智能冰箱

智能冰箱（共5篇）

智能冰箱 篇1

物联网“Internet of thing (Io T) ”是新一代信息技术的重要组成部分, 也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网作为一个新经济增长点的战略新兴产业, 具有良好的市场效应。在此背景下智能家居 (smart home) 蓬勃发展, 智能冰箱作为智能家居产品的代表逐渐进入人们的视野。所谓智能冰箱, 就是能对冰箱进行智能化控制同时对食品进行智能化管理的冰箱类型。具体来说, 就是能自动进行冰箱模式调节, 始终让食品保持最佳存储状态, 用户可以通过手机或电脑等终端, 随时随地了解冰箱里的食品数量、保鲜保质信息, 可为用户提供健康食谱和营养禁忌, 可提醒用户定时补充食品等。

1 系统总体方案设计

该系统以飞思卡尔公司生产的kinetis系列的K60FX512VL Q15 (简称K60) 芯片为控制核心。K60是飞思卡尔公司设计的一款性能卓越的芯片, 该芯片结合了最新的低功耗革新技术和高性能与普通外设内存, 内存映射并提供内部和系列之间轻松移包和功能可扩展性。此外作为一款32位的单片机, 拥有足够多的IO口, 片内集成各种通信模块, 作为智能冰箱的控制系统很合适。

1.1 系统模块

智能冰箱设计的主要目标为冰箱使用者。通过射频技术 (Radio Frequency Identification, RFID) 和传感器技术 (Sensor Technology) 的应用, 对食品进行实时扫面, 将食品的固有属性变换成数字信息存入数据处理系统, 通过数据分析, 自动进行模式调节, 使食品保持最佳存储状态。另外, 随着物联网的发展, 数据信息不断完善, 智能冰箱还可以根据使用者每日从中取出的食品营养成分含量、食品数量等判断使用者的饮食习惯是否健康、营养成分搭配是否合理, 并推荐相应的食谱等。据此可将整个系统主要分为两个模块, 如图1所示。

(1) 食品管理模块 (表1) 。

(2) 系统控制模块 (表2) 。

1.2 RFID读写模块

射频识别 (RFID) 是一种无线通信技术, 可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。最基本的RFID系统由3部分构成:应答器, 阅读器, 应用软件系统。应答器由天线、耦合元件及芯片组成, 一般来说是用标签作为应答器, 每个标签具有唯一的电子编码, 附着在物体上标示目标对象。阅读器是读取标签信息的设备, 可设计为手持式或固定式读写器。应用系统软件主要是把收集到的数据做进一步处理, 并为人们所使用。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据, 从而达到自动识别物品的目的。

RFID阅读器可同时辨识多个标签, 扫描快速且穿透能力强, 不受尺寸大小与形状限制, 具有体积小型化、形状多样化的特点。而且, 相对于传统条形码容易受污染、损坏的缺点, RFID标签具有抗污染能力强、耐久性好、安全性高和可重复使用的特点。RFID模块对于智能冰箱系统的设计至关重要, 该系统由压力传感器检测冰箱内压力, 当压力变化时触发RFID阅读器扫描冰箱内的食品标签, 然后更新到数据库中, 方便使用者查询。

1.3 传感器模块

1.3.1 压力传感器

压力传感器采用MPX4250, 检测冰箱内压力, 当压力发生变化时触发RFID阅读器, RFID将读取到的信息更新到数据库。

MPX系列是摩托罗拉公司生产的具有温度补偿和校准型压力传感器, 它的芯片上除了具有一只X型横向压阻式应变片外, 还有经过激光修正过的电阻网络, 因而器件能在-40℃~125℃范围内保持良好的线性度, 提供与外加压力成正比的输出电压。经验证, 该系列传感器具有灵敏度高、频率响应高和较宽的线性范围, 同时稳定性和精度也相对较好, 是该系统设计的合适选择。

1.3.2 温度传感器

温度传感器采用DS18B20, 测量冰箱内温度, 主机根据采集到的温度调节存储模式, 避免冰箱内温度不稳定、过低或过高, 已达到保鲜食品和节能的目的。

DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的单总线智能型数字温度传感器, 封装后可应用于多种场合, 具有接线方便、体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点。根据DS18B20的通信协议, 控制DS18B20传感器完成温度转换要经过3个步骤:每次读写之前都要对DS18B20进行复位, 复位操作完成后发送一条ROM指令, 最后发送一条RAM指令。DS18B20的通信协议定义了初始化、写操作和读操作, 注意每次操作时都要严格按照时序进行。

2 结语

该文研究了智能冰箱技术, 设计了一种智能冰箱系统, 该系统可以发挥射频技术与传感器技术的优点, 为现代家庭生活提供了极大的便利, 具有节能、高效的特点, 符合当代社会绿色环保的理念。目前, RFID标签还未全面普及, 物联网的发展也还存在着规模化和标准化等问题, 但随着RFID标签的流行和RFID技术的大量应用, 智能冰箱必然会走进每个家庭, 并成为智能家居的重要部分。

参考文献

[1]夏静文.基于RFID技术的智能冰箱系统[J].信息与电脑:理论版, 2009 (12) :32.

