基于RFID構(gòu)成的嵌入式智能冰箱一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 珂，劉永紅，郝 臻，趙 宇，王炳淇

（大唐西北電力試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和我國綜合國力的提升，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，國民對家庭生活水平的要求也日益升高。人們對自己每日生活的家庭住宅的要求也越來越高，迫切需要一種讓人們的生活環(huán)境更加舒適、更加安全、更加便利的智能家居系統(tǒng)。

現(xiàn)有的智能冰箱功能比較單一，實(shí)現(xiàn)的功能也相對較少，不滿足目前忙碌人群的完全需求，不能實(shí)現(xiàn)所有家居的一體化概念。本設(shè)計(jì)以此作為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于RFID （radio frequency identification devices）構(gòu)成的嵌入式智能冰箱管理系統(tǒng)，讓工作繁忙的上班族能夠隨時隨地對自己的智能冰箱加以控制［1］，享受更加方便快捷化、智能化、自動化的一體式服務(wù)體系。

1 系統(tǒng)介紹與相關(guān)技術(shù)

基于RFID構(gòu)成的嵌入式智能冰箱管理系統(tǒng)依據(jù)全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求，可劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個層次，下面對該系統(tǒng)應(yīng)用的RFID、Android Studio平臺、手機(jī)應(yīng)用交互程序進(jìn)行介紹。

1.1 RFID技術(shù)

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它是通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，從而獲取食物標(biāo)簽的相關(guān)數(shù)據(jù)。這個識別工作無須人工干預(yù)，可以自動完成，同時可以應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境，比如冰箱低溫環(huán)境［2］。另外，RFID技術(shù)能夠識別出高速運(yùn)動物體，并且能夠同時識別多個標(biāo)簽，操作方便，準(zhǔn)確率高。

RFID技術(shù)具體工作原理：當(dāng)貼有標(biāo)簽的食品進(jìn)入磁場后，接收來自解讀器發(fā)出的射頻信號，通過感應(yīng)電流獲得能量后，發(fā)送存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號，通過解讀器讀取信息完成解碼工作后，傳送到中央信息管理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，以完成識別過程［3］。

如表1所示，為RFID讀寫器參數(shù)。

表1 RFID讀寫器參數(shù)

1.2 界面開發(fā)工具——Android Studio平臺

Android Studio是一種開放源代碼、基于Java語言的一種可擴(kuò)展開發(fā)平臺。Android Studio是一個框架和一組服務(wù)的集合體，通過插件組件搭建起的一個開發(fā)環(huán)境。同時Android Studio附帶了一個標(biāo)準(zhǔn)的插件集，包括Java開發(fā)工具（Java Development tools，JDT）。

1.3 手機(jī)應(yīng)用交互程序

圖1為手機(jī)應(yīng)用交互程序的主界面。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

由于目前市場對智能家居的設(shè)計(jì)和功能的要求、期望越來越高，同時伴隨著網(wǎng)絡(luò)信息、傳感技術(shù)、存儲技術(shù)等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，該設(shè)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，是智能化城市建設(shè)、智能家居體系的發(fā)展動向［4］，為人們生活帶來技術(shù)性的創(chuàng)新改革，智能我們的生活。

圖1 手機(jī)應(yīng)用交互程序主界面

資料顯示，一般城鎮(zhèn)家庭由于冰箱內(nèi)食物過期扔掉或勉強(qiáng)食用的食品金額一年平均為2 372元。單套智能冰箱系統(tǒng)所需成本：RFID讀寫器680元，壓力傳感器50元，攝像頭175元，微處理器500元，ZigBee芯片10×5=50元，合計(jì)1455元。從經(jīng)濟(jì)效益可以看出，一次性投入1 455元就可以終身享受到智能冰箱帶來的便捷，在合理有限的成本范圍內(nèi)能夠節(jié)約更多的資源。同時智能冰箱帶給我們更多的創(chuàng)新感、便捷感，節(jié)約大量時間和人力，解放潛在自由時間，從而更多的時間投入到健身、學(xué)習(xí)、工作中。如表2所示，是智能冰箱所應(yīng)用到的軟件與硬件系統(tǒng)參數(shù)及價目表［5］。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程

