一種智能冰箱的設計

一種智能冰箱的設計

陳思羽 丁 一 東華大學信息科學與技術學院

研究冰箱智能化問題，提出一種基于單片機的智能檢測冰箱內食物及結霜情況系統。該系統通過動態掃描算法結合壓力傳感器，以及紅外感應，Arduino單片機，LCD顯示報警系統和物聯網系統，分別進行數據的檢測采樣、轉換傳輸、分析處理、匯總通信，實現將冰箱內儲備情況冷藏層結霜情況告知用戶。設計通過運用不同傳感器檢測不同數據量，最終實現智能冰箱系統。

智能冰箱; 單片機; 物聯網

引言

在人們日常生活中，傳統冰箱只能起到對于食品的保存及儲備，而不能對于食品的用量情況進行分析和檢測.時常會忽略和疏漏家中冰箱食物的儲存量和剩余量，從而導致在需要相應食材時，才被動的發現所需食材已經用盡或余量不足。再者，由于冰箱冷藏柜內溫度過低時常存在結霜情況，導致冰箱柜難以正常使用，為用戶造成很多困擾。為解決這一系列問題，設計通過帶有自動檢測食物用量及冰箱內是否結霜情況，及時告知用戶的智能冰箱系統，從而讓用戶可以及時補充儲備不足的食物，及時除去冰箱結霜，為人們生活提供便利。

1.總體方案設計

1.1 系統的設計框架

系統主要由數據檢測模塊，數據分析處理模塊，通信三大模塊實現。數據檢測模塊應用微壓力傳感器接口電路以及紅外傳感器采集數據數據，其中包塊傳感器，放大電路，A/ D轉換電路構成硬件電路；數據收集匯總分析處理基于智能控制模塊（Arduino UNO R3），就地提示模塊，蜂鳴器及LCD顯示；通訊模塊接入網絡模塊，設計采用Arduino＋w5100，實現智能家居的遠程監控，將測定的數據上傳至網絡服務器，方便用戶遠程監控。

1.2 系統的模塊設計

1.2.1 壓力信號采集模塊

應用微壓力傳感器對壓力的感應特性，將壓力轉換為模擬的電壓輸出，此輸出信號不能直接由單片機處理。因此，需要經A/D 轉換為數字量。單片機通過對此數字量的處理，獲得實際的壓力值，根據所獲得的壓力值進行判斷食物儲量，驅動蜂鳴器及LCD顯示器進行提示剩余量不足。

1.1.2 紅外信號采集模塊

根據紅外傳感器信號接收原理，根據接收端接收到的由發射端產生的信號，將發射器發出的紅外線對準接收器，由接收器收集信號，將此信號經過A/D轉換電路傳輸給單片機處理。單片機獲得數字量變化判斷結霜情況，將判斷結果并驅動蜂鳴器和LCD顯示屏進行提示。

2.硬件設計

2.1 壓力傳感器

采用電阻式薄膜傳感器，這款壓力傳感器是將施加在薄膜區域的測量值轉換成電阻值的變化，經過轉換電路從而獲得壓力信息。壓力越大，電阻越低。在相應區域內設置壓力傳感器，用單片機實現數據的采集和分析。

2.2 按鍵陣列掃描電路

考慮到能合理規劃冰箱的存儲空間，以冰箱中一個托盤為例，設計將托盤劃分為四或九個區域，存儲不同種類食物。每一個區域內下有相應的壓力傳感器檢測食物，采用布線的方法，利用按鍵陣列掃描控制電路的原理來進行設計。

按鍵陣列判斷，設計采用6個數字量接口和3個模擬量接口實現9塊區域食物質量數據的采集。以其中一種情況為例，若要選中其中一塊區域(設為1區），XO,X1.X2需要設定為‘1 0 0’，Y0.Y1.Y2需要設定為‘0 1 1’，這時1區域電路導通，電壓一定，電流隨壓力傳感器電阻增大而減小，從而RO兩端電壓也逐漸減小。將此電壓值通過模擬接口A0送入單片機，由此便可實現食物質量的測量。

2.3 紅外傳感器

將紅外接收和發射裝置分別安裝在托架下側兩邊并對準。基于光的直線傳播原理，當霜達到一定厚度后，紅外發射頭發出的紅外線由光的反射與折射偏離原來的軌道，或者由于結霜原因遮擋住紅外光線，使得紅外接收裝置無法接收信號。這時便將信息傳送給單片機從而發出報警信號。

3.軟件設計

采集數據主要分為兩個部分：一是通過調用按鍵掃描函數進行數據收集，二是通過紅外端直接經過A/D轉換電路收集數據。相應的數據處理分為兩部分：食物余量部分，收集到相應食物余量值保存余量，并相應設定提醒臨界值，不斷掃描刷新數據，當到達設定值時通過調用LCD顯示函數本地提示，同時接入網絡模塊進行提示；結霜檢查部分：I/O口根據預設高低電平判斷紅外傳感器能否接收到紅外線信號， 一旦沒有則進行相應LCD本地提醒及網絡通。

起初由用戶初始化，當重新放入食物時按下復位鍵，記錄清零。按鍵掃描，當有新食物放入時，讀入初始值并在傳輸給單片機后，單片機根據新數據重新根據程序擬定提醒余量值。此后，根據按鍵掃描不斷掃描刷新食物變化質量值，當滿足情況報警情況后，顯示結果，并且接入網絡，提醒用戶。

在每次復位刷新后，當由按鍵掃描模塊獲取最新食物質量時，單片機內部根據復位后初次的質量值設定余量提醒臨界值。即假設初值為X，則根據實際情況最終設定在質量值=20% ＊ X 時，此時設定余量臨界值保持不變存入單片機。此后，由于每次根據食物的消耗情況，單片機將每次讀入的質量值與預設值進行比較，若大于預設值，則繼續掃描讀入新值；若小于等于預設值，則報警顯示及用過網絡告知用戶。

4.結束語

順應人工智能化的大趨勢，針對冰箱單方面僅低溫存儲食物的功能和因為溫度過度導致的結霜問題進行人工智能的改進。通過傳感器檢測環節收集冰箱存儲食物質量的信息和結霜與否，經過轉換電路傳輸數據，通過Arduino單片機進行數據分析處理，結合軟件編程，在食物存儲量不足及冷凍層結霜的時候，結合本地LCD顯示器和遠程網絡通信自動通知用戶。

[1]余勇權.單片機與家用電器智能化技術[M]電子工業出版社 1995

[2] 王君、祝超群等.單片機原理及控制技術[M] 北京：機械工業出版社 2010

[3］譚興文，韓力.惠斯通電橋靈敏度的探究［J］西南師范大學學報（自然科學版），2008（8）：149-152

[4] 田景熙.物聯網概論[M] 東南大學出版社2010