[2]祝勉, 王思强.MPX系列硅压力传感器讲座 (五) [J].仪表技术与传感器, 1994 (6) :42-44.

智能冰箱 篇2

2016年5月, 三星出品的智能冰箱Family Hub上市。用户通过这款智能冰箱可以制定食物清单、阅读新闻、听音乐、查看日历和天气、写电子备忘录以及语音对话, 甚至还能够进行购物和促销信息直接下单。

该款冰箱的内部装有3个摄像头, 摄像头会在冰箱门关上的时候拍摄一张快照, 这样使用者就能随时在冰箱显示屏或手机上查看冰箱里食物的储存情况, 免去了来回打开冰箱门的烦恼。另外, 这个冰箱多才多艺, 兼有音箱与电视显示屏的功能, 用户可以通过连接手机和电视实现。

智能冰箱 篇3

近年来，随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，对冰箱的要求不再仅仅停留在低温冷储藏上，而从冰箱耗电、食品保鲜和智能化管理等角度向厂家提出了更高的要求[1]，将传统的冰箱设计成带网络功能的智能冰箱已成为未来冰箱发展趋势的主流。在国外，网络冰箱早已成为了各大厂家竞相发展的新一代产品，瑞典伊来克斯公司、韩国LG电子、三星都各自推出了带食物管理、互联网与娱乐功能的网络家用冰箱[2,3,4]。而在国内，由于网络冰箱的市场应用推广受限，关于网络冰箱的控制研究较少，而针对商业应用领域的网络商用冰箱的研究更是寥寥无几。郑州轻工业学院的李银华等[5,6]于2005年对一种新型带条码录入功能的网络家用变频冰箱控制器进行了研究，其在理论和实际上有一定的新意，可以实现节能和降噪双重效果。而商用冰箱与家用冰箱不同，其主要应用在一些大型的超市、酒店及便利店等餐饮服务行业中，一般采用数台不同功能的商用冰箱联合使用，但每台冰箱之间并没有“联络”，在实际使用过程中主要存在以下典型问题:能耗过高，且保鲜效果差;压缩机频繁启动关闭，使用寿命短;导致卫生状况差;不利于调度管理及应急响应差等。针对这些问题，本研究研制一种基于Wi Fi网络的成套商用冰箱智能控制器。

1 系统整体方案设计

根据智能网络冰箱控制系统的实际功能需求，本研究将整个控制系统划分为5个主要功能模块[7]，系统模块图如图1所示。

其中，Wi Fi无线通信模块主要负责上位机与下位机之间的通讯工作;条形码扫描模块负责扫描存入冰箱的食品相关信息，通过串口与CPU连接;温度控制模块主要完成冰箱的温度检测与控制，包括冰箱库温检测、蒸发器温度检测、环境温度检测、压缩机的模糊变频控制、风扇除霜的控制及门状态的检测等几个部分;上位机故障监控及自诊断模块实时监控冰箱的运行状态，当冰箱运行出现故障时，自动对可能产生故障的原因进行预判断;电源模块主要负责给各模块供电。

2 控制器的硬件结构设计

2.1 模糊变频调速模块

2.1.1 变频调速电路

控制器压缩机变频调速模块的电路原理图如图2所示。变频调速模块电路主要包括3部分:(1)整流电路;(2)滤波电路;(3)IGBT全桥驱动电路。

变频调速电路的工作原理如下:整流电路由4个整流二极管D1,D2,D3,D4接成全桥的形式，把220 V50 Hz的工频电网电压直接引入，进行全波整流，将交流电变成直流电;再经由C1、R1和C2构成π型RC滤波电路，滤去整流输出电压中的纹波，尽量使整流输出的电压平滑;由6个IGBT Q1～Q6组成三相直流电机的全桥驱动电路，本研究采用上桥PWM调制，下桥恒通的调制方式。该系统选用Microchip公司生产的Dsp IC30f5013芯片作为控制器的主控芯片[8]，来自DSP的PWM波形(最高5 V电压)经过双路光耦HCPL2630驱动芯片IR2103S后输出幅值为15 V，上、下桥臂互补的PWM波形，PWM全桥驱动波形如图3所示。

