基于RFID与物联网的人机交互式冰箱

刘春池，刘搏飞，邢晓鹏，隋盛誉，孙嘉成，李广凯，谢印庆

（大连理工大学城市学院，辽宁 大连 116600）

0 引 言

冰箱作为家庭常用电器，在人们的日常生活中必不可缺，但是目前的冰箱在智能化方面还有不足，尤其在信息互联方面更是有待提高。用户在使用冰箱过程中往往是随取随用，经常会忽略对所存物品情况的掌握，不能及时发现所存物品不足[1-5]。为了解决这一问题，使得用户能够随时随地便捷地了解冰箱内的物品情况，本文利用信息互联技术来实现人与冰箱的交互。

1 系统总体方案

用户将物品存入冰箱之后，内在的识别系统自动进行识别并将信息上传至云端存储，当用户使用相对应开发的APP时会将识别到的信息实时展示给用户，并可依据现有信息给予用户一系列提示，方便用户操作管理。系统整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

2 主要模块

2.1 RFID读写模块

射频识别RFID是无线通信技术的一种，其作用是通过无线电识别特殊物品，并读写相关数据。从结构上来说，RFID是一种较为简易的系统，用于识别、追踪和检测物体。当用户准备在冰箱内存入若干物品时，系统会赋予每个物品“专属标签”；关上冰箱门时，冰箱内置的射频模块即开始工作[6]。通过识别标签，将读取到的信息通过单片机进行分析处理[7]。RFID读写模块如图2所示。

图2 RFID读写模块

2.2 重力传感模块

重力传感模块使用电阻应变式传感器进行称重检测。电阻应变式传感器是一种能够将各种力学量转换为电信号的结构型传感器，将数据采集后进行A/D数模转换，传输至单片机并将处理的数据输出。工作方式如图3所示。

图3 称重模块工作流程

当用户将赋予专属标签的物品放入冰箱时，重力传感器接收信号并开始工作，得到物品的具体重量数据后与RFID扫描的数据一同上传云端存储；用户打开APP后即可调用当前物品的数据，获知冰箱内部物品信息[8-10]。重力传感器的读写流程如图4所示。

图4 重力传感器的读写流程

3 系统软件设计

单片机将冰箱内部各个传感器采集到的数据实时发送，同时数字数据值加0x30后转化为字符型数据，并将数据写在数组中，将数组通过蓝牙通信或L6104G模块发送至手机端。

用户通过操纵开发出的APP，选择查询冰箱中的食材信息或调用网络摄像头。用户也可手动选择菜谱，客户端依据健康饮食方案给予用户合理的建议。具体流程如图5所示。

图5 APP端用户操作

用户只需要在触摸屏的人机交互界面上进行简单的调用，就可看到食物的重量、状态和保质期等信息，提高了用户食用食物的安全性和可靠性。

系统接收到用户的反馈后，从数据库中查询信息并返回数据，与用户的反馈信息相匹配，依据用户不同的操作调用物品信息、推荐菜谱，最后将返回结果显示在UI中。具体信息交互过程如图6所示。

图6 APP信息调用与反馈过程

用户在市场买菜时，通过手机APP搜索菜谱，查看所需食材，了解冰箱已有食材和缺少的食材。在用户做菜时还会给出具体制作过程。

4 性能及参数

4.1 关键性能指标

在工作电压DC3.5～5 V区间内RFID模块工作，处于待机状态时电流小于80 mA（EN脚高电平），处于睡眠状态时电流小于100 μA（EN脚低电平），处于工作状态时电流 为 180 mA@ 3.5 V（26 dBm Output，25 ℃）、110 mA@3.5 V（18 dBm Output，25 ℃）。系统启动时间小于100 ms，处于工作状态下系统温度介于-20～70℃范围内，储藏室温度介于-20～85℃范围内，工作湿度小于95%（+25℃），工作频谱介于840～960 MHz，空中接口协议为EPCglobalUHF Class1Gen2/ISO 18000-6C。

4.2 检测功能的实现

对每个附有电子标签的物体进行识别和称重，然后观察并记录反馈成功的次数，得到的成功率见表1所列。

表1 称重识别成功率

5 结 语

本文提出了一种基于RFID与物联网的人机交互式冰箱，该系统主要由嵌入式开发板、重力检测模块、RFID模块等组成。识别检测冰箱内存放的物品并获取相应的信息主要依靠RFID模块和重力检测模块实现[8]，嵌入式开发板是程序实现的核心部分，通过内在的通信模块将采集的数据上传，并与手机远程通信，在手机端将采集的数据进行处理和传输并开发成APP，最终实现人与冰箱的信息交互，项目可行有效。