智能冰箱關(guān)鍵技術(shù)研究

劉尚旺+尚新聞

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)冰箱缺乏智能性，難以滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需求的問(wèn)題，提出一種智能冰箱原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成冰箱端開(kāi)發(fā)板、移動(dòng)客戶端及服務(wù)器端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。冰箱端選用基于OK6410的ARM11開(kāi)發(fā)板，通過(guò)WinCE系統(tǒng)將收集到的食品數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器，并將其保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端，提出最優(yōu)時(shí)隙防沖突算法，根據(jù)標(biāo)簽數(shù)目分配幀長(zhǎng)，使得所有標(biāo)簽分得幀長(zhǎng)時(shí)隙以解決多標(biāo)簽同時(shí)讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題；客戶端用戶通過(guò)無(wú)線保真（WiFi）網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器，隨時(shí)隨地管理冰箱。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的冰箱食品信息遠(yuǎn)程查看與管理、飲食搭配菜譜智能推薦、冰箱周期清理和食品保鮮期限實(shí)時(shí)提醒等功能科學(xué)、合理和實(shí)用。

關(guān)鍵詞： 智能冰箱； 物聯(lián)網(wǎng)； 冰箱端開(kāi)發(fā)板； 移動(dòng)客戶端； 服務(wù)器端； 最優(yōu)時(shí)隙防沖突算法

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）06?0112?05

Abstract： In allusion to the problem that it is difficult for the traditional refrigerator to meet the demand of Internet of Things （IoT） era due to its lack of intelligence， a prototype system of intelligent refrigerator is proposed. In the system， the refrigerator development board is integrated， and application programs of mobile client and server are designed and implemented. On the refrigerator side， the OK6410 based ARM11 development board is selected， and the collected food data is transmitted to the remote server in real time by means of Wince system， and then stored in the database. On the database server side， the optimal time slot anti?collision algorithm is proposed. The frame length is distributed based on the label number so that all tags can obtain the frame length time slot to resolve the data collision problem when multiple tags are read or written simultaneously. On the client side， users are connected to the remote server via wireless fidelity （WiFi） network， mobile communication network and other means to manage the refrigerator anywhere and anytime. The simulation experiment results show that the functions designed and implemented in this paper such as remote view and management of refrigerator food information， intelligent recommendation of diet collocation menu， periodic refrigerator cleaning and real?time reminding of food freshness lifetime are scientific， reasonable and practical.

Keywords： intelligent refrigerator； IoT； refrigerator development board； mobile client side； server side； optimal time slot anti?collision algorithm

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，事關(guān)飲食的智能冰箱顯得尤為重要。目前，冰箱已從單純的食品保鮮和儲(chǔ)存載體轉(zhuǎn)變成為基于ARM等開(kāi)發(fā)板進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別、監(jiān)控和存儲(chǔ)信息[1]的智能冰箱。自從2000年韓國(guó)LG公司推出全球第一臺(tái)“互聯(lián)網(wǎng)”冰箱以來(lái)，就掀起了智能冰箱的研究熱潮。但是，目前智能冰箱還存在一些問(wèn)題。為此，本文旨在提高傳統(tǒng)冰箱智能化，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)出一種智能冰箱原型系統(tǒng)即智能冰箱管家系統(tǒng)，即通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)和射頻識(shí)別技術(shù)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上通過(guò)智能算法完成數(shù)據(jù)的智能處理，用戶通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備接入局域網(wǎng)或通過(guò)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器，即可查看、接收智能化處理結(jié)果或遠(yuǎn)程操控冰箱。

1 智能冰箱原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 冰箱端開(kāi)發(fā)板

冰箱端開(kāi)發(fā)板選用基于OK6410的ARM11開(kāi)發(fā)板，可連接RFID讀寫(xiě)器、觸摸屏及各類數(shù)據(jù)采集傳感器，還可接置多類傳感器和多種接口。其嵌入式操作系統(tǒng)采用WinCE 6.0系統(tǒng)，將基于WinCE 6.0系統(tǒng)的溫度采集、清理周期、囤貨查看等功能的應(yīng)用代碼，置于內(nèi)核和硬件之間的硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）。該功能圖形用戶界面友好，顯示屏支持觸屏操作，可完成本地手工錄入（備選）與查看冰箱內(nèi)存貨、查看溫度數(shù)據(jù)等功能；該液晶顯示屏置于冰箱外部，方便可視化操作，而且方便之后系統(tǒng)升級(jí)更新人機(jī)交互設(shè)計(jì)[2]。endprint