2.1.2 过零点检测及换向控制策略

转子旋转360°电角度存在6次换相，其顺序为Q3Q6,Q1Q6,Q1Q4,Q5Q4,Q5Q2和Q3Q2。笔者通过分压电阻对端电压和直流侧电压进行同比例分压来获得反电动势过零点位置，而各相导通的时间和顺序取决于转子的位置，理想的反电动势如图4所示。

由基于“端电压法”的反电动势检测原理可知，三相直流电机不导通相的反电动势只与端电压有关[9]，其反电动势计算方程为:

因此通过计算相电压的差值，就可以得到三相直流电机反电动势的过零点Z点，然后再延迟30°电角度，就是该相桥臂IGBT的导通时刻C点。

2.1.3 模糊控制原理

在变频冰箱温度模糊控制器的控制过程中，为了减少软件系统的计算量，模糊控制算法采用查表法。模糊控制器由两个模糊控制规则构成，控制规则Ⅰ采用目标温度接近度e和偏差变化率ec作为输入，以PWM占空比c作为输出变量[10]，制定出模糊控制表Ⅰ;而推理规则Ⅱ的输入量包括蒸发器温度、箱门状态及环境温度等信号，输出量为占空比c的影响因子t，模糊控制器的结构框图如图5所示。

下面以模糊控制规则Ⅰ为例求取模糊控制表的过程。对冰箱室温的目标接近度e和偏差变化率ec的模糊划分一致取负大(NB)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正大(PB)5个模糊集，对应离散论域取{-2、-1、0、1、2}这5个元素。变频压缩机转速控制占空比c取零(Z)、低(L)、中(M)、大(B)、极大(VB)5个模糊集，对应的离散论域取{0、1、2、3、4}。

假定冰箱室温的目标接近度e的论域为[-x,x]，隶属度函数为等腰三角形，为把它变换为离散论域{-2、-1、0、1、2}，则有量化因子qe=[2-(-2)]/[x-(-x)]=2/x，因此目标接近度e在离散论域中的模糊量如图6(a)所示。同理，可以得到偏差变化率ec和输出占空比c对应离散论域中的模糊量。不过占空比c所对应的模糊量为单点，这是因为在实际的变频冰箱控制中，压缩机的转速不是连续调节的，而是离散调节的[11]，其离散论域中的模糊量如图6(b)所示。

根据模糊控制规则Ⅰ生成冰箱模糊控制规则表如表1所示。

当控制量c取0时，压缩机不运行;控制量c取1、2时压缩机低速运行;控制量c取3时，压缩机中速运行;控制量c取4时，压缩机高速运行。

2.2 无线WiFi模块

结合商用冰箱在实际使用过程中分布较散的特点，成套商用冰箱设备应选择方便且易扩展的WIFi无线通讯模式，基于网络成套商用冰箱设备原型如图7所示，整套设备原型包括1台控制计算机、1个基站(接入点AP)及若干个不同功能的商用冰箱，其中每个商用冰箱相当于一个移动站，与基站通过无线连接，基站与控制计算机通过有线方式连接，同时计算机通过门桥接入因特网。

该研究采用美国RN公司生产的RN-171串口转Wi Fi模块，控制器正常工作时，UART-WiFi模块将下位机采集到的冰箱温度、冰箱入库食品条形码信息、压缩机及风扇工作情况、控制器电参数数据、冰箱故障信息等通过无线传输到上位机，同时接收上位机控制指令，并通过串口传输至下位机。

2.3 条形码扫描模块

该系统采用漫反射的光电开关与条码扫描引擎配合使用，当被扫描对象接近扫描引擎时，光电开关触发CPU发送扫描触发命令至扫码引擎，完成一次扫描，反之扫描引擎不工作。另外，因为标准串口使用的是RS232电平，而CPU主控单元使用的是TTL电平，两者之间需要进行电平转换。因此，扫描器工作电路需要增加MAX232芯片来实现，增加有效的通信距离。扫描引擎的具体工作情况示意图如图8所示。

3 控制器软件设计

3.1 下位机控制软件设计

成套网络商用冰箱系统的下位机软件设计主要由主程序、中断服务程序和各子程序组成。软件全部采用了程序模块化设计，各子程序主要包括:(1)初始化子程序:串口初始化、定时器初始化及各子程序初始化等;(2)中断子程序:定时器中断、串口中断子程序;(3)温度检测与控制子程序;(4)故障自诊断子程序等。下位机软件主程序设计流程图如图9所示。

