基于RFID與物聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)交互式冰箱

劉春池，劉搏飛，邢曉鵬，隋盛譽(yù)，孫嘉成，李廣凱，謝印慶

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

冰箱作為家庭常用電器，在人們的日常生活中必不可缺，但是目前的冰箱在智能化方面還有不足，尤其在信息互聯(lián)方面更是有待提高。用戶(hù)在使用冰箱過(guò)程中往往是隨取隨用，經(jīng)常會(huì)忽略對(duì)所存物品情況的掌握，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)所存物品不足[1-5]。為了解決這一問(wèn)題，使得用戶(hù)能夠隨時(shí)隨地便捷地了解冰箱內(nèi)的物品情況，本文利用信息互聯(lián)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)人與冰箱的交互。

1 系統(tǒng)總體方案

用戶(hù)將物品存入冰箱之后，內(nèi)在的識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別并將信息上傳至云端存儲(chǔ)，當(dāng)用戶(hù)使用相對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)的APP時(shí)會(huì)將識(shí)別到的信息實(shí)時(shí)展示給用戶(hù)，并可依據(jù)現(xiàn)有信息給予用戶(hù)一系列提示，方便用戶(hù)操作管理。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 主要模塊

2.1 RFID讀寫(xiě)模塊

射頻識(shí)別RFID是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一種，其作用是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電識(shí)別特殊物品，并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，RFID是一種較為簡(jiǎn)易的系統(tǒng)，用于識(shí)別、追蹤和檢測(cè)物體。當(dāng)用戶(hù)準(zhǔn)備在冰箱內(nèi)存入若干物品時(shí)，系統(tǒng)會(huì)賦予每個(gè)物品“專(zhuān)屬標(biāo)簽”；關(guān)上冰箱門(mén)時(shí)，冰箱內(nèi)置的射頻模塊即開(kāi)始工作[6]。通過(guò)識(shí)別標(biāo)簽，將讀取到的信息通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行分析處理[7]。RFID讀寫(xiě)模塊如圖2所示。

圖2 RFID讀寫(xiě)模塊

2.2 重力傳感模塊

重力傳感模塊使用電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行稱(chēng)重檢測(cè)。電阻應(yīng)變式傳感器是一種能夠?qū)⒏鞣N力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器，將數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，傳輸至單片機(jī)并將處理的數(shù)據(jù)輸出。工作方式如圖3所示。

圖3 稱(chēng)重模塊工作流程

當(dāng)用戶(hù)將賦予專(zhuān)屬標(biāo)簽的物品放入冰箱時(shí)，重力傳感器接收信號(hào)并開(kāi)始工作，得到物品的具體重量數(shù)據(jù)后與RFID掃描的數(shù)據(jù)一同上傳云端存儲(chǔ)；用戶(hù)打開(kāi)APP后即可調(diào)用當(dāng)前物品的數(shù)據(jù)，獲知冰箱內(nèi)部物品信息[8-10]。重力傳感器的讀寫(xiě)流程如圖4所示。

圖4 重力傳感器的讀寫(xiě)流程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)將冰箱內(nèi)部各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送，同時(shí)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值加0x30后轉(zhuǎn)化為字符型數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫(xiě)在數(shù)組中，將數(shù)組通過(guò)藍(lán)牙通信或L6104G模塊發(fā)送至手機(jī)端。

用戶(hù)通過(guò)操縱開(kāi)發(fā)出的APP，選擇查詢(xún)冰箱中的食材信息或調(diào)用網(wǎng)絡(luò)攝像頭。用戶(hù)也可手動(dòng)選擇菜譜，客戶(hù)端依據(jù)健康飲食方案給予用戶(hù)合理的建議。具體流程如圖5所示。

圖5 APP端用戶(hù)操作

用戶(hù)只需要在觸摸屏的人機(jī)交互界面上進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)用，就可看到食物的重量、狀態(tài)和保質(zhì)期等信息，提高了用戶(hù)食用食物的安全性和可靠性。

系統(tǒng)接收到用戶(hù)的反饋后，從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)信息并返回?cái)?shù)據(jù)，與用戶(hù)的反饋信息相匹配，依據(jù)用戶(hù)不同的操作調(diào)用物品信息、推薦菜譜，最后將返回結(jié)果顯示在UI中。具體信息交互過(guò)程如圖6所示。

圖6 APP信息調(diào)用與反饋過(guò)程

用戶(hù)在市場(chǎng)買(mǎi)菜時(shí)，通過(guò)手機(jī)APP搜索菜譜，查看所需食材，了解冰箱已有食材和缺少的食材。在用戶(hù)做菜時(shí)還會(huì)給出具體制作過(guò)程。

4 性能及參數(shù)

4.1 關(guān)鍵性能指標(biāo)

在工作電壓DC3.5～5 V區(qū)間內(nèi)RFID模塊工作，處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)電流小于80 mA（EN腳高電平），處于睡眠狀態(tài)時(shí)電流小于100 μA（EN腳低電平），處于工作狀態(tài)時(shí)電流 為 180 mA@ 3.5 V（26 dBm Output，25 ℃）、110 mA@3.5 V（18 dBm Output，25 ℃）。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間小于100 ms，處于工作狀態(tài)下系統(tǒng)溫度介于-20～70℃范圍內(nèi)，儲(chǔ)藏室溫度介于-20～85℃范圍內(nèi)，工作濕度小于95%（+25℃），工作頻譜介于840～960 MHz，空中接口協(xié)議為EPCglobalUHF Class1Gen2/ISO 18000-6C。

4.2 檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

對(duì)每個(gè)附有電子標(biāo)簽的物體進(jìn)行識(shí)別和稱(chēng)重，然后觀(guān)察并記錄反饋成功的次數(shù)，得到的成功率見(jiàn)表1所列。

表1 稱(chēng)重識(shí)別成功率

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于RFID與物聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)交互式冰箱，該系統(tǒng)主要由嵌入式開(kāi)發(fā)板、重力檢測(cè)模塊、RFID模塊等組成。識(shí)別檢測(cè)冰箱內(nèi)存放的物品并獲取相應(yīng)的信息主要依靠RFID模塊和重力檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)[8]，嵌入式開(kāi)發(fā)板是程序?qū)崿F(xiàn)的核心部分，通過(guò)內(nèi)在的通信模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳，并與手機(jī)遠(yuǎn)程通信，在手機(jī)端將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸并開(kāi)發(fā)成APP，最終實(shí)現(xiàn)人與冰箱的信息交互，項(xiàng)目可行有效。