劉尚旺+尚新聞

摘 要： 針對傳統(tǒng)冰箱缺乏智能性，難以滿足物聯(lián)網時代需求的問題，提出一種智能冰箱原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成冰箱端開發(fā)板、移動客戶端及服務器端應用程序的設計與實現。冰箱端選用基于OK6410的ARM11開發(fā)板，通過WinCE系統(tǒng)將收集到的食品數據實時傳輸給遠程服務器，并將其保存到數據庫中；數據庫服務器端，提出最優(yōu)時隙防沖突算法，根據標簽數目分配幀長，使得所有標簽分得幀長時隙以解決多標簽同時讀/寫數據碰撞問題；客戶端用戶通過無線保真（WiFi）網絡、移動通信網絡等連接到遠程服務器，隨時隨地管理冰箱。仿真實驗結果表明，所設計與實現的冰箱食品信息遠程查看與管理、飲食搭配菜譜智能推薦、冰箱周期清理和食品保鮮期限實時提醒等功能科學、合理和實用。

關鍵詞： 智能冰箱； 物聯(lián)網； 冰箱端開發(fā)板； 移動客戶端； 服務器端； 最優(yōu)時隙防沖突算法

中圖分類號： TN915?34； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0112?05

Abstract： 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 refrigerator 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 optimal 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 designed and implemented in this paper such as remote view and management of refrigerator food information， intelligent recommendation of diet collocation menu， periodic refrigerator cleaning and real?time reminding of food freshness lifetime are scientific， reasonable and practical.

Keywords： intelligent refrigerator； IoT； refrigerator development board； mobile client side； server side； optimal time slot anti?collision algorithm

0 引 言

物聯(lián)網時代，事關飲食的智能冰箱顯得尤為重要。目前，冰箱已從單純的食品保鮮和儲存載體轉變成為基于ARM等開發(fā)板進行檢測、識別、監(jiān)控和存儲信息[1]的智能冰箱。自從2000年韓國LG公司推出全球第一臺“互聯(lián)網”冰箱以來，就掀起了智能冰箱的研究熱潮。但是，目前智能冰箱還存在一些問題。為此，本文旨在提高傳統(tǒng)冰箱智能化，設計、實現出一種智能冰箱原型系統(tǒng)即智能冰箱管家系統(tǒng)，即通過傳感器節(jié)點和射頻識別技術采集相關數據，在數據庫服務器上通過智能算法完成數據的智能處理，用戶通過移動終端設備接入局域網或通過移動蜂窩網訪問服務器，即可查看、接收智能化處理結果或遠程操控冰箱。

1 智能冰箱原型系統(tǒng)的設計與實現

1.1 冰箱端開發(fā)板

冰箱端開發(fā)板選用基于OK6410的ARM11開發(fā)板，可連接RFID讀寫器、觸摸屏及各類數據采集傳感器，還可接置多類傳感器和多種接口。其嵌入式操作系統(tǒng)采用WinCE 6.0系統(tǒng)，將基于WinCE 6.0系統(tǒng)的溫度采集、清理周期、囤貨查看等功能的應用代碼，置于內核和硬件之間的硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）。該功能圖形用戶界面友好，顯示屏支持觸屏操作，可完成本地手工錄入（備選）與查看冰箱內存貨、查看溫度數據等功能；該液晶顯示屏置于冰箱外部，方便可視化操作，而且方便之后系統(tǒng)升級更新人機交互設計[2]。endprint

1.2 數據庫服務器端

1.2.1 基于RFID標簽的食品信息采集模塊

RFID適合冰箱內部工作環(huán)境，尤其有源RFID具有存儲量大、自動識別、可循環(huán)使用等特點；能夠自動、自主完成食品出入冰箱時的信息采集；能夠較好地滿足智能冰箱的管理要求。本文設計、實現了基于RFID標簽讀/寫技術的食品信息采集與處理模塊[3]，如圖1所示。

1.2.2 冰箱信息數據處理模塊

冰箱內所存物品種類較多，讀取標簽或同時讀取較多標簽時容易發(fā)生碰撞沖突，導致數據丟失[4]。本文研究發(fā)現，結合基于二進制防沖突算法和ALOHA算法的優(yōu)點[5?8]，通過標簽數目尋求最優(yōu)幀長，可以解決碰撞沖突問題。

目前，RFID防沖突算法主要有以下兩種：基于二進制樹的防沖突算法和基于ALOHA的防沖突算法?？偨Y兩種算法的優(yōu)點，根據標簽數數目尋求最佳時隙，本文提出改進算法：最優(yōu)時隙防沖突算法。

最優(yōu)時隙防沖突算法原理：設標簽數目為[m]，幀長為[L]。根據標簽對時隙的選擇符合二項分布規(guī)律，可知當前幀中單時隙數目期望為：

[E[m1]=m×（1-1L）m-1]

通過求極值方法算出最大化信道使用率，則[?E[m1]?f?L=0→L*=m，]得出使用效率為[m1L*→1e]。

本文數據庫服務器主要通過優(yōu)化分布式查詢算法完成用戶查詢需求，采用模糊聚類算法完成對用戶偏好的預測。本文在MySQL數據庫服務器上采用模糊聚類進行智能冰箱大數據處理。若[θj]表示第[j]個聚類的表達，[θ≡[θT1，θT2，…，θTm]T]；[U]是一個[N?m]矩陣，它的[（i，j）]元素等于[uj（xi）]，[d（xi，θj）]代表[xi]和[θj]之間的不相似性，[q（>1）]是模糊性參數，則使代價函數最小，如下：