为了保证无线Wi Fi通讯过程中传输数据的准确性，需要拟定一定的通讯协议。该系统采用的通讯协议其一般格式如下所示:

其中，通讯协议的的数据头和数据尾统一占用2 Bytes空间，不同控制指令的数据头不尽相同，而数据尾则统一为0x6E、0x77;而控制指令的数据信息长度则因指令功能不同而不同，以设定压缩机工作模式指令为例，其控制指令协议设置如表2所示。

3.2 上位机软件设计

成套网络商用冰箱系统上位机软件采用Microsoft Visual C++6.0软件编译，其界面效果如图10所示。该网络冰箱控制与管理系统主要包括用户管理、系统设置、节点管理、数据分析等，控制软件具有以下功能:(1)按照存储食物的要求在线调整每个冰箱的存储温度;(2)在线显示每个冰箱中食物的存储量，合理优化各个冰箱食物存储量;(3)在线显示食物的存储时间，并通过报警提示，避免食物过期;(4)故障自诊断，根据下位机的故障信息实时显示警报功能。

故障自诊断设计思路主要由故障信息采集和故障信息录入两部分组成[12]。由管理员将维修人员收集的信息录入数据库，建立一个专家库系统。当设备出现故障时，系统将冰箱控制器相关温度及电参数与冰箱正常运行时控制电路的状态参数进行对比，查出可能的故障原因，提高检修效率;同时，对某些不准确的信息修改后重新收集并录入专家库系统，可见，系统故障自诊断设计是一个长期累积的过程。

4 实验结果

该控制系统采用三星MKV19G-L2J型号的压缩机，其具体参数如下:电机极对数为2，额定转速4 000 r/min，两相绕组间相电阻为12Ω，母线电压310 V，额定工作电流为3 A。控制器的实际控制效果图如图11所示。

由于压缩机在静止时反电动势为零，无法通过反电动势法启动压缩机，该系统采用定时切换的定子绕组通电顺序的方法让压缩机从静止加速运转到一定的稳定速度，再切换至反电动势法运转。压缩机压缩机转速达1 450 r/min时，压缩机一相的端电压波形如图12所示。

5 结束语

该成套网络商用冰箱智能控制器是集食品信息采集分析、温度远程调节与监控、冰箱模糊变频控制、冰箱故障自诊断功能于一体、全方位全过程数据监控的成套设备调度控制管理系统。实验结果证明，该控制器控制时，压缩机运转平稳，具有安全可靠、管理方便、能耗低、保鲜效果好、健康卫生等优点，在高档酒店、大型超市等诸多需要数量较多的商用冰箱的场所中具有很好的应用前景。

参考文献

[1]乔洪涛,卢智利.CFD在冰箱结构优化中的应用现状[J].低温工程,2003(4):43-48.

[2]张丽芳.欧美网络冰箱产品调研[J].经济关注,2001(1):121-121.

[3]邹利.新世纪家电网络化[J].生活科技,2001(11):57-57.

[4]朱超,杨茱.新型多功能冷热联供复合系统在家庭节能领域的应用研究[J].流体机械,2012,40(7):65-69,86.

[5]李银华,何晓霞,黄布毅.带条码录入功能的网络变频冰箱控制器的研究[J].机床与液压,2005(17):146-148.

[6]何万国,何之栩.真空隔热板对冰箱运行特性影响的数值分析[J].流体机械,2012,40(7):64-66.

[7]邰克政.电冰箱模糊控制器[J].北方工业大学学报,1994,6(1):78-87.

[8]Microchip Technology Inc..dsPIC30F5011/5013 datasheet[Z].Chandler:Microchip Technology Inc.,2007.

[9]赵奇.反电动势过零点检测法的研究[J].机械工程与自动化,2012(1):165-166.

[10]洪在地,朱军山,潘坚,等.变频冰箱模糊控制及仿真研究[J].家电科技,2006(2):46-50.

[11]吴晓杰.变频冰箱系统动态特性及控制策略研究[D].杭州:浙江工业大学机械学院,2012.

