摘要：目前市場上大多數(shù)的智能風(fēng)扇，需通過遙控器或者按鍵來控制風(fēng)扇的吹風(fēng)方向以及風(fēng)扇的風(fēng)速，使用時較為不便，且功能單一。文章以STM32為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款在風(fēng)扇的主體基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能，實(shí)現(xiàn)對人臉的有效跟蹤吹風(fēng)，調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度，同時可自主控制或者通過手機(jī)小程序控制的人臉追蹤智能加濕風(fēng)扇。

關(guān)鍵詞：人臉追蹤；智能；風(fēng)扇

中圖分類號：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高，家具和電器智能化已經(jīng)成為主流趨勢。目前，智能風(fēng)扇已經(jīng)開始投入市場，并且不斷追求更加人性化的功能。目前，國內(nèi)市面上的智能化風(fēng)扇產(chǎn)品的銷售份額超過40%，其中以智能控制、變頻及紅外遙控為主要的需求點(diǎn)，但目前市場上電風(fēng)扇的自動跟隨功能卻鮮有實(shí)現(xiàn)，并且現(xiàn)有的風(fēng)扇不能檢測到人是否在風(fēng)扇吹風(fēng)范圍內(nèi)，因此時常導(dǎo)致風(fēng)扇做無用功。針對市場對于此類智能風(fēng)扇的空缺，本文設(shè)計(jì)的人臉智能識別風(fēng)扇可以進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，在風(fēng)扇運(yùn)行期間，可以主動追蹤人臉，進(jìn)行有效范圍吹風(fēng)，并且識別人與風(fēng)扇之間的距離，實(shí)現(xiàn)吹出的風(fēng)臨體時溫和舒適的效果。當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)作范圍內(nèi)無人時，可自動關(guān)閉，以此達(dá)到節(jié)能的目的，并且可根據(jù)用戶需求和結(jié)合室內(nèi)環(huán)境，進(jìn)行加濕降溫。

1 人臉追蹤智能加濕風(fēng)扇總體設(shè)計(jì)方案

該風(fēng)扇由控制主板、攝像頭識別、舵機(jī)云臺、支撐結(jié)構(gòu)4大結(jié)構(gòu)組成?？紤]到程序的復(fù)雜性和性能要求，選用STM32F103C8T6為主控芯片，超聲波模板用于測距，DHT11溫濕度模塊用于檢測環(huán)境溫濕度，0.96寸OLED顯示屏用于顯示當(dāng)前風(fēng)扇主要狀態(tài)參數(shù)，ESP8266-WiFi模板用于聯(lián)網(wǎng)，主要連接MQTT服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，繼電器模塊主要用于控制加濕器的開關(guān)。風(fēng)扇的人臉追蹤通過攝像頭識別抓取信息，風(fēng)扇的整體結(jié)構(gòu)采用3 D打印模型進(jìn)行支撐，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向通過舵機(jī)云臺實(shí)現(xiàn)。

具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，攝像頭抓取人臉信息并給出對應(yīng)的坐標(biāo)信息，樹莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的信息通過串口發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)收到具體坐標(biāo)信息后，通過主控芯片控制數(shù)字舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作，使得風(fēng)扇能夠?qū)θ四樳M(jìn)行跟蹤。同時，DHT11溫濕度模塊獲取濕度后，程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析，與人體最適合的環(huán)境濕度進(jìn)行對比，若濕度過低或過高，則通過主控芯片控制繼電器操控加濕模塊是否通電工作，從而達(dá)到是否加濕的目的。超聲波模塊對追蹤到的人進(jìn)行測距，若人與風(fēng)扇的距離較近，風(fēng)速會降低，使得人吹到的風(fēng)較為溫和；若人離風(fēng)扇較遠(yuǎn)，則風(fēng)扇的風(fēng)速會增大，以此達(dá)到降溫通風(fēng)的效果。同時，也可以通過小程序來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與加濕開關(guān)。