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端

1.2.1 基于RFID標(biāo)簽的食品信息采集模塊

RFID適合冰箱內(nèi)部工作環(huán)境，尤其有源RFID具有存儲(chǔ)量大、自動(dòng)識(shí)別、可循環(huán)使用等特點(diǎn)；能夠自動(dòng)、自主完成食品出入冰箱時(shí)的信息采集；能夠較好地滿足智能冰箱的管理要求。本文設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了基于RFID標(biāo)簽讀/寫(xiě)技術(shù)的食品信息采集與處理模塊[3]，如圖1所示。

1.2.2 冰箱信息數(shù)據(jù)處理模塊

冰箱內(nèi)所存物品種類較多，讀取標(biāo)簽或同時(shí)讀取較多標(biāo)簽時(shí)容易發(fā)生碰撞沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失[4]。本文研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合基于二進(jìn)制防沖突算法和ALOHA算法的優(yōu)點(diǎn)[5?8]，通過(guò)標(biāo)簽數(shù)目尋求最優(yōu)幀長(zhǎng)，可以解決碰撞沖突問(wèn)題。

目前，RFID防沖突算法主要有以下兩種：基于二進(jìn)制樹(shù)的防沖突算法和基于ALOHA的防沖突算法?？偨Y(jié)兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)簽數(shù)數(shù)目尋求最佳時(shí)隙，本文提出改進(jìn)算法：最優(yōu)時(shí)隙防沖突算法。

最優(yōu)時(shí)隙防沖突算法原理：設(shè)標(biāo)簽數(shù)目為[m]，幀長(zhǎng)為[L]。根據(jù)標(biāo)簽對(duì)時(shí)隙的選擇符合二項(xiàng)分布規(guī)律，可知當(dāng)前幀中單時(shí)隙數(shù)目期望為：

[E[m1]=m×（1-1L）m-1]

通過(guò)求極值方法算出最大化信道使用率，則[?E[m1]?f?L=0→L*=m，]得出使用效率為[m1L*→1e]。

本文數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要通過(guò)優(yōu)化分布式查詢算法完成用戶查詢需求，采用模糊聚類算法完成對(duì)用戶偏好的預(yù)測(cè)。本文在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上采用模糊聚類進(jìn)行智能冰箱大數(shù)據(jù)處理。若[θj]表示第[j]個(gè)聚類的表達(dá)，[θ≡[θT1，θT2，…，θTm]T]；[U]是一個(gè)[N?m]矩陣，它的[（i，j）]元素等于[uj（xi）]，[d（xi，θj）]代表[xi]和[θj]之間的不相似性，[q（>1）]是模糊性參數(shù)，則使代價(jià)函數(shù)最小，如下：

