基于物联网技术的智能冰箱设计与实现

    0引言

    随着人民生活水平的飞速发展，生活节奏不断加快，冰箱在家庭中起的作用也越来越大，但整理起来麻烦，同时也经常弄不清楚食品是否用完或者遗忘某些食品在冰箱而造成各种生活麻烦。     

    本设计采用射频识别（RFID,Radio Frequency Identification）技术，并结合互联网和信息处理技术，建立智能冰箱食品监管系统，实现对冰箱内的食品记录。那么冰箱内食品可以通过查询数据库在冰箱的液晶屏上显示，也可以通过手机发短信到冰箱查询家里的食物，并且通过手机购买冰箱食物，满足未来智能家居的需求。     

    随着物联网的发展，物联网方向智能家居的投入正在迅速扩大，RFID标签的成品也不断地降低，将来可能取代条形码成为食品外包，而且RFID标签以其耐用、持久、免维护着称。随着大多数人的家庭已达到小康水平的条件，渴望着更为方便、省事得家用电器。而本系统虽然只是雏形，但价格适中，而且采用较为前沿的技术，比传统的冰箱更为省事，为都市人群忙碌的生活提供了便捷，解决众多生活琐碎事情，推向市场将为大部分人所接受。     

    1 系统总体方案设计    

    1.1系统总体方案

    根据智能冰箱终端的功能与技术要求情况，决定采用"硬件+软件"的系统结构来设计智能冰箱终端，应用层在OS的基础上根据项目的不同需求来编写，各部分简要介绍如下：    

    系统选用基于采用Intel Xscale PXA270的硬件开发平台，该平台是以Intel XScale架构的ARM处理器。    

    嵌入式操作系统选用Windows CE5.0. Windows CE是高度模块化的嵌入式操作系统，用户可以根据自己的设备需求通过Platform Builder工具进行定制和裁减。    

    应用程序框架：qt-embedded-wince-opensource4.6具有丰富的标准库，动态引擎，具有Widget样式表，强大的图形布画和多线程功能；在Windows CE上实现高性能、占位小等特点。     

    本系统是作为一个家居电器，通过网络可随时对食品进行查询和上网，用户可以通过短信了解到冰箱食品信息，决定是否网上购买。系统总体方案图1如下。

图1系统框图

    1.2系统模块

    根据设计方案，我们将整个系统划分为三个主要模块，如图2所示。

图2系统模块图

    1.3模块功能详细描述

    （1）食品状态模块。     

表1   

    （2）网上购物模块。

表2   

    （3）菜谱模块。

表3

    2.硬件设计  

图3系统硬件框图     

    2.1RFID读写器、天线模块

    ISO18000-6CI系列读写器是深圳市先施科技股份有限公司自主开发的新一代远距离电子标签读写器，读写器所支持的标签主要是遵从ISO18000-6C（以下简称"6C"）协议的无源电子标签。用户可以使用本读写器对6C电子标签进行读、写、锁定等功能操作。该读写器有主从、定时和触发三种读电子标签的工作方式，连接主机和控制器的通信接口有RS-232、RS-485和Wiegand接口。可以直接与具有标准韦根W26或W34接口的控制设备连接，也可以通过标准通信接口与控制器或PC相连，进行数据通信与交换；另外还有四路触发信号输入接口。当压力传感器检测冰箱内压力发生变化时，触发相应的函数使读写器扫描冰箱内的食品标签。同时，该模块提供一次读写多个标签，适合本项目设计。     

    2.2GPRS/GSM模块

    该模块采用鸿鹏电子有限公司DU600,它支持多种连接模式，可以实现手机通信的基本功能。智能冰箱的GPRS模块只需要短信收发并且解译收到的短信信息，只需要DU600选择唤醒模式等待接收短信并且可以通过解译短信后得到的指令发送控制指令到PXA270实现购买功能和查询功能。  

图4读写器和电子标签的工作示意图    

    2.3压力传感器模块

    通过89C51单片机，集成了LCD模块、串口模块、24位ADC模块。该模块主要负责感应压力的变化，通过串口传送中断信号到中控平台。     

    压力传感器HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。当压力传感器传来变化时候才会发送信号到核心板说明冰箱内有变化并开启RFID扫描。     

