一种智能冰箱的设计

一种智能冰箱的设计

陈思羽 丁 一 东华大学信息科学与技术学院

研究冰箱智能化问题，提出一种基于单片机的智能检测冰箱内食物及结霜情况系统。该系统通过动态扫描算法结合压力传感器，以及红外感应，Arduino单片机，LCD显示报警系统和物联网系统，分别进行数据的检测采样、转换传输、分析处理、汇总通信，实现将冰箱内储备情况冷藏层结霜情况告知用户。设计通过运用不同传感器检测不同数据量，最终实现智能冰箱系统。

智能冰箱; 单片机; 物联网

引言

在人们日常生活中，传统冰箱只能起到对于食品的保存及储备，而不能对于食品的用量情况进行分析和检测.时常会忽略和疏漏家中冰箱食物的储存量和剩余量，从而导致在需要相应食材时，才被动的发现所需食材已经用尽或余量不足。再者，由于冰箱冷藏柜内温度过低时常存在结霜情况，导致冰箱柜难以正常使用，为用户造成很多困扰。为解决这一系列问题，设计通过带有自动检测食物用量及冰箱内是否结霜情况，及时告知用户的智能冰箱系统，从而让用户可以及时补充储备不足的食物，及时除去冰箱结霜，为人们生活提供便利。

1.总体方案设计

1.1 系统的设计框架

系统主要由数据检测模块，数据分析处理模块，通信三大模块实现。数据检测模块应用微压力传感器接口电路以及红外传感器采集数据数据，其中包块传感器，放大电路，A/ D转换电路构成硬件电路；数据收集汇总分析处理基于智能控制模块（Arduino UNO R3），就地提示模块，蜂鸣器及LCD显示；通讯模块接入网络模块，设计采用Arduino＋w5100，实现智能家居的远程监控，将测定的数据上传至网络服务器，方便用户远程监控。

1.2 系统的模块设计

1.2.1 压力信号采集模块

应用微压力传感器对压力的感应特性，将压力转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接由单片机处理。因此，需要经A/D 转换为数字量。单片机通过对此数字量的处理，获得实际的压力值，根据所获得的压力值进行判断食物储量，驱动蜂鸣器及LCD显示器进行提示剩余量不足。

1.1.2 红外信号采集模块

根据红外传感器信号接收原理，根据接收端接收到的由发射端产生的信号，将发射器发出的红外线对准接收器，由接收器收集信号，将此信号经过A/D转换电路传输给单片机处理。单片机获得数字量变化判断结霜情况，将判断结果并驱动蜂鸣器和LCD显示屏进行提示。

2.硬件设计

2.1 压力传感器

采用电阻式薄膜传感器，这款压力传感器是将施加在薄膜区域的测量值转换成电阻值的变化，经过转换电路从而获得压力信息。压力越大，电阻越低。在相应区域内设置压力传感器，用单片机实现数据的采集和分析。

2.2 按键阵列扫描电路

考虑到能合理规划冰箱的存储空间，以冰箱中一个托盘为例，设计将托盘划分为四或九个区域，存储不同种类食物。每一个区域内下有相应的压力传感器检测食物，采用布线的方法，利用按键阵列扫描控制电路的原理来进行设计。

按键阵列判断，设计采用6个数字量接口和3个模拟量接口实现9块区域食物质量数据的采集。以其中一种情况为例，若要选中其中一块区域(设为1区），XO,X1.X2需要设定为‘1 0 0’，Y0.Y1.Y2需要设定为‘0 1 1’，这时1区域电路导通，电压一定，电流随压力传感器电阻增大而减小，从而RO两端电压也逐渐减小。将此电压值通过模拟接口A0送入单片机，由此便可实现食物质量的测量。

2.3 红外传感器

将红外接收和发射装置分别安装在托架下侧两边并对准。基于光的直线传播原理，当霜达到一定厚度后，红外发射头发出的红外线由光的反射与折射偏离原来的轨道，或者由于结霜原因遮挡住红外光线，使得红外接收装置无法接收信号。这时便将信息传送给单片机从而发出报警信号。

3.软件设计

采集数据主要分为两个部分：一是通过调用按键扫描函数进行数据收集，二是通过红外端直接经过A/D转换电路收集数据。相应的数据处理分为两部分：食物余量部分，收集到相应食物余量值保存余量，并相应设定提醒临界值，不断扫描刷新数据，当到达设定值时通过调用LCD显示函数本地提示，同时接入网络模块进行提示；结霜检查部分：I/O口根据预设高低电平判断红外传感器能否接收到红外线信号， 一旦没有则进行相应LCD本地提醒及网络通。

起初由用户初始化，当重新放入食物时按下复位键，记录清零。按键扫描，当有新食物放入时，读入初始值并在传输给单片机后，单片机根据新数据重新根据程序拟定提醒余量值。此后，根据按键扫描不断扫描刷新食物变化质量值，当满足情况报警情况后，显示结果，并且接入网络，提醒用户。

在每次复位刷新后，当由按键扫描模块获取最新食物质量时，单片机内部根据复位后初次的质量值设定余量提醒临界值。即假设初值为X，则根据实际情况最终设定在质量值=20% ＊ X 时，此时设定余量临界值保持不变存入单片机。此后，由于每次根据食物的消耗情况，单片机将每次读入的质量值与预设值进行比较，若大于预设值，则继续扫描读入新值；若小于等于预设值，则报警显示及用过网络告知用户。

4.结束语

顺应人工智能化的大趋势，针对冰箱单方面仅低温存储食物的功能和因为温度过度导致的结霜问题进行人工智能的改进。通过传感器检测环节收集冰箱存储食物质量的信息和结霜与否，经过转换电路传输数据，通过Arduino单片机进行数据分析处理，结合软件编程，在食物存储量不足及冷冻层结霜的时候，结合本地LCD显示器和远程网络通信自动通知用户。

[1]余勇权.单片机与家用电器智能化技术[M]电子工业出版社 1995

[2] 王君、祝超群等.单片机原理及控制技术[M] 北京：机械工业出版社 2010

[3］谭兴文，韩力.惠斯通电桥灵敏度的探究［J］西南师范大学学报（自然科学版），2008（8）：149-152

[4] 田景熙.物联网概论[M] 东南大学出版社2010