智能冰箱 篇4

数字家庭、家庭物联网是信息时代发展的要求。当前, 家庭对信息消费需求的明显上升和不断扩大, 数字化技术、多媒体技术和网络技术的进一步发展使通信、计算机与家用电器产业出现融合的趋势, 数字化、智能化、网络化的信息家电出现并广泛进入我们的家庭。传统白电行业的理念是:家用电器操作简单、普及率高, 数字家庭网络未来是以家用电器为核心, 3C应在家用电器上进行融合, 在未来数字用户家庭中计算机不应该是一个不可或缺的核心。2005年, 惠普公司提出了“不以PC为中心的家电战略”口号, 认为“PC未必就是数字家电时代的家庭中心”, 其涵义是PC与其它家电不是“主”与“从”的关系, 而应着眼于加强PC与传统家电之间的连接性[1]。

网络冰箱在数字家庭中占有着重要的地位, 将网络冰箱作为信息家电的代表是具有可信性的, 也是各家电厂商竞相研发的目标之一。诸如, 文献[2, 3]指出智能冰箱应能够进行内容感知, 例如, 监测食品是否在保质期内, 哪些食品需要补充, 向用户提供适当的菜谱以充分利用冰箱内的资源以及为用户生成购物清单等功能。冰箱是家庭中唯一24小时带电的设备, 其体积较大, 为多种技术在其上进行融合提供了的宽广的平台。网络冰箱的研发方向除了不断改进传统的食品存储功能外, 也在逐渐丰富其他的服务应用。例如将冰箱安装显示屏, 与网络连接后可以实现电子邮件查看、下载收听音乐、记录便签和日程管理等功能, 有的厂商还能够通过网络对冰箱进行远程检查、维修和软件升级。随着技术的发展, 更多的增值服务功能将被开发出来, 网络冰箱有望成为新媒体形态[4], 甚至有可能成为数字家庭和家庭智能空间的中枢。

本文依托课题组数字家庭项目, 研究新一代智能冰箱技术, 并将其作为家庭物联网感知与服务系统的一种载体, 主要创新工作包括以下两个方面:

(1) 面向冰箱核心服务———食品存储, 设计一种新型的智能冰箱。该冰箱实现基于RFID的自动化食品管理模式和可视化食品管理模式, 并提供个性化菜谱查询和推荐功能, 同时提供消息服务、便签服务和家居监控等多项增值业务。

(2) 提出以智能冰箱为载体的家庭物联网感知与服务系统 (HISF) , 该系统采用分层架构设计, 实现了基于云端数据平台的服务聚合和终端应用服务执行架构。计算和数据密集型任务交由数据平台处理, 终端服务系统对数据平台与本地第三方应用服务系统 (如环境感知控制系统等) 均采用统一的受限资源Web服务接入方式。

本文以智能冰箱所提供的物联网服务———食品管理和个性化菜谱查询与推荐为出发点, 从系统整体架构设计、硬件设计、服务器和终端软件方面, 探讨HISF系统的原型设计与实现。

二、系统架构设计

HISF系统的架构分为三层:外部应用层、云端数据平台和家庭服务层, 如图1所示。

1. 外部应用服务层:

该层为互联网与物联网服务接入层, 基于云端数据平台提供的标准Web服务接口, 内容或服务提供者均可通过该层实现向云端数据平台的服务聚合和数据接入。该层实现了服务提供和服务支撑环境的分离, 优化了服务资源的配置模式, 同时提升了产业链各个环节的分工协作程度, 提供了利益共享和分配的机制。

2. 云端数据平台:

该层作为第三方服务与家庭物联网系统的适配与管理层, 支撑对第三方服务和家庭物联网系统的接入和管理。该层对外部应用服务层提供标准的服务业务接入接口, 并规划相应的内容管理与流程管理业务模块、其他增值业务模块, 同时面向家庭终端用户提供统一的受限资源服务接口, 规划与之对应的服务分发和协作模式。

3. 家庭服务层:

即依托所设计的智能冰箱, 实现家庭物联网感知与服务系统。在家庭中, 唯一长期不间断带电的设备只有冰箱, HISF正是凭借这一特点, 选择冰箱作为家庭物联网化的切入点。HISF系统首先从满足智能化饮食服务出发, 设计食品管理、我的菜谱等智能服务模块, 实现个性化菜谱推荐, 并能与电子商务进行协同, 提供个性化食品配送服务;借助冰箱门体上提供的高分辨率显示屏幕, 提供便签管理、消息推送等实用服务;另外, 由于本项目的智能冰箱设计能够提供丰富的计算和存储资源并运行有Android系统, 所以HISF提供应用程序管理模块, 实现各应用组件的安装和升级, 提供视频监控模块, 能够与家庭门禁系统连接, 实现门禁管理和家居监控等服务等。