2 機(jī)器視覺模塊的設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺模塊包括攝像頭、樹莓派。攝像頭采用市面上較為流行的OpenCV進(jìn)行識別；樹莓派可以完成IO引腳控制，運(yùn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)可以完成一些小型的測試、開發(fā)等。

本文通過CascadeClassifier函數(shù)來調(diào)取OpenCV中自帶的訓(xùn)練好的人臉檢測模型進(jìn)行人臉識別^［1］。

CascadeClassifier是OpenCV中人臉識別的一種級聯(lián)分類器，可以使用LBP特征和Haar特征來區(qū)分人臉，本文通過Haar級聯(lián)分類器來區(qū)分人臉。

Haar特征是一種能反映圖像灰度變化和像素分模塊求差值的卷積模板，有中心、線性、邊緣和對角線等特征組合成特征模板，其特征值由黑色矩形像素和減去白色矩形像素來表示。計(jì)算Haar特征是通過改變特征模板的位置和大小在圖像子窗口中舉出大量的特征。特征模板在圖像子窗口中擴(kuò)展得到的特征稱為“矩形特征”；矩形特征的值定義為“特征值”。矩形特征不僅存在于圖像的任意位置，也可以任意改變大小，矩形的位置、大小和模板類別這3個因素的函數(shù)是矩形特征值。由于位置、類別和大小的變化多樣，即使是很小的檢測窗口也含有大量的矩形特征。

Haar級聯(lián)分類器建立在Haar-like特征的基礎(chǔ)上，通過積分圖加速計(jì)算，并利用Adaboost訓(xùn)練的強(qiáng)分類器級聯(lián)的方法進(jìn)行人臉檢測。先定義每個Haar-like特征的特征值f_i為featurevalue_i=weight white∑p∈witep - weight black ∑p Eblackp，即f_i=白色區(qū)域像素-黑色區(qū)域像素，weight表示權(quán)重值，目的是維持白、黑兩種矩形區(qū)域的像素?cái)?shù)目相同，確保在灰度絕對均勻的地方其特征值都為0。Haar-like特征的值經(jīng)過運(yùn)算可以反映該區(qū)域的灰度變化情況，將一幅輸入圖像的每一個區(qū)域做類似的運(yùn)算后與訓(xùn)練集中圖像的Haar-like特征值對比^［2］。例如，人臉鼻梁的顏色比鼻梁兩邊部位處更淺，臉頰的顏色比旁邊兩個眼睛部位處更淺等。根據(jù)上述特點(diǎn)，可以判斷輸入圖像是否具有人臉特征。識別出人臉后，用藍(lán)色的方框?qū)⑷四樋蚱饋?，并且返回x，y的坐標(biāo)值。獲得人臉的x，y的坐標(biāo)值后，將攝像頭的區(qū)域平均分為9塊，若返回的x，y的坐標(biāo)值位于左上角那一塊，即令xlabel和ylabel返回為（1，1），若為右下角那一塊，則返回（3，3），根據(jù)不同的返回值，傳輸給樹莓派。樹莓派將信息通過串口發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)控制舵機(jī)將風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)至不同的角度，起到令風(fēng)扇能跟著人運(yùn)動的功能^［3］。

3 智能風(fēng)扇的硬件設(shè)計(jì)與主要功能實(shí)現(xiàn)原理

3.1 硬件設(shè)計(jì)

風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向主要由舵機(jī)云臺控制，分別由兩個180°旋轉(zhuǎn)大扭矩?cái)?shù)字舵機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)上下左右轉(zhuǎn)向，人臉追蹤識別采用工業(yè)級攝像頭進(jìn)行識別分析，加以算法收集數(shù)據(jù)并處理。風(fēng)扇的搭建采用3D打印品來支撐，3D打印用品耗材均為PLA，利用SOLIDWORKS建模軟件分別設(shè)計(jì)風(fēng)扇底架、電機(jī)軸套、超聲波支架等，以此來搭建人臉追蹤智能加濕風(fēng)扇。