3.1 基于RFID的嵌入式智能冰箱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 讀取食物上的數(shù)據(jù)標(biāo)簽

通過RFID技術(shù)，在適定的距離內(nèi)讀取食品標(biāo)簽上的信息，同時可以一次性讀取多個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，每一個標(biāo)簽里的數(shù)據(jù)信息通過代碼表示。

3.1.2 食品過期提醒與健康管理系統(tǒng)

通過SQLITE數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建食品信息列表，其中記錄了所有食品的生產(chǎn)日期以及保質(zhì)期，健康管理系統(tǒng)自動根據(jù)食品的生產(chǎn)日期和保質(zhì)期，計(jì)算該食品的使用期限，然后通過對比冰箱內(nèi)所設(shè)定的當(dāng)前日期，得到該食品的過期信息［6］，其主要的計(jì)算方法如下：

表2 智能冰箱所應(yīng)用到的軟件與硬件系統(tǒng)參數(shù)及價目表

1）過期日期等于生產(chǎn)日期和保質(zhì)期之和。

2）即將過期提醒：當(dāng)過期日期與實(shí)際日期之差小于7天的時候，系統(tǒng)自動提醒該食品即將過期，生產(chǎn)列表信息后，發(fā)送到終端（手機(jī)），從而提前解決，避免浪費(fèi)。

3）系統(tǒng)內(nèi)部存儲了相克的食物列表，當(dāng)使用者從冰箱同時或者較短間隔時間內(nèi)取出相克食物時，健康管理系統(tǒng)發(fā)出報警，提示危險，防止中毒。

用戶每次從冰箱取出的食物，經(jīng)過系統(tǒng)讀取RFID標(biāo)簽，根據(jù)設(shè)定的每種食物的營養(yǎng)成分表，綜合計(jì)算出每次用戶取出的所有食物的營養(yǎng)成分表。當(dāng)某次所取食物糖分或者脂肪含量超過每一天的標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)就會自動發(fā)送一個營養(yǎng)超量提醒，從而提供一直健康的飲食管理系統(tǒng)［7］，對當(dāng)今快節(jié)奏的上班族提供一個保持健康、正常體重的管理系統(tǒng)。

該功能的實(shí)現(xiàn)是基于SQLite，SQLite是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其源代碼完全開放，并且支持ACID，不需要安裝和管理配置，體積小，速度快，無額外依賴。

3.1.3 冰箱智能補(bǔ)充食品與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

在智能冰箱食品管理系統(tǒng)中，ASP網(wǎng)站 （服務(wù)器），無論在前臺還是后臺，均實(shí)現(xiàn)了同客戶端的信息交互，能夠與購物網(wǎng)站對接，實(shí)現(xiàn)冰箱自主智能上網(wǎng)購買食品的過程。智能冰箱該功能體現(xiàn)在：商品瀏覽與查找、預(yù)購商品列表、確定下單并且完成支付、貨物運(yùn)輸跟蹤［8］。

通過對商品信息的瀏覽，可以直接購買?？蛻舳颂崾拘璧卿浐?，才有權(quán)限進(jìn)行響應(yīng)操作的界面，在該界面中，用戶需要輸入用戶名以及密碼。系統(tǒng)確定好購物清單后，發(fā)送給客戶端，客戶端確定好要購買的食品，直接進(jìn)入購物車，同時可以通過查看購物車信息來了解購物的情況［9］。當(dāng)用戶確定購買購物車內(nèi)的食品后，由系統(tǒng)生成訂單，同時需要填寫收貨信息。填寫好收貨信息后，客戶端選擇付款方式，用戶根據(jù)實(shí)際選擇具體的支付方式。支付方式確定后，系統(tǒng)自動生成訂單信息，用戶可以通過客戶端核查該訂單的詳細(xì)情況，發(fā)現(xiàn)錯誤信息后可以返回修改。

3.2 結(jié)合界面進(jìn)行操作說明

3.2.1 系統(tǒng)主界面與讀取食物RFID標(biāo)簽

如圖2所示，是系統(tǒng)的主界面，當(dāng)食物進(jìn)入智能冰箱時，通過RFID對食物標(biāo)簽進(jìn)行掃描，至此該食物就有唯一的碼與之對應(yīng)。

