基于物聯(lián)網(wǎng)的智能冰箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能冰箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)引言隨著人民生活水平的飛速發(fā)展，生活節(jié)奏不斷加快，冰箱在家庭中起的作用也越來越大，但整理起來麻煩，同時(shí)也經(jīng)常弄不清楚食品是否用完或者遺忘某些食品在冰箱而造成各種生活麻煩。本設(shè)計(jì)采用射頻識(shí)別(RFID,RadioFrequencyIdentification)技術(shù)，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和信息處理技術(shù)，建立智能冰箱食品監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冰箱內(nèi)的食品記錄。那么冰箱內(nèi)食品可以通過查詢數(shù)據(jù)庫在冰箱的液晶屏上顯示，也可以通過手機(jī)發(fā)短信到冰箱查詢家里的食物，并且通過手機(jī)購買冰箱食物，滿足未來智能家居的需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)方向智能家居的投入正在迅速擴(kuò)大，RFID標(biāo)簽的成品也不斷地降低，將來可能取代條形碼成為食品外包，而且RFID標(biāo)簽以其耐用、持久、免維護(hù)著稱。隨著大多數(shù)人的家庭已達(dá)到小康水平的條件，渴望著更為方便、省事得家用電器。而本系統(tǒng)雖然只是雛形，但價(jià)格適中，而且采用較為前沿的技術(shù)，比傳統(tǒng)的冰箱更為省事，為都市人群忙碌的生活提供了便捷，解決眾多生活瑣碎事情，推向市場(chǎng)將為大部分人所接受。1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)總體方案根據(jù)智能冰箱終端的功能與技術(shù)要求情況，決定采用"硬件+軟件"的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)智能冰箱終端，應(yīng)用層在OS的基礎(chǔ)上根據(jù)項(xiàng)目的不同需求來編寫，各部分簡(jiǎn)要介紹如下：系統(tǒng)選用基于采用IntelXscalePXA270的硬件開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)是以IntelXScale架構(gòu)的ARM處理器。嵌入式操作系統(tǒng)選用WindowsCE5.0.WindowsCE是高度模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的設(shè)備需求通過PlatformBuilder工具進(jìn)行定制和裁減。應(yīng)用程序框架：qt-embedded-wince-opensource4.6具有豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫，動(dòng)態(tài)引擎，具有Widget樣式表，強(qiáng)大的圖形布畫和多線程功能;在WindowsCE上實(shí)現(xiàn)高性能、占位小等特點(diǎn)。本系統(tǒng)是作為一個(gè)家居電器，通過網(wǎng)絡(luò)可隨時(shí)對(duì)食品進(jìn)行查詢和上網(wǎng)，用戶可以通過短信了解到冰箱食品信息，決定是否網(wǎng)上購買。系統(tǒng)總體方案圖1如下。圖1系統(tǒng)框圖1.2系統(tǒng)模塊根據(jù)設(shè)計(jì)方案，我們將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三個(gè)主要模塊，如圖2所示。