[Jq（θ，U）=i=1Nj=1Muqijd（xi，θj）] （1）

式中，[θ]和[U]滿足的約束條件是：

[j=1muij=1， i=1，2，…，N] （2）

式中：[0

由式（2）可知，[xi]在所有聚類中的隸屬度是相互關(guān)聯(lián)的。[Jq（θ，U）]最小化，使用拉格朗日中值定理，有：

[J（θ，U）=i=1Nj=1muqijd（xi，θj）-i=1Nλij=1muij-1] （3）

對(duì)[J（θ，U）]求[urs]偏導(dǎo)數(shù)得到：

[?J（θ，U）?urs=quq-1rsd（xr，θs-λr）， s=1，2，…，m] （4）

將式（4）代入式（2），得到：

[λr=qj=1m1d（xr，θj）1q-1q-1] （5）

合并式（4）、式（5）變換得：

[urs=1j=1md（xr，θj）d（xr，θj）1q-1，r=1，2，…，N， s=1，2，…，m] （6）

對(duì)[J（θ，U）]中[θj]求偏導(dǎo)數(shù)，并令偏導(dǎo)為0，得：

[?J（θ，U）?θj=i=1Nuqij?d（xi，θj）?θj=0， j=1，2，…，m] （7）

接著，采用基于概率的聚類算法，根據(jù)貝葉斯定理[9]得：

[P（CW）=P（WC）P（C）P（W）] （8）

式中：[W]表示詞向量；C表示類變量。

具體步驟：訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)所有[C]和[Wi]學(xué)習(xí)[P（C），P（WiC）]。測(cè)試樸素貝葉斯分類器對(duì)每個(gè)類[C]計(jì)算后驗(yàn)概率[P（CW）=i=1nP（WiC）P（C）P（W）]，又C，[P（W）]是固定的，所以[i=1nP（WiC）P（C）]是最大的類，即[W]所屬的類。樸素貝葉斯聚類器簡(jiǎn)單、快速、低存儲(chǔ)需求，屬性之間的關(guān)聯(lián)性會(huì)在一定程度上降低其聚類性能，在屬性相關(guān)領(lǐng)域表現(xiàn)出很好的性能。

數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)樸素貝葉斯聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則的Apriori算法分析用戶菜單查看菜譜數(shù)據(jù)。菜單按照：養(yǎng)生、家宴、早餐、午餐和晚餐進(jìn)行分類，并采集足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。之后，用戶點(diǎn)擊菜譜功能，選擇不同菜單類別，服務(wù)器則可將挖掘出的用戶偏好信息推薦用戶傾向的菜譜。

1.3 移動(dòng)客戶端

物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行延展，通過(guò)RFID、無(wú)線通信等技術(shù)，在超大數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，利用移動(dòng)智能終端聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享[10]，其意義在于能夠讓物品也彼此進(jìn)行“交流溝通”，無(wú)需人工干預(yù)。通過(guò)對(duì)各個(gè)年齡階段的用戶使用冰箱習(xí)慣進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)用戶在物品存儲(chǔ)和冰箱清理方面存在食品安全隱患。

為此，本文設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了基于Android 4.0版本以上的移動(dòng)客戶端APP，共分為5大功能板塊：我的囤貨、溫度、保鮮期、清理、小菜大廚。

2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的智能冰箱管家原型系統(tǒng)實(shí)物圖，如圖2所示。

2.1 感知層

該層包括基于OK6410的開(kāi)發(fā)板及與其相連的RFID、溫度、重力等各類傳感器。對(duì)溫度傳感器測(cè)試，圖3所示是開(kāi)發(fā)板采集到溫度信息，并傳送保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

開(kāi)發(fā)板配置固定IP，并與服務(wù)器在同一網(wǎng)段，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫(kù)和客戶端之間的網(wǎng)絡(luò)連接通信。對(duì)主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試如圖4所示。

2.3 應(yīng)用層

2.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)基于混合型數(shù)據(jù)庫(kù)模型，需要完成對(duì)大量的外部數(shù)據(jù)整合，并對(duì)用戶行為進(jìn)行分析，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)服務(wù)器提出了更高的要求，模擬1 000個(gè)用戶對(duì)該系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行壓力測(cè)試和性能測(cè)試，其結(jié)果如圖5所示。

2.3.2 移動(dòng)客戶端

手機(jī)接入物聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器，對(duì)手機(jī)客戶端APP進(jìn)行測(cè)試功能測(cè)試和性能測(cè)試。程序在不同界面都需要讀取服務(wù)器上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)把讀取數(shù)據(jù)的工作交給后臺(tái)服務(wù)，讓后臺(tái)服務(wù)循環(huán)讀取。通過(guò)3款不同的安卓手機(jī)進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用的消息推送速度和應(yīng)用響應(yīng)速度，測(cè)試機(jī)器信息如表1所示。

消息推送速度：在無(wú)線局域網(wǎng)下，數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)達(dá)到閾值，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸推送到客戶端，算法時(shí)間復(fù)雜度越低，時(shí)間越快。

應(yīng)用響應(yīng)速度：加載相同的應(yīng)用程序，完成相同的數(shù)據(jù)加載需求，時(shí)間越長(zhǎng)，用戶體驗(yàn)越差。

手機(jī)客戶端APP程序在不同界面都需要讀取服務(wù)器上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)每2 s更新1次，以保證用戶訪問(wèn)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。圖6中為三款機(jī)型的測(cè)試數(shù)據(jù)。