    2.4控温模块

    本模块是基于单片机的制冷控制系统，实时温度显示，制冷温度可调，最低可达零下10度。    

    本模块的温度传感器采用DS18B20.根据DS18B20的通信协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右，后发出60~240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。同时，本模块采用了半导体制冷片，实现模拟冰箱保鲜功能。     

图5控温模块局部原理图     

    3软件设计     

    3.1系统软件框图

    基于WindowsCE5.0的智能冰箱的软件框图如图6所示。

图6软件框图   

    3.2应用程序开发

    （1）RFID实现过程。

    运用RFID的API函数中ReadID读取在冰箱内的RFID卡，连续多次读取RFID卡。读取期间运用防碰撞算法将读取到的相同的RFID卡信息排除，然后将得到的RFID卡信息保存在数据结构内，以便以后用数据结构跟数据库资料核对。完成读取后，断开RFID连接并且开始跟数据库对比资料。     

    这里我们采用了目前广泛的二进制树防碰撞算法。读写器与应答器之间进行数据交换时，往往要传输序列号的部分或者全部位，此时的传输顺序定义为：先发送低位，再发送高位。在读写器或者应答器内部，对数据进行比较时，遵循这样的原则，即按位依次比较，先比较低位，再比较高位，约定0<1,根据这个比较顺序，在判断大小时，低位数据优先，即两数A,B相比较，从低位开始的第一个不相等位的大小决定了两数的大小，只有当两个数的全部位均相等时，两数才相等。二进制树算法执行过程中，读写器会多次发送把应答器分成两组并且多次分组后得到唯一的一个应答器命令给应答器，而且在这个分组过程中命令参数以节点的形式存储起来成一个数据的分叉树，从而形成"二进制树".智能冰箱的二进制树防碰撞算法在应答器内进行比较，因为读写器可以有多个，而最后读写器读到的数据发送给应答器，因此选择应答器作为防碰撞算法的烧录地方，这样可以在应答器接受了读写器读到的标签排除相同后传输标签数据到主控平台PXA270。  

图7RFID读取流程图

    （2）GPRS实现过程     

    当收到数据库对比后请求购物的清单，通过QT运行以C++代码编写的GPRS程序。首先从QT里得到需要发送到客户的信息数据，然后用OnBnClickedBtnOpen（）配置RS-232串口连接配置GPRS,等待GPRS连接成功。     

    当连接成功后GPRS会返回"AT+OPENAT=MODE:3#"数据确认连接成功。然后通过OnBnClicked-BtnSend（string）这个函数发送信息到GPRS,然后GPRS会根据信息内容发送到客户的手机内。发送成功后GPRS会待机5分钟等待客户发送回复确认购买。     

    倘若5分钟内客户尚未回复确认购买，则会自动取消这次食物的购买并且断开与GPRS连接；若5分钟内客户回复确认购买，则程序会返回一个确认购买的信息并且断开GPRS连接。

图8GPRS算法流程图 

图9压力传感器算法流程图     

    （3）压力传感器实现过程

    当冰箱打开的时候，PXA270对压力传感器通电。压力传感器第一次工作时会记录初始时候重力。当冰箱关闭时候，测量压力传感器的重力并对比初始时候重力，是否变化，若未变化过则关闭压力传感器并断开压力传感ID读写器。    

    （4）控温实现过程

    由于PXA270外接插口问题，温度传感器基于单片机操作，不需要嵌入PAX270开发板上。温度传感器会伴随着冰箱的启动而启动。当温度传感器测到的数据发送给单片机时，单片机会先将冰箱内的温度与设置的冰箱的温度对比，若高于冰箱的温度则开启制冷装置。制冷期间也不断测量先冰箱的温度并且比较设定的冰箱温度值；若小于等于冰箱的设定的温度值则关闭制冷装置。单片机继续接受从温度传感器传来的冰箱的温度并且比较设定的冰箱温度值以准备随时开启制冷保持冰箱的温度。当冰箱断电时候单片机才会停止运行直接冰箱通电后再次开启并从头初始化单片机。