圖2系統(tǒng)模塊圖1.3模塊功能詳細(xì)描述(1)食品狀態(tài)模塊。表1(2)網(wǎng)上購物模塊。表2(3)菜譜模塊。表32.硬件設(shè)計(jì)圖3系統(tǒng)硬件框圖2.1RFID讀寫器、天線模塊ISO18000-6CI系列讀寫器是深圳市先施科技股份有限公司自主開發(fā)的新一代遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽讀寫器，讀寫器所支持的標(biāo)簽主要是遵從ISO18000-6C(以下簡(jiǎn)稱"6C")協(xié)議的無源電子標(biāo)簽。用戶可以使用本讀寫器對(duì)6C電子標(biāo)簽進(jìn)行讀、寫、鎖定等功能操作。該讀寫器有主從、定時(shí)和觸發(fā)三種讀電子標(biāo)簽的工作方式，連接主機(jī)和控制器的通信接口有RS-232、RS-485和Wiegand接口。可以直接與具有標(biāo)準(zhǔn)韋根W26或W34接口的控制設(shè)備連接，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口與控制器或PC相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與交換;另外還有四路觸發(fā)信號(hào)輸入接口。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)冰箱內(nèi)壓力發(fā)生變化時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的函數(shù)使讀寫器掃描冰箱內(nèi)的食品標(biāo)簽。同時(shí)，該模塊提供一次讀寫多個(gè)標(biāo)簽，適合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)。2.2GPRS/GSM模塊該模塊采用鴻鵬電子有限公司DU600,它支持多種連接模式，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)通信的基本功能。智能冰箱的GPRS模塊只需要短信收發(fā)并且解譯收到的短信信息，只需要DU600選擇喚醒模式等待接收短信并且可以通過解譯短信后得到的指令發(fā)送控制指令到PXA270實(shí)現(xiàn)購買功能和查詢功能。2.3壓力傳感器模塊通過89C51單片機(jī)，集成了LCD模塊、串口模塊、24位ADC模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)感應(yīng)壓力的變化，通過串口傳送中斷信號(hào)到中控平臺(tái)。壓力傳感器HX711采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。當(dāng)壓力傳感器傳來變化時(shí)候才會(huì)發(fā)送信號(hào)到核心板說明冰箱內(nèi)有變化并開啟RFID掃描。2.4控溫模塊本模塊是基于單片機(jī)的制冷控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)溫度顯示，制冷溫度可調(diào)，最低可達(dá)零下10度。本模塊的溫度傳感器采用DS18B20.根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機(jī)(單片機(jī))控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)后等待16~60微秒左右，后發(fā)出60~240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。同時(shí)，本模塊采用了半導(dǎo)體制冷片，實(shí)現(xiàn)模擬冰箱保鮮功能。

圖5控溫模塊局部原理圖3軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件框圖基于WindowsCE5.0的智能冰箱的軟件框圖如圖6所示。

圖6軟件框圖3.2應(yīng)用程序開發(fā)(1)RFID實(shí)現(xiàn)過程。運(yùn)用RFID的API函數(shù)中ReadID讀取在冰箱內(nèi)的RFID卡，連續(xù)多次讀取RFID卡。讀取期間運(yùn)用防碰撞算法將讀取到的相同的RFID卡信息排除，然后將得到的RFID卡信息保存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，以便以后用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跟數(shù)據(jù)庫資料核對(duì)。完成讀取后，斷開RFID連接并且開始跟數(shù)據(jù)庫對(duì)比資料。這里我們采用了目前廣泛的二進(jìn)制樹防碰撞算法。讀寫器與應(yīng)答器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，往往要傳輸序列號(hào)的部分或者全部位，此時(shí)的傳輸順序定義為：先發(fā)送低位，再發(fā)送高位。在讀寫器或者應(yīng)答器內(nèi)部，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，遵循這樣的原則，即按位依次比較，先比較低位，再比較高位，約定0<1,根據(jù)這個(gè)比較順序，在判斷大小時(shí)，低位數(shù)據(jù)優(yōu)先，即兩數(shù)A,B相比較，從低位開始的第一個(gè)不相等位的大小決定了兩數(shù)的大小，只有當(dāng)兩個(gè)數(shù)的全部位均相等時(shí)，兩數(shù)才相等。二進(jìn)制樹算法執(zhí)行過程中，讀寫器會(huì)多次發(fā)送把應(yīng)答器分成兩組并且多次分組后得到唯一的一個(gè)應(yīng)答器命令給應(yīng)答器，而且在這個(gè)分組過程中命令參數(shù)以節(jié)點(diǎn)的形式存儲(chǔ)起來成一個(gè)數(shù)據(jù)的分叉樹，從而形成"二進(jìn)制樹".智能冰箱的二進(jìn)制樹防碰撞算法在應(yīng)答器內(nèi)進(jìn)行比較，因?yàn)樽x寫器可以有多個(gè)，而最后讀寫器讀到的數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)答器，因此選擇應(yīng)答器作為防碰撞算法的燒錄地方，這樣可以在應(yīng)答器接受了讀寫器讀到的標(biāo)簽排除相同后傳輸標(biāo)簽數(shù)據(jù)到主控平臺(tái)PXA270。

