一種智能冰箱的設(shè)計(jì)

一種智能冰箱的設(shè)計(jì)

陳思羽 丁 一 東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

研究冰箱智能化問題，提出一種基于單片機(jī)的智能檢測(cè)冰箱內(nèi)食物及結(jié)霜情況系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)掃描算法結(jié)合壓力傳感器，以及紅外感應(yīng)，Arduino單片機(jī)，LCD顯示報(bào)警系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)采樣、轉(zhuǎn)換傳輸、分析處理、匯總通信，實(shí)現(xiàn)將冰箱內(nèi)儲(chǔ)備情況冷藏層結(jié)霜情況告知用戶。設(shè)計(jì)通過運(yùn)用不同傳感器檢測(cè)不同數(shù)據(jù)量，最終實(shí)現(xiàn)智能冰箱系統(tǒng)。

智能冰箱; 單片機(jī); 物聯(lián)網(wǎng)

引言

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，傳統(tǒng)冰箱只能起到對(duì)于食品的保存及儲(chǔ)備，而不能對(duì)于食品的用量情況進(jìn)行分析和檢測(cè).時(shí)常會(huì)忽略和疏漏家中冰箱食物的儲(chǔ)存量和剩余量，從而導(dǎo)致在需要相應(yīng)食材時(shí)，才被動(dòng)的發(fā)現(xiàn)所需食材已經(jīng)用盡或余量不足。再者，由于冰箱冷藏柜內(nèi)溫度過低時(shí)常存在結(jié)霜情況，導(dǎo)致冰箱柜難以正常使用，為用戶造成很多困擾。為解決這一系列問題，設(shè)計(jì)通過帶有自動(dòng)檢測(cè)食物用量及冰箱內(nèi)是否結(jié)霜情況，及時(shí)告知用戶的智能冰箱系統(tǒng)，從而讓用戶可以及時(shí)補(bǔ)充儲(chǔ)備不足的食物，及時(shí)除去冰箱結(jié)霜，為人們生活提供便利。

1.總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊，數(shù)據(jù)分析處理模塊，通信三大模塊實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊應(yīng)用微壓力傳感器接口電路以及紅外傳感器采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，其中包塊傳感器，放大電路，A/ D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成硬件電路；數(shù)據(jù)收集匯總分析處理基于智能控制模塊（Arduino UNO R3），就地提示模塊，蜂鳴器及LCD顯示；通訊模塊接入網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)計(jì)采用Arduino＋w5100，實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控，將測(cè)定的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，方便用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 壓力信號(hào)采集模塊

應(yīng)用微壓力傳感器對(duì)壓力的感應(yīng)特性，將壓力轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出，此輸出信號(hào)不能直接由單片機(jī)處理。因此，需要經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機(jī)通過對(duì)此數(shù)字量的處理，獲得實(shí)際的壓力值，根據(jù)所獲得的壓力值進(jìn)行判斷食物儲(chǔ)量，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及LCD顯示器進(jìn)行提示剩余量不足。

1.1.2 紅外信號(hào)采集模塊

根據(jù)紅外傳感器信號(hào)接收原理，根據(jù)接收端接收到的由發(fā)射端產(chǎn)生的信號(hào)，將發(fā)射器發(fā)出的紅外線對(duì)準(zhǔn)接收器，由接收器收集信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸給單片機(jī)處理。單片機(jī)獲得數(shù)字量變化判斷結(jié)霜情況，將判斷結(jié)果并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LCD顯示屏進(jìn)行提示。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器

采用電阻式薄膜傳感器，這款壓力傳感器是將施加在薄膜區(qū)域的測(cè)量值轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路從而獲得壓力信息。壓力越大，電阻越低。在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)設(shè)置壓力傳感器，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和分析。

2.2 按鍵陣列掃描電路

考慮到能合理規(guī)劃冰箱的存儲(chǔ)空間，以冰箱中一個(gè)托盤為例，設(shè)計(jì)將托盤劃分為四或九個(gè)區(qū)域，存儲(chǔ)不同種類食物。每一個(gè)區(qū)域內(nèi)下有相應(yīng)的壓力傳感器檢測(cè)食物，采用布線的方法，利用按鍵陣列掃描控制電路的原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

