智能冰箱关键技术研究

智能冰箱关键技术研究

刘尚旺;尚新闻

【摘 要】针对传统冰箱缺乏智能性,难以满足物联网时代需求的问题,提出一种智能

冰箱原型系统.该系统集成冰箱端开发板、移动客户端及服务器端应用程序的设计

与实现.冰箱端选用基于OK6410的ARM11开发板,通过WinCE系统将收集到的

食品数据实时传输给远程服务器,并将其保存到数据库中;数据库服务器端,提出最优

时隙防冲突算法,根据标签数目分配帧长,使得所有标签分得帧长时隙以解决多标签

同时读/写数据碰撞问题;客户端用户通过无线保真(WiFi)网络、移动通信网络等连

接到远程服务器,随时随地管理冰箱.仿真实验结果表明,所设计与实现的冰箱食品信

息远程查看与管理、饮食搭配菜谱智能推荐、冰箱周期清理和食品保鲜期限实时提

醒等功能科学、合理和实用.%In allusion to the problem that it is difficult for

the traditional refrigerator to meet the demand of Internet of

Things(IoT)era due to its lack of intelligence,a prototype system of

intelligent refrigerator is proposed. In the system,the re-frigerator

development board is integrated,and application programs of mobile

client and server are designed and implemented. On the refrigerator

side,the OK6410 based ARM11 development board is selected,and the

collected food data is transmitted to the remote server in real time by

means of Wince system,and then stored in the database. On the database

server side,the opti-mal time slot anti-collision algorithm is proposed. The

frame length is distributed based on the label number so that all tags can

obtain the frame length time slot to resolve the data collision problem

when multiple tags are read or written simultaneously. On the client

side,users are connected to the remote server via wireless

fidelity(WiFi)network,mobile communication network and other means to

manage the refrigerator anywhere and anytime. The simulation experiment

results show that the functions de-signed and implemented in this paper

such as remote view and management of refrigerator food

information,intelligent recom-mendation of diet collocation menu,periodic

refrigerator cleaning and real-time reminding of food freshness lifetime

are scientif-ic,reasonable and practical.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2018(041)006

【总页数】5页(P112-116)

【关键词】智能冰箱;物联网;冰箱端开发板;移动客户端;服务器端;最优时隙防冲突

算法

【作 者】刘尚旺;尚新闻

【作者单位】河南师范大学 计算机与信息工程学院,河南 新乡453007;河南师范大

学"智慧商务与物联网技术"河南省工程实验室,河南 新乡453007;河南师范大学

计算机与信息工程学院,河南 新乡453007;新乡职业技术学院 电子信息系,河南 新

乡453006

【正文语种】中 文

【中图分类】TN915-34;TP399

0 引 言

物联网时代，事关饮食的智能冰箱显得尤为重要。目前，冰箱已从单纯的食品保鲜

和储存载体转变成为基于ARM等开发板进行检测、识别、监控和存储信息[1]的

智能冰箱。自从2000年韩国LG公司推出全球第一台“互联网”冰箱以来，就掀

起了智能冰箱的研究热潮。但是，目前智能冰箱还存在一些问题。为此，本文旨在

提高传统冰箱智能化，设计、实现出一种智能冰箱原型系统即智能冰箱管家系统，

即通过传感器节点和射频识别技术采集相关数据，在数据库服务器上通过智能算法

完成数据的智能处理，用户通过移动终端设备接入局域网或通过移动蜂窝网访问服

务器，即可查看、接收智能化处理结果或远程操控冰箱。

1 智能冰箱原型系统的设计与实现

1.1 冰箱端开发板

冰箱端开发板选用基于OK6410的ARM11开发板，可连接RFID读写器、触摸

屏及各类数据采集传感器，还可接置多类传感器和多种接口。其嵌入式操作系统采

用WinCE 6.0系统，将基于WinCE 6.0系统的温度采集、清理周期、囤货查看等

功能的应用代码，置于内核和硬件之间的硬件抽象层（Hardware Abstraction

Layer，HAL）。该功能图形用户界面友好，显示屏支持触屏操作，可完成本地手

工录入（备选）与查看冰箱内存货、查看温度数据等功能；该液晶显示屏置于冰箱

外部，方便可视化操作，而且方便之后系统升级更新人机交互设计[2]。

1.2 数据库服务器端

1.2.1 基于RFID标签的食品信息采集模块

RFID适合冰箱内部工作环境，尤其有源RFID具有存储量大、自动识别、可循环

使用等特点；能够自动、自主完成食品出入冰箱时的信息采集；能够较好地满足智

能冰箱的管理要求。本文设计、实现了基于RFID标签读/写技术的食品信息采集

与处理模块[3]，如图1所示。

图1 物品信息管理系统图Fig.1 Diagram of item information management

system

1.2.2 冰箱信息数据处理模块

冰箱内所存物品种类较多，读取标签或同时读取较多标签时容易发生碰撞冲突，导

致数据丢失[4]。本文研究发现，结合基于二进制防冲突算法和ALOHA算法的优

点[5-8]，通过标签数目寻求最优帧长，可以解决碰撞冲突问题。

目前，RFID防冲突算法主要有以下两种：基于二进制树的防冲突算法和基于

ALOHA的防冲突算法。总结两种算法的优点，根据标签数数目寻求最佳时隙，本

文提出改进算法：最优时隙防冲突算法。

最优时隙防冲突算法原理：设标签数目为m，帧长为L。根据标签对时隙的选择符

合二项分布规律，可知当前帧中单时隙数目期望为：

通过求极值方法算出最大化信道使用率，则 得 出 使 用 效 率 为

本文数据库服务器主要通过优化分布式查询算法完成用户查询需求，采用模糊聚类

算法完成对用户偏好的预测。本文在MySQL数据库服务器上采用模糊聚类进行智

能冰箱大数据处理。若θj表示第 j个聚类的表达，U是一个 N⋅m矩阵，它的(i,j)