三、硬件设计

根据项目对HISF系统的功能定义, 我们选择基于Haier BCD-248WBSV冰箱进行硬件改造和升级, 实现原型机并开发智能冰箱原型系统。通过与Haier集团的协商, 我们获取并保留了该冰箱的原始控制协议, 硬件改造过程中并不破坏原有的控制系统。为了实现物联网冰箱的食品感知功能, 项目设计在冰箱三个门体中部署RFID读写模块, 实际原型机硬件设计改造过程中, 为控制成本和复杂度, 暂时只考虑上开门的RFID读写器部署。

HISF客户端硬件模块连接如图2所示。由于Haier冰箱原主控板与冰箱核心控制电路之间采用私有接口和通信协议, 难以直接替换, 所用本系统设计保留了冰箱原主控板, 通过主控板上板载串口实现与冰箱原系统的数据交互。本系统设计考虑了物联网感知系统的硬件可移植性, 并赋予其可移动化特性, 例如, 物联网感知模块可以部署到门禁系统中, 或者其软件部分可以工作在便携式移动设备中;另外, 考虑到串口的独占性, 为了能够实现多硬件模块之间的协同, 本设计并没有将物联网感知系统模块硬件与冰箱原主控板之间直接基于串口进行连接, 而是将主控板扩展了蓝牙通信支持, 从而实现冰箱主控板、多个RFID读写器, 甚至多个Zig Bee网络通信模块与物联网感知系统模块的无线通信连接。

四、软件设计

4.1云端数据平台

HISF云端数据平台基于内容管理系统Drupal进行二次开发实现。Drupal是一个开源的内容管理系统 (CMS) 平台[5][33][11], 基于PHP语言开发, 具备高度模块化和定制化的优势, 主要用于构造提供多种功能和服务的动态网站, 这些功能包括用户管理 (User Administration) 、发布工作流 (Publishing Workflow) 、讨论板块、新闻聚合 (News Aggregation) 、元数据操作 (Metadata Operation) 和用于内容共享的XML发布。

HISF系统的数据平台主要负责聚合平台内外数据和服务, 并为系统内部应用提供服务支持, 主要包括数据接口和数据管理两个子功能组。本文以数据平台的个性化菜谱服务数据接口为例, 简要介绍平台软件系统的设计。

个性化菜谱服务模块为系统其它功能模块提供菜谱和冰箱食品管理数据接口服务, 以便其它模块可以安全、高效的进行相关数据通信和操作。数据接口采用轻量级Web服务的方式发布, 以JSON方式提供给客户端进程调用, 并配以API Key保证接口的安全性。

4.2客户端系统

HISF客户端基于Android系统进行开发, 客户端系统软件架构主要包括Linux内核和底层库、硬件抽象层、Android应用框架和上层应用服务, 如图3所示。

1. 客户端主界面

HISF客户端主界面是客户应用系统的入口, 主要包括应用界面、天气预报界面和数据可视化界面等, 各界面之间通过滑动触摸屏的方式进行切换。应用界面列出本系统所支持的所有功能项, 通过点击功能项, 进入相应的功能应用。通过点击“食品管理”、“我的菜谱”、“便签”和“升级管理”可进入相应的应用界面;通过点击“冷藏区”、“0度区”和“冷冻区”可进入“食品管理”应用中所对应物联网冰箱食品保存区域的食品列表界面。通过滑动操作客户端主界面, 能够切换至天气信息界面, 用于显示物联网冰箱所在地区的天气状况, 界面原型设计如图4所示。

2. 感知数据可视化和冰箱功能控制

通过滑动客户端主界面能够显示数据可视化界面。感知数据可视化界面的功能是将冰箱作为物联网数据感知中心而采集到的数据进行可视化显示, 如家庭环境内温湿度变化数据、家电设备用电数据等, 主要用于接入管理智能环境控制和能源管理服务。界面原型设计如图5所示。通过滑动客户端主界面能够显示冰箱主功能控制界面, 包括调整冰箱各区域的温度, 开启智慧模式、光波增鲜等。界面原型设计如图6所示。

3. 食品管理

食品管理是物联网冰箱的核心功能。通过相应操作手段所采集的用户的食品数据全部通过SSL加密网络上传并保存在云端数据平台, 从而为用户提供智能化消费行为分析和商品个性化推荐。例如, 如果用户冰箱中某种喜好食品需要补充则会通过消息模块通知用户, 并推荐价格最合理的购买商家信息。除下文将要介绍的RFID食品管理方式外, 客户端系统还为用户提供一种可视化食品管理的功能。可视化食品管理界面原型设计如图7所示, 例如, 我们可以拖住食品图示 (如“苹果”) 到“食品区域”外进行取出食品操作。