圖7RFID讀取流程圖(2)GPRS實(shí)現(xiàn)過程當(dāng)收到數(shù)據(jù)庫對(duì)比后請(qǐng)求購物的清單，通過QT運(yùn)行以C++代碼編寫的GPRS程序。首先從QT里得到需要發(fā)送到客戶的信息數(shù)據(jù)，然后用OnBnClickedBtnOpen()配置RS-232串口連接配置GPRS,等待GPRS連接成功。當(dāng)連接成功后GPRS會(huì)返回"AT+OPENAT=MODE:3#"數(shù)據(jù)確認(rèn)連接成功。然后通過OnBnClicked-BtnSend(string)這個(gè)函數(shù)發(fā)送信息到GPRS,然后GPRS會(huì)根據(jù)信息內(nèi)容發(fā)送到客戶的手機(jī)內(nèi)。發(fā)送成功后GPRS會(huì)待機(jī)5分鐘等待客戶發(fā)送回復(fù)確認(rèn)購買。倘若5分鐘內(nèi)客戶尚未回復(fù)確認(rèn)購買，則會(huì)自動(dòng)取消這次食物的購買并且斷開與GPRS連接;若5分鐘內(nèi)客戶回復(fù)確認(rèn)購買，則程序會(huì)返回一個(gè)確認(rèn)購買的信息并且斷開GPRS連接。

圖8GPRS算法流程圖

圖9壓力傳感器算法流程圖(3)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)過程當(dāng)冰箱打開的時(shí)候，PXA270對(duì)壓力傳感器通電。壓力傳感器第一次工作時(shí)會(huì)記錄初始時(shí)候重力。當(dāng)冰箱關(guān)閉時(shí)候，測(cè)量壓力傳感器的重力并對(duì)比初始時(shí)候重力，是否變化，若未變化過則關(guān)閉壓力傳感器并斷開壓力傳感ID讀寫器。(4)控溫實(shí)現(xiàn)過程由于PXA270外接插口問題，溫度傳感器基于單片機(jī)操作，不需要嵌入PAX270開發(fā)板上。溫度傳感器會(huì)伴隨著冰箱的啟動(dòng)而啟動(dòng)。當(dāng)溫度傳感器測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)會(huì)先將冰箱內(nèi)的溫度與設(shè)置的冰箱的溫度對(duì)比，若高于冰箱的溫度則開啟制冷裝置。制冷期間也不斷測(cè)量先冰箱的溫度并且比較設(shè)定的冰箱溫度值;若小于等于冰箱的設(shè)定的溫度值則關(guān)閉制冷裝置。單片機(jī)繼續(xù)接受從溫度傳感器傳來的冰箱的溫度并且比較設(shè)定的冰箱溫度值以準(zhǔn)備隨時(shí)開啟制冷保持冰箱的溫度。當(dāng)冰箱斷電時(shí)候單片機(jī)才會(huì)停止運(yùn)行直接冰箱通電后再次開啟并從頭初始化單片機(jī)。