圖2 系統(tǒng)主界面

圖3 食品過期提醒

圖4健康管理系統(tǒng)

3.2.2 食品過期提醒與健康管理系統(tǒng)

如圖3所示，當(dāng)食物進(jìn)入冰箱并且被掃描后，有了自己唯一被識別的碼，其相應(yīng)的生產(chǎn)日期和保質(zhì)期被記錄到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)從此開始對物品的保鮮狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。過期日期與實(shí)際日期之差小于7天的時候，系統(tǒng)自動提醒該食品即將過期，提醒用戶優(yōu)先食用該食品，并將數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到手機(jī)客戶端。系統(tǒng)結(jié)合自己掃描讀取的數(shù)據(jù)，對食物進(jìn)行匹配查詢，如果查詢出相克的食物（如豬肉與豆類相克造成腹脹），通過手機(jī)客戶端提醒使用者。另外，用戶每次從冰箱取出的食物，經(jīng)過系統(tǒng)讀取RFID標(biāo)簽，根據(jù)設(shè)定的每種食物的營養(yǎng)成分表，綜合計(jì)算出每次用戶取出的所有食物的營養(yǎng)成分表，同時給出該食物的種類（魚、肉、蛋、蔬菜、水果、豆類）提醒用戶均衡飲食。當(dāng)某次所取食物糖分或者脂肪含量超過每一天的標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)就會自動發(fā)送一個營養(yǎng)超量提醒，從而提供一直健康的飲食管理系統(tǒng)（如圖4所示），對當(dāng)今快節(jié)奏的上班族提供一個保持身體健康，維持一個正常體重的管理系統(tǒng)。

3.2.3 冰箱智能補(bǔ)充食品與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)根據(jù)冰箱內(nèi)某種食品取出與放入的頻率，以及通過壓力傳感器計(jì)算出的該食品剩余重量，綜合智能計(jì)算出該食品目前的含有量。當(dāng)該系統(tǒng)判斷出該食品即將食用完時，冰箱內(nèi)置攝像頭拍攝該食物目前實(shí)時情況，并且通過RFID識別生成需要購買商品信息列表，再將需要購買食品信息列表及內(nèi)置攝像頭所拍攝的實(shí)時圖片發(fā)送到用戶終端，用戶確定后點(diǎn)擊“購買確認(rèn)”按鈕，系統(tǒng)自動將購買清單發(fā)送到賣家系統(tǒng)。同時系統(tǒng)自動根據(jù)所需該物品的數(shù)量（質(zhì)量）以及當(dāng)前該物品價格，計(jì)算出總價格，反饋給用戶終端，用戶確定訂單無誤后，在終端（支持遠(yuǎn)程操作）完成支付［10］，賣家立即打包派送，同時雙方可以跟蹤物流狀態(tài)，直至食品被送到目的地。完成該過程，方便快捷，智能生活。

4 應(yīng)用性分析

智能冰箱實(shí)現(xiàn)了冰箱自動購物的一個過程，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能化食品管理，根據(jù)時間管理處于保質(zhì)期內(nèi)的食品，方便可靠，避免浪費(fèi)；智能化食品購買，節(jié)省時間，方便快捷；智能化食品食用安全性監(jiān)控，保證食用的物品干凈衛(wèi)生、避免交叉中毒，保持健康。

在以后的設(shè)計(jì)中，根據(jù)現(xiàn)代人的生活節(jié)奏和需求，所有家具都會集“智能”于一身。如通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以后的“智能沙發(fā)”，可以根據(jù)不同的需求調(diào)節(jié)角度、軟度、溫度，自帶按摩等功能。通過不斷的創(chuàng)新，刷新當(dāng)代人的生活，為人們的生活帶來便捷、健康、安全、智能。

5 結(jié)束語

基于RFID構(gòu)成的綜合型智能冰箱一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)對人們的生活提供更為智能便捷的服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。目前，市場對智能家居的要求和期望越來越高，本系統(tǒng)盡可能更加完善、集多功能于一身的設(shè)計(jì)，智能便捷，智能生活。

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