主板芯片為STM32F103C8T6，搭配DHT11溫濕度傳感器、0.96寸OLED顯示屏、ESP8266-WiFi模塊、TB6612電機(jī)驅(qū)動模塊以及繼電器和相關(guān)電路所需元器件、降壓芯片、晶振電路等。通過ESP8266-WiFi模塊，可以實(shí)現(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換，ESP8266-WiFi模塊與MQTT服務(wù)器連接，MQTT服務(wù)器提前訂閱主題以及相關(guān)信息，WiFi模塊與其連接，從而可以與同樣進(jìn)行訂閱發(fā)布信息等操作的手機(jī)小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此達(dá)到通過手機(jī)小程序來控制智能風(fēng)扇的效果。

3.2 主要功能實(shí)現(xiàn)原理

攝像頭識別到人臉后，樹莓派發(fā)送區(qū)域坐標(biāo)給單片機(jī)，此時單片機(jī)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)人臉追蹤的效果^［4］。利用超聲波模塊測距，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的風(fēng)力隨人與風(fēng)扇的距離而變化，從而使人感受到風(fēng)扇吹出的風(fēng)是一種溫和舒適的風(fēng)?？刂萍訚窆δ艿膶?shí)現(xiàn)由DHT11溫濕度傳感器和繼電器模塊、加濕器共同完成，采集數(shù)據(jù)后，通過DATA數(shù)據(jù)傳輸引腳給單片機(jī)，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理并控制是否加濕，經(jīng)查詢，人體最適宜濕度在45%～65%，當(dāng)濕度小于45%時，加濕器工作，大于則不加濕。

4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 小程序界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要針對人臉追蹤智能加濕風(fēng)扇（以下簡稱風(fēng)扇）進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目的在于控制風(fēng)扇的擋位、轉(zhuǎn)向、加濕等功能。系統(tǒng)涵蓋有控制模塊，包含3個開關(guān)和1個滑動選擇器，主要是風(fēng)扇開關(guān)、轉(zhuǎn)向開關(guān)、加濕開關(guān)和擋位調(diào)節(jié)滑動器，分別具備調(diào)節(jié)風(fēng)扇開關(guān)、調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)向、調(diào)節(jié)加濕與否和調(diào)節(jié)風(fēng)扇擋位的功能。

在頁面設(shè)計(jì)中，點(diǎn)擊下方tabBar欄中的功能可到達(dá)控制頁面。頁面中包含風(fēng)扇開關(guān)、轉(zhuǎn)向開關(guān)、加濕開關(guān)和擋位調(diào)節(jié)，開關(guān)由switch組件實(shí)現(xiàn)，而擋位調(diào)節(jié)由slider組件實(shí)現(xiàn)。開關(guān)按鍵均默認(rèn)為關(guān)，按下風(fēng)扇開關(guān)按鍵時，風(fēng)扇設(shè)備會接收到指令將風(fēng)扇打開；按下轉(zhuǎn)向開關(guān)按鍵時，風(fēng)扇設(shè)備會接收到指令將風(fēng)扇轉(zhuǎn)向打開；按下加濕開關(guān)按鍵時，風(fēng)扇設(shè)備會接收到指令將風(fēng)扇加濕功能打開。風(fēng)扇有3個擋位可供選擇，默認(rèn)為0檔，當(dāng)風(fēng)扇開關(guān)被打開時，擋位默認(rèn)調(diào)節(jié)為一檔，后續(xù)用戶可根據(jù)實(shí)際需求滑動調(diào)節(jié)擋位，根據(jù)選擇器選擇的擋位不同，風(fēng)扇設(shè)備會接收到不同的指令進(jìn)行擋位調(diào)節(jié)。當(dāng)用戶未將風(fēng)扇開關(guān)打開而調(diào)節(jié)風(fēng)扇擋位時，若擋位非0檔，則風(fēng)扇開關(guān)會自動跳轉(zhuǎn)到開。若用戶直接將擋位調(diào)節(jié)為0，則風(fēng)扇開關(guān)也會跳轉(zhuǎn)至關(guān)。當(dāng)風(fēng)扇開關(guān)被關(guān)閉時，所有按鍵全部都會被自動關(guān)閉。