元素等于uj(xi)，d(xi,θj)代表 xi和 θj之间的不相似性，q(＞1)是模糊性参数，

则使代价函数最小，如下：

式中，θ和U满足的约束条件是：

式 中 ：

由式（2）可知，xi在所有聚类中的隶属度是相互关联的。Jq(θ,U)最小化，使用拉

格朗日中值定理，有：

对 J(θ,U)求 urs偏导数得到：

将式（4）代入式（2），得到：

合并式（4）、式（5）变换得：

对 J(θ,U)中 θj求偏导数，并令偏导为 0，得：

接着，采用基于概率的聚类算法，根据贝叶斯定理[9]得：

式中：W表示词向量；C表示类变量。

具体步骤：训练数据对所有C和Wi学习P(C),P(Wi|C)。测试朴素贝叶斯分类器对

每个类C计算后验概率又 C，P(W)是固定的，所以是最大的类，即W所属的类。

朴素贝叶斯聚类器简单、快速、低存储需求，属性之间的关联性会在一定程度上降

低其聚类性能，在属性相关领域表现出很好的性能。

数据库通过朴素贝叶斯聚类、关联规则的Apriori算法分析用户菜单查看菜谱数据。

菜单按照：养生、家宴、早餐、午餐和晚餐进行分类，并采集足够的数据进行训练。

之后，用户点击菜谱功能，选择不同菜单类别，服务器则可将挖掘出的用户偏好信

息推荐用户倾向的菜谱。

1.3 移动客户端

物联网在互联网体系结构基础上进行延展，通过RFID、无线通信等技术，在超大

数据库的基础上，利用移动智能终端联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享

[10]，其意义在于能够让物品也彼此进行“交流沟通”，无需人工干预。通过对各

个年龄阶段的用户使用冰箱习惯进行市场调研，发现用户在物品存储和冰箱清理方

面存在食品安全隐患。

为此，本文设计、实现了基于Android 4.0版本以上的移动客户端APP，共分为

5大功能板块：我的囤货、温度、保鲜期、清理、小菜大厨。

2 仿真实验结果与分析

本文设计、实现的智能冰箱管家原型系统实物图，如图2所示。

2.1 感知层

该层包括基于OK6410的开发板及与其相连的RFID、温度、重力等各类传感器。

对温度传感器测试，图3所示是开发板采集到温度信息，并传送保存到服务器数

据库。

图2 智能冰箱管家系统图Fig.2 Diagram of intelligent refrigerator manager

system

图3 温度同步测试图Fig.3 Diagram of temperature synchronization testing

2.2 网络层

开发板配置固定IP，并与服务器在同一网段，可实现服务器上数据库和客户端之

间的网络连接通信。对主机数据传输测试如图4所示。

图4 服务器流量分析图Fig.4 Diagram of server traffic analysis

2.3 应用层

2.3.1 数据库服务器

服务器上的数据库基于混合型数据库模型，需要完成对大量的外部数据整合，并对

用户行为进行分析，物联网对服务器提出了更高的要求，模拟1 000个用户对该

系统服务器进行压力测试和性能测试，其结果如图5所示。

2.3.2 移动客户端

手机接入物联网访问服务器，对手机客户端APP进行测试功能测试和性能测试。

程序在不同界面都需要读取服务器上对应的数据，该系统把读取数据的工作交给后

台服务，让后台服务循环读取。通过3款不同的安卓手机进行测试应用的消息推

送速度和应用响应速度，测试机器信息如表1所示。

图5 性能与压力测试图Fig.5 Diagrams of Performance and pressure testing

表1 测试机配置信息Table 1 Configuration information of testing machine

品牌小米魅族三星型号小米3 MAX4PRO Galaxy A9系统版本Android 4.0

Android 4.4.4 Android 6.0 RAM容量/GB 2 3 4 ROM容量/GB 16 16 32

消息推送速度：在无线局域网下，数据库中相关数据达到阈值，通过网络传输推送

到客户端，算法时间复杂度越低，时间越快。

应用响应速度：加载相同的应用程序，完成相同的数据加载需求，时间越长，用户

体验越差。

手机客户端APP程序在不同界面都需要读取服务器上对应的数据，数据库每2 s

更新1次，以保证用户访问到实时数据。图6中为三款机型的测试数据。

该手机APP在实现数据查看的基础功能上，增加消息推送功能，主要基于温度、

清理、保鲜期提醒三大功能，当出现异常时，数据“开口”主动传送信息给用户，

方便用户对冰箱管理；同时智能菜谱功能可实现根据用户饮食习惯推荐菜谱，并且

智能匹配出用户选择菜谱所缺食材，大大增强了人机交互能力。图7为手机客户

端APP主界面和消息推送界面。从图7可以看出，手机客户端APP可实现消息推

送功能，具有较强的人机交互能力。

图6 三款机型测试数据Fig.6 Test data of three types of mobile phones

图7 手机APPFig.7 Mobile APP

3 结 语

本文提出一种对传统冰箱进行智能化改进的方法开发板和RFID读写器对数据进行

采集，数据库服务器能够利用模糊聚类等算法完成对数据的融合与挖掘，手机客户

端实现5大功能：查看囤货、温度监测、清理提醒、菜谱功能、保质期提醒，拟

提供管家服务。仿真实验结果表明，在移动互联物联网环境下，提出的RFID改进

型防冲突算法提高了对食物数据记录的速度和精确度；手机客户端APP经过测试，

运行流畅。该系统适用于所有传统冰箱，APP适用于安卓系统4.0以上版本的手

机，用户体验性好，操作简单，让用户生活更健康。

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