据提示音学习遥控指令。待学习完所有操作指令后退出学习模式。然后将遥控风扇接入220 V电源上，人站在装置的正前方，装置自动检测当前温湿度、有无人体靠近等相关数据。根据预先设置的条件自动打开或关闭风扇。

通过样机测试可知，本装置具有节约电能、净化空气、降温避暑的作用，它能为使用者提供适宜的室内温湿度，有益于人体健康，有很大的发展前景。

图4 装置实物图

当然，该装置也有一些不尽人意的地方。如人体热释电红外传感器受阳光或热源的影响，易致操作失误；红外感温探头会因人坐与躺的位置变化造成数据的偏移，影响控制精度。入本装置，再通过程序对电风扇进行智能控制，满足不同遥控电风扇的需求，市场开发前景良好。

六、创新点

1.利用室内和人体综合温度平均值的变化，实现电风扇自动开启与关闭，还可以自动调节电风扇的速度，使其保持在让人舒适的范围。为电风扇的自动控制提供了新的思路与方法。

2.遥控器学习兼发射模块的综合应用，可将任何电风扇遥控器信号存

七、收获与感受

在作品的研究和制作过程中，得益于老师的悉心指导，我的创新能力、动手能力都有了质的提高。

科技创新活动增长了我的见识，开拓了我的视野，丰富了我的思想。衷心感谢一直陪伴我成长、给我真诚鼓励的老师和同学，还有一直默默为我付出的爸爸妈妈，谢谢你们！

专家点评

“学习型智能风扇遥控装置”是一项来源于生活的集成式创新项目。作者的创新意识与创新欲望强烈，对人工智能技术应用娴熟，作品能达到其创新设计所要达成的目标。

从作品完成的过程可以看出，该作品对于一名初中生来说难度不小。正因为如此，特提出几点建议：其一，开展青少年科技实践活动应以实现人的成长为基础。在阐述研究过程中的技术应用的同时，还应就这项技术获得的途径作少许表述。如果作者一时无法掌握所应用的技术，可向相关技术人员、老师、家长或同学求助，并在项目中写明相关情况，以培养严谨、求实的科研品格。其二，在项目创新点的提炼方面还要进一步下功夫。创新点不是项目所达到的使用效果或目标，而是为达到其设计要求所采用的新技术、新方法或新结构等。其三，应从科学性与准确性等方面确定项目名称，概括项目的内涵，不要让人产生项目名称与项目功能不一致的误会。