該手機(jī)APP在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查看的基礎(chǔ)功能上，增加消息推送功能，主要基于溫度、清理、保鮮期提醒三大功能，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，數(shù)據(jù)“開(kāi)口”主動(dòng)傳送信息給用戶，方便用戶對(duì)冰箱管理；同時(shí)智能菜譜功能可實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶飲食習(xí)慣推薦菜譜，并且智能匹配出用戶選擇菜譜所缺食材，大大增強(qiáng)了人機(jī)交互能力。圖7為手機(jī)客戶端APP主界面和消息推送界面。從圖7可以看出，手機(jī)客戶端APP可實(shí)現(xiàn)消息推送功能，具有較強(qiáng)的人機(jī)交互能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種對(duì)傳統(tǒng)冰箱進(jìn)行智能化改進(jìn)的方法開(kāi)發(fā)板和RFID讀寫(xiě)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器能夠利用模糊聚類等算法完成對(duì)數(shù)據(jù)的融合與挖掘，手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)5大功能：查看囤貨、溫度監(jiān)測(cè)、清理提醒、菜譜功能、保質(zhì)期提醒，擬提供管家服務(wù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在移動(dòng)互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，提出的RFID改進(jìn)型防沖突算法提高了對(duì)食物數(shù)據(jù)記錄的速度和精確度；手機(jī)客戶端APP經(jīng)過(guò)測(cè)試，運(yùn)行流暢。該系統(tǒng)適用于所有傳統(tǒng)冰箱，APP適用于安卓系統(tǒng)4.0以上版本的手機(jī)，用戶體驗(yàn)性好，操作簡(jiǎn)單，讓用戶生活更健康。

參考文獻(xiàn)

[1] 王晨，侯麗敏，易紅良，等.基于ARM的無(wú)創(chuàng)便攜式鼾癥自動(dòng)診斷系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016，37（2）：372?377.

WANG Chen， HOU Limin， YI Hongliang， et al. Noninvasive and portable SAHS automatically diagnosis system based on ARM [J]. Computer engineering and design， 2016， 37（2）： 372?377.

[2] 戴億政，王進(jìn)紅，吳鵬輝，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的食品機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)[J].食品與機(jī)械，2014，30（4）：74?77.

DAI Yizheng， WANG Jinhong， WU Penghui， et al. A platform of food machinery design based on virtual reality technology [J]. Food & machinery， 2014， 30（4）： 74?77.

[3] 馮孔淼.基于物聯(lián)網(wǎng)的冰箱物品信息管理系統(tǒng)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

FENG Kongmiao. System for refrigerator goods information management based on Internet of Things [D]. Guangzhou： Guangdong University of Technology， 2012.

[4] 張捍東，朱林.物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21（5）：56?59.

ZHANG Handong， ZHU Lin. RFID technology and structure of Internet of Things [J]. Computer technology and development， 2011， 21（5）： 56?59.

[5] 謝磊，殷亞鳳，陳曦，等.RFID數(shù)據(jù)管理：算法、協(xié)議與性能評(píng)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013，36（3）：457?470.

XIE Lei， YIN Yafeng， CHEN Xi， et al. RFID data management： algorithms， protocols and performance evaluation [J]. Chinese journal of computers， 2013， 36（3）： 457?470.

[6] 潘亮.RFID防沖突算法的研究與仿真[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2014.

PAN Liang. Study and simulation of RFID anti?collision algorithm [D]. Hohhot： Inner Mongolia Normal University， 2014.

[7] 闕大順，汪盛虎，張浩.幀時(shí)隙ALOHA的快速防沖突算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（35）：49?51.

QUE Dashun， WANG Shenghu， ZHANG Hao. Fast anti?collision algorithm based on framed slotted Aloha [J]. Computer engineering and applications， 2009， 45（35）： 49?51.

[8] 潘雪峰，曹加恒.一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2016，33（6）：95?99.

PAN Xuefeng， CAO Jiaheng. An improved dynamic frame slotted Aloha algorithm [J]. Microelectronics & computer， 2016， 33（6）： 95?99.

[9] 鄢旭，陳晶，杜瑞穎，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于組合框架的貝葉斯信任模型[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29（3）：1078?1083.

YAN Xu， CHEN Jing， DU Ruiying， et al. Bayes trust model based on combinatorial frame in WSNs [J]. Application research of computers， 2012， 29（3）： 1078?1083.

[10] 王鷺，謝龍，聶廣星.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對(duì)移動(dòng)智能終端的思考[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（15）：14.

WANG Lu， XIE Long， NIE Guangxing. Thoughts of mobile intelligent terminal under the environment of Internet of Things [J]. Electronic technology & software engineering， 2015（15）： 14.endprint