4.2 小程序功能實(shí)現(xiàn)

消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是一種基于發(fā)布或訂閱模式的通信協(xié)議，MQTT最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以用極少的代碼和有限的帶寬，為硬件設(shè)備提供遠(yuǎn)程連接的實(shí)時消息服務(wù)，不添加多余的功能，消息推送和訂閱更加方便，有較高的傳輸效率等^［5］。本系統(tǒng)通過MQTT協(xié)議搭建手機(jī)客戶端和硬件設(shè)備之間消息的推送和訂閱，手機(jī)客戶端向服務(wù)器發(fā)生請求，服務(wù)端收到請求后，向硬件設(shè)備返回響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)消息的推送和訂閱。通過connect方法使得手機(jī)客戶端連接到服務(wù)器，系統(tǒng)代碼通過定義MQTT的IP為MQTT_IP=www.kinnon.xyz和調(diào)用client = mqtt.connect（'wxs：//' + MQTT_IP，MQTT_OPTIONS）來實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端和服務(wù)器的連接。程序使用微信開發(fā)者工具進(jìn)行運(yùn)行，其前綴需用“wxs”，通過message.toString（）函數(shù)獲取手機(jī)客戶端向服務(wù)器所推送的消息，最后使用sent函數(shù)向服務(wù)器推送消息，實(shí)現(xiàn)將手機(jī)客戶端的操作指令發(fā)送給服務(wù)器。MQTT發(fā)布的服務(wù)質(zhì)量保證（QoS）消息不是從客戶端到客戶端的，是客戶端與服務(wù)端之間的。發(fā)布消息的QoS和主題訂閱的QoS是決定訂閱者收到MQTT消息的QoS級別，本系統(tǒng)使用QoS級別為0來操作使用，定義topic為fan。通過以上內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備從MQTT服務(wù)器獲得手機(jī)客戶端的操作指令，從而進(jìn)行下一步的設(shè)備操作。

5 功能測試

人臉追蹤智能加濕風(fēng)扇通電初始化后，攝像頭開啟工作，當(dāng)攝像頭識別區(qū)域內(nèi)有人時，風(fēng)扇開始運(yùn)作，舵機(jī)開始跟蹤人臉，將風(fēng)扇對著人吹風(fēng)，同時超聲波模塊與溫濕度傳感器開始工作，控制風(fēng)扇的合理轉(zhuǎn)速，并且根據(jù)環(huán)境濕度合理開啟或關(guān)閉加濕器，顯示屏同時顯示此時風(fēng)扇的工作狀態(tài)。也可以通過手機(jī)小程序控制風(fēng)扇的開關(guān)、風(fēng)速、加濕功能，若攝像頭識別區(qū)域內(nèi)無人，則風(fēng)扇自動斷電，停止工作，等識別區(qū)內(nèi)有人時，風(fēng)扇再進(jìn)行工作。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于STM32，結(jié)合視覺算法，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)人臉追蹤的智能加濕風(fēng)扇。相比于一般家用電風(fēng)扇，更為智能，可以自主跟蹤人臉，調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，給人最舒適的生活環(huán)境，可以極大地方便人們對家電的使用，在滿足人們對風(fēng)扇的基本功能和需求外，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)特性，為今后的智能風(fēng)扇發(fā)展提供了一定的參考。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Intelligent humidification fan based on STM32 face tracking

Chen Zewei， Liu Jianhao， Lin Yulong， Fan Jierun， Liu Wenjing^*

（Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China）

Abstract： At present， most of the intelligent fans in the market still need to control the direction of the fan and the wind speed of the fan through the remote control or button， which is inconvenient to use and has a single function. In this paper， STM32 as the main control chip， designed a fan outside the main body of the fan， combined with artificial intelligence， to effectively track the face of the air， adjust the ambient temperature and humidity， at the same time can control autonomously or through the mobile phone small program face tracking intelligent humidification fan.

Key words： face tracking; intelligence; fan