圖10控溫算法流程圖(5)網(wǎng)上購物過程在這一過程中，我們指定了冰箱能夠直接訪問的物聯(lián)網(wǎng)超市網(wǎng)站，從而進(jìn)行對(duì)接。因此，我們本項(xiàng)目中，自己搭建了一個(gè)購物網(wǎng)站(ASP)，為的就是與該類產(chǎn)品進(jìn)行交互。通過調(diào)用系統(tǒng)自帶的頭文件中函數(shù)HINTERNETInternetOpenUrl()來打開一個(gè)完整的FTP、Gopher或HTTP網(wǎng)址的資源，從而可以獲取商品相關(guān)信息。另外，用戶需要登錄購物網(wǎng)站才能實(shí)現(xiàn)下單操作，這里，我們默認(rèn)每臺(tái)智能冰箱都配有一個(gè)專用的賬號(hào)來綁定登錄，通過POST方式提交頁面。當(dāng)冰箱登錄成功后，可以實(shí)現(xiàn)購買商品并下單。(6)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)通過SQLite,冰箱保存著食物的各種資料以便于查找。表4NowTab1NowTab1保存著上一次冰箱的食物表格，方便于與這次RFID讀取到得數(shù)據(jù)比對(duì)其中的變化，并且適當(dāng)刪除或者添加NowTab1數(shù)據(jù)以便下一次的對(duì)比，也可以顯示出現(xiàn)冰箱內(nèi)有的食物。

表5HistoryTab3HistoryTab3保存著從冰箱曾經(jīng)存放過的食物，以便于客戶可以查找曾經(jīng)買過的食物。表6SureTab2SureTab2保存著冰箱基本需求的食物表。這表是為了確認(rèn)如果NowTab1表的食物缺少一定量時(shí)跟SureTab2對(duì)比，某食物缺少了超過界限時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)購物程序并且購買缺少的食物防止冰箱食物缺少。表7NameTab4NameTab4保存著與編號(hào)相對(duì)應(yīng)的名稱。NameTab4是為了方便從RFID讀到的信息中得出此食物的名稱。若查到不到名稱，則可以通過編號(hào)網(wǎng)上查找到名稱并且添加到AddrTab5表中以便以后查找之用。表8AddrTab5AddrTab5可以根據(jù)地址編號(hào)得出地址名。AddrTab5是為了方便從RFID讀到的信息中得出此食物的生產(chǎn)地址。若查到不到地址，則可以通過地址編號(hào)網(wǎng)上查找到地址并且添加到AddrTab5表中以便以后查找之用。表9Cookbook5可以根據(jù)Cookbook5先列出冰箱可以烹飪的食材跟菜譜。Cookbook5是數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的菜譜，方便從冰箱現(xiàn)有食材中查找到可以烹飪的菜譜。Cookbook5可以通過網(wǎng)上下載菜譜保存到數(shù)據(jù)庫中。表10RDCookbook6可以通過RDCookbook6得到推薦的食譜。RDCookbook6是冰箱現(xiàn)有食材根據(jù)Cookbook5的菜譜得出現(xiàn)在最有可能烹飪的的菜譜羅列出來。(7)GUI界面設(shè)計(jì)本系統(tǒng)GUI采用QTE實(shí)現(xiàn)。①簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)概述在主界面的左邊入放置了一個(gè)groupBox控件，里面加入了四個(gè)pushBotton,它們分別代表：主界面、食品狀態(tài)、網(wǎng)上購物和食譜推薦。主界面的右邊放置的是stackedWidget控件，一共添加了五個(gè)頁面來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同功能模塊的顯示。通過信號(hào)和槽連接按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能界面的跳轉(zhuǎn)。②主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法?！耠[藏標(biāo)題欄。his->setWindowFlags(Qt::FramelessWindowHint);this->setWindowModality(Qt::ApplicationModal);●日歷的顯示。//顯示日期curFile=QDateTime::currentDateTime()。toString("dd");ui->label_9->setStyleSheet("font-size:30px");ui->label_9->setText(curFile);//顯示年月curFileyear=QDateTime::currentDateTime()。toString("2011-MM");ui->label_8->setStyleSheet("font-size:18px");ui->label_8->setText(curFileyear);●動(dòng)態(tài)更新時(shí)間。QTimer*timer=newQTimer();connect(timer,SIGNAL(timeout())，this,SLOT(timerUpDate()));timer->start(1000);voidicebox::timerUpDate(){curFiletime=QDateTime::currentDat