本系统通过在食品容器上附着RFID标签的方式, 为用户提供自动化食品管理功能。核心电路板通过蓝牙通讯的方式连接RFID数据采集器。每一个冰箱区域 (冷藏、0度和冷冻) 包括两个RFID数据采集器, 一个用于采集“取出食品”数据, 一个用于采集“放入食品”数据。为了方便用户操作, 我们设计了常用数十种常见食品类别的RFID标签, 并将标签附着到食品存储袋上。将食品放入或取出冰箱时, 将标签贴近RFID数据采集器进行数据记录操作。客户端系统接收到数据时, 显示“食品数据接收界面 (如图8所示) ”, 从而实现了对用户冰箱内食品的有效管理。

五、总结与展望

本文研究了智能冰箱技术, 设计实现了一种智能冰箱的原型系统, 并基于冰箱在家庭应用中的不间断供电特性, 研究在此基础上的家庭物联网感知与服务系统HISF的设计与部署, 探讨了HISF的分层架构模式, 为数字家庭、物联网智能家居服务模式提出了一种可借鉴的技术和业务实施方案。项目后续研究着重考虑数据平台的数据可视化分析、用户消费行为挖据, 健康饮食专家系统的开发与部署, 同时增强平台的商业服务能力, 探索与第三方在线食品电子商务协作的业务模式。

参考文献

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[2]M.Bucci, C.Calefato, S.C.M.Milani, and R.Montanari, "Fridge Fridge on the Wall:what Can I Cook for Us All?An HMI study for an intelligentfridge, "in Proceeding AVI'10 Proceedings of the International Conference on Advanced Visual Interfaces, New York, 2010, pp.415-415.

[3]S.H.Park, S.H.Won, J.B.Lee, and S.W.Kim, "Smart home digitally engineered domestic life, "Personal and Ubiquitous Computing, pp.189-196, February 19 2004.

[4]董吉吉.网络冰箱的传播学解读.2007

智能冰箱 篇5

冰箱是以人工方法获得低温并提供储存空间的冷藏与冷冻器具。而家用电冰箱是指供家庭使用、并有适当容积和装置的绝热箱体, 用消耗电能的手段来制冷, 并具有一个或多个间室。

冰箱以电机压缩式电冰箱最为常见, 此外还有一种半导体式冰箱。电机压缩式电冰箱由电气控制系统、制冷系统、箱体和箱内附件四部分组成。电冰箱工作时, 先接通电源, 使启动继电器工作, 以启动压缩机的单项电动机;电动机驱动压缩机对制冷系统做功, 并通过温度控制器和其它控制装置, 确保制冷系统按不同的使用要求自动地安全可靠地运行。电气控制系统主要由温度控制装置、化霜控制装置、防露装置、防冻加热装置、箱内风扇电动机和照明控制装置以及压缩机电动机的启动和保护装置等组成。

⑴冰箱制冷的主要部件即为压缩机。下面主要以往复活塞式压缩机为例介绍压缩机的原理。往复活塞式压缩机工作过程是经过压缩、排气、膨胀和吸气四个过程, 完成一次吸排气循环。

a.压缩过程

当气缸内充满低压缩蒸汽时, 活塞从下止点开始往上移动。气缸容积逐渐变小, 气缸内的蒸汽受到压缩, 压力与温度均随之上升, 吸气阀片因受到较高的蒸汽压力而关闭, 而排气阀片则因这时蒸汽压力沿未超过排气腔压力仍继续保持其紧闭状态, 这样, 蒸汽的压缩过程将继续持续到活塞上升至气腔内蒸汽压力开始等于排气腔压力时为止。

b.排气过程

活塞继续向上移动, 被压缩的蒸汽压力就要比排气腔压力高。当蒸汽压力稍高于排气阀片的重力和弹簧力时, 排气阀片被顶开。于是, 气缸内的高温、高压蒸汽开始被上选择活塞推出, 并进入排气腔内, 直至活塞上行至上止点时, 排气过程才告结束。而活塞在止点位置时, 为了防止活塞与阀板、阀片的撞击, 活塞顶面与阀板底面之间要留有一定的间隙, 其直线距离称之为直线余隙。活塞顶面与阀板底面之间所包含的空间 (包括排气阀孔容积等) 称为余隙容积。余隙容积是不可避免的。