按鍵陣列判斷，設(shè)計(jì)采用6個(gè)數(shù)字量接口和3個(gè)模擬量接口實(shí)現(xiàn)9塊區(qū)域食物質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集。以其中一種情況為例，若要選中其中一塊區(qū)域(設(shè)為1區(qū)），XO,X1.X2需要設(shè)定為‘1 0 0’，Y0.Y1.Y2需要設(shè)定為‘0 1 1’，這時(shí)1區(qū)域電路導(dǎo)通，電壓一定，電流隨壓力傳感器電阻增大而減小，從而RO兩端電壓也逐漸減小。將此電壓值通過模擬接口A0送入單片機(jī)，由此便可實(shí)現(xiàn)食物質(zhì)量的測(cè)量。

2.3 紅外傳感器

將紅外接收和發(fā)射裝置分別安裝在托架下側(cè)兩邊并對(duì)準(zhǔn)?；诠獾闹本€傳播原理，當(dāng)霜達(dá)到一定厚度后，紅外發(fā)射頭發(fā)出的紅外線由光的反射與折射偏離原來的軌道，或者由于結(jié)霜原因遮擋住紅外光線，使得紅外接收裝置無法接收信號(hào)。這時(shí)便將信息傳送給單片機(jī)從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.軟件設(shè)計(jì)

采集數(shù)據(jù)主要分為兩個(gè)部分：一是通過調(diào)用按鍵掃描函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，二是通過紅外端直接經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路收集數(shù)據(jù)。相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分為兩部分：食物余量部分，收集到相應(yīng)食物余量值保存余量，并相應(yīng)設(shè)定提醒臨界值，不斷掃描刷新數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定值時(shí)通過調(diào)用LCD顯示函數(shù)本地提示，同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行提示；結(jié)霜檢查部分：I/O口根據(jù)預(yù)設(shè)高低電平判斷紅外傳感器能否接收到紅外線信號(hào)， 一旦沒有則進(jìn)行相應(yīng)LCD本地提醒及網(wǎng)絡(luò)通。

起初由用戶初始化，當(dāng)重新放入食物時(shí)按下復(fù)位鍵，記錄清零。按鍵掃描，當(dāng)有新食物放入時(shí)，讀入初始值并在傳輸給單片機(jī)后，單片機(jī)根據(jù)新數(shù)據(jù)重新根據(jù)程序擬定提醒余量值。此后，根據(jù)按鍵掃描不斷掃描刷新食物變化質(zhì)量值，當(dāng)滿足情況報(bào)警情況后，顯示結(jié)果，并且接入網(wǎng)絡(luò)，提醒用戶。

在每次復(fù)位刷新后，當(dāng)由按鍵掃描模塊獲取最新食物質(zhì)量時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部根據(jù)復(fù)位后初次的質(zhì)量值設(shè)定余量提醒臨界值。即假設(shè)初值為X，則根據(jù)實(shí)際情況最終設(shè)定在質(zhì)量值=20% ＊ X 時(shí)，此時(shí)設(shè)定余量臨界值保持不變存入單片機(jī)。此后，由于每次根據(jù)食物的消耗情況，單片機(jī)將每次讀入的質(zhì)量值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若大于預(yù)設(shè)值，則繼續(xù)掃描讀入新值；若小于等于預(yù)設(shè)值，則報(bào)警顯示及用過網(wǎng)絡(luò)告知用戶。

4.結(jié)束語

順應(yīng)人工智能化的大趨勢(shì)，針對(duì)冰箱單方面僅低溫存儲(chǔ)食物的功能和因?yàn)闇囟冗^度導(dǎo)致的結(jié)霜問題進(jìn)行人工智能的改進(jìn)。通過傳感器檢測(cè)環(huán)節(jié)收集冰箱存儲(chǔ)食物質(zhì)量的信息和結(jié)霜與否，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路傳輸數(shù)據(jù)，通過Arduino單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)合軟件編程，在食物存儲(chǔ)量不足及冷凍層結(jié)霜的時(shí)候，結(jié)合本地LCD顯示器和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信自動(dòng)通知用戶。

[1]余勇權(quán).單片機(jī)與家用電器智能化技術(shù)[M]電子工業(yè)出版社 1995

[2] 王君、祝超群等.單片機(jī)原理及控制技術(shù)[M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2010

[3］譚興文，韓力.惠斯通電橋靈敏度的探究［J］西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（8）：149-152

[4] 田景熙.物聯(lián)網(wǎng)概論[M] 東南大學(xué)出版社2010