在排气过程终了时, 余隙容积依然残留着一小部分蒸汽无法排出, 其压力与排气腔压力相等。这时, 排气阀片靠本身的重力和弹簧力的作用又复下落, 将阀口盖住, 排气阀片关闭。

c.膨胀过程

活塞从上止点开始向下移动, 气缸容积逐渐变大, 残留在余隙容积中的蒸汽就要膨胀, 其压力和温度亦随之下降, 直到蒸汽压力降低至等于吸气腔压力时, 膨胀过程才算结束。在此期间, 吸、排气阀均处于关闭状态。

d.吸气过程

活塞继续下移, 气缸内的蒸气压力开始低于吸气腔压力, 当其压力差足以顶开吸气阀片时, 吸气过程便开始了, 直至活塞移动至下止点时, 吸气过程才结束。压缩机就循环不断进行着上述的四个过程, 达到持续不停地压缩、排气、吸气的目的, 完成气体的压缩和输送的工作。

⑵压缩机中所用到的物理原理。卡诺从热力学理论的高度着手研究热机效率, 设计了两条等温线, 两条绝热线构成的卡诺循环:第一阶段, 温度为T1的等温膨胀过程, 系统从高温热源T1吸收热量Q1;第二阶段, 绝热膨胀过程, 系统温度从T1降到T2;第三阶段, 温度为T2的等温压缩过程, 系统把热量Q2释放给低温热源T2;第四阶段, 绝热压缩过程, 系统温度从T2升高到T1。卡诺定理的核心内容是:在相同高温热源T1与相同低温热源T2之间工作的一切可逆卡诺热机 (在实现热的动力过程中, 不存在任何不是由于体积变化而引起的温度变化的热机) , 不论用什么工作物质, 效率η均为

而在相同高温热源与相同低温热源之间工作的一切不可逆卡诺热机的效率总小于可逆卡诺热机的效率

2 冰箱的节能

2.1 技术上

第一。减少冰箱的漏热。主要方法有: (1) 增加保温层厚度, 由平均65㎜左右增加到75㎜, 个别型号的冰箱保温层厚度甚至达到120㎜以上。其实并不一定说保温层越厚节能效果就越好, 其保温层厚度达到一定程度时其耗电量值就不会再降低了, 而且其保温层越厚其成本会相应增加, 有效使用的容积会相应减少, 由经验得知绝热层厚度最佳区域为75㎜~95㎜, 其耗电量最多会降低13%左右; (2) 使用高性能新型发泡剂, 提高发泡工艺, 使用真空绝热板。

第二优化结构。主要方法有: (1) 优化门封结构。比如增加门封气囊数, 降低门封高度, 采用门整体发泡技术, 采用双重门封等; (2) 优化蒸发器结构, 增加换热器面积。例如新飞BCD-172CH冰箱采用蒸发器夹层, 其耗电量降低了9%。

第三采用高效压缩机。这是最直接有效的节能方法, 目前R600a高效压缩机的Cop值达到1.7以上, 由于R600a制冷剂较之R134a因其更彻底的环保性, 更高的Cop值, 已被很多企业采用。比如将R600a Cop=1.72的高效压缩机用到新飞BCD-172CH冰箱原型机上, 其耗电量值降低了22%。

2.2 使用上

第一远离热源, 保持空隙。冰箱周围的温度每提高5℃, 其内部就要增加25%的耗电量。因此, 应尽可能放置在远离热源处, 以通风背阴的地方为好。热食不要直接放进冰箱, 达到室温时再放入。冷冻室内的食品最好用塑料袋小包包装, 可以很快冷冻, 既不易发干, 又免湿气变成霜;食品不易装得太满, 与冰箱壁之间应留有空隙, 以利于流动冷气;冷冻的食品, 在食用前最好有计划地把它转至冷藏室解冻。

第二开门忌频繁。如果开门过于频繁, 一方面会使电冰箱的耗电量明显增加, 同时也会降低电冰箱的使用寿命。由于电冰箱的箱门较大, 如果开门次数较多, 箱内的冷气外逸, 箱外的暖湿空气乘机而入, 就会使箱内温度上升, 同时, 进入箱内的潮湿空气容易使蒸发器表面结霜加快, 结霜层增厚。由于霜的导热系数比蒸发器材料的导热系数要小得多, 不利于热传导, 造成箱内温度下降缓慢, 压缩机工作时间增长, 磨损加快, 耗电量增加。若蒸发器表面结霜层厚度大于10毫米时, 则传热效率将下降30%以上, 造成制冷效率大幅降低。另外, 当打开箱门的同时, 箱内照明灯就开启, 既消耗电能又散发热量, 显然也是不利于节能的。

参考文献

[1]http://www.bjalzl.cn.

[2]张三慧.《大学物理学》张三慧.

[3]《家电科技》.

[4]《大学物理》国防工业出版社.