[Jq（θ，U）=i=1Nj=1Muqijd（xi，θj）] （1）

式中，[θ]和[U]滿足的約束條件是：

[j=1muij=1， i=1，2，…，N] （2）

式中：[0

由式（2）可知，[xi]在所有聚類中的隸屬度是相互關聯(lián)的。[Jq（θ，U）]最小化，使用拉格朗日中值定理，有：

[J（θ，U）=i=1Nj=1muqijd（xi，θj）-i=1Nλij=1muij-1] （3）

對[J（θ，U）]求[urs]偏導數得到：

[?J（θ，U）?urs=quq-1rsd（xr，θs-λr）， s=1，2，…，m] （4）

將式（4）代入式（2），得到：

[λr=qj=1m1d（xr，θj）1q-1q-1] （5）

合并式（4）、式（5）變換得：

[urs=1j=1md（xr，θj）d（xr，θj）1q-1，r=1，2，…，N， s=1，2，…，m] （6）

對[J（θ，U）]中[θj]求偏導數，并令偏導為0，得：

[?J（θ，U）?θj=i=1Nuqij?d（xi，θj）?θj=0， j=1，2，…，m] （7）

接著，采用基于概率的聚類算法，根據貝葉斯定理[9]得：

[P（CW）=P（WC）P（C）P（W）] （8）

式中：[W]表示詞向量；C表示類變量。

具體步驟：訓練數據對所有[C]和[Wi]學習[P（C），P（WiC）]。測試樸素貝葉斯分類器對每個類[C]計算后驗概率[P（CW）=i=1nP（WiC）P（C）P（W）]，又C，[P（W）]是固定的，所以[i=1nP（WiC）P（C）]是最大的類，即[W]所屬的類。樸素貝葉斯聚類器簡單、快速、低存儲需求，屬性之間的關聯(lián)性會在一定程度上降低其聚類性能，在屬性相關領域表現出很好的性能。

數據庫通過樸素貝葉斯聚類、關聯(lián)規(guī)則的Apriori算法分析用戶菜單查看菜譜數據。菜單按照：養(yǎng)生、家宴、早餐、午餐和晚餐進行分類，并采集足夠的數據進行訓練。之后，用戶點擊菜譜功能，選擇不同菜單類別，服務器則可將挖掘出的用戶偏好信息推薦用戶傾向的菜譜。

1.3 移動客戶端

物聯(lián)網在互聯(lián)網體系結構基礎上進行延展，通過RFID、無線通信等技術，在超大數據庫的基礎上，利用移動智能終端聯(lián)網實現物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享[10]，其意義在于能夠讓物品也彼此進行“交流溝通”，無需人工干預。通過對各個年齡階段的用戶使用冰箱習慣進行市場調研，發(fā)現用戶在物品存儲和冰箱清理方面存在食品安全隱患。

為此，本文設計、實現了基于Android 4.0版本以上的移動客戶端APP，共分為5大功能板塊：我的囤貨、溫度、保鮮期、清理、小菜大廚。

2 仿真實驗結果與分析

本文設計、實現的智能冰箱管家原型系統(tǒng)實物圖，如圖2所示。

2.1 感知層

該層包括基于OK6410的開發(fā)板及與其相連的RFID、溫度、重力等各類傳感器。對溫度傳感器測試，圖3所示是開發(fā)板采集到溫度信息，并傳送保存到服務器數據庫。

2.2 網絡層

開發(fā)板配置固定IP，并與服務器在同一網段，可實現服務器上數據庫和客戶端之間的網絡連接通信。對主機數據傳輸測試如圖4所示。

2.3 應用層

2.3.1 數據庫服務器

服務器上的數據庫基于混合型數據庫模型，需要完成對大量的外部數據整合，并對用戶行為進行分析，物聯(lián)網對服務器提出了更高的要求，模擬1 000個用戶對該系統(tǒng)服務器進行壓力測試和性能測試，其結果如圖5所示。

2.3.2 移動客戶端

手機接入物聯(lián)網訪問服務器，對手機客戶端APP進行測試功能測試和性能測試。程序在不同界面都需要讀取服務器上對應的數據，該系統(tǒng)把讀取數據的工作交給后臺服務，讓后臺服務循環(huán)讀取。通過3款不同的安卓手機進行測試應用的消息推送速度和應用響應速度，測試機器信息如表1所示。

消息推送速度：在無線局域網下，數據庫中相關數據達到閾值，通過網絡傳輸推送到客戶端，算法時間復雜度越低，時間越快。

應用響應速度：加載相同的應用程序，完成相同的數據加載需求，時間越長，用戶體驗越差。

手機客戶端APP程序在不同界面都需要讀取服務器上對應的數據，數據庫每2 s更新1次，以保證用戶訪問到實時數據。圖6中為三款機型的測試數據。

該手機APP在實現數據查看的基礎功能上，增加消息推送功能，主要基于溫度、清理、保鮮期提醒三大功能，當出現異常時，數據“開口”主動傳送信息給用戶，方便用戶對冰箱管理；同時智能菜譜功能可實現根據用戶飲食習慣推薦菜譜，并且智能匹配出用戶選擇菜譜所缺食材，大大增強了人機交互能力。圖7為手機客戶端APP主界面和消息推送界面。從圖7可以看出，手機客戶端APP可實現消息推送功能，具有較強的人機交互能力。

3 結 語

本文提出一種對傳統(tǒng)冰箱進行智能化改進的方法開發(fā)板和RFID讀寫器對數據進行采集，數據庫服務器能夠利用模糊聚類等算法完成對數據的融合與挖掘，手機客戶端實現5大功能：查看囤貨、溫度監(jiān)測、清理提醒、菜譜功能、保質期提醒，擬提供管家服務。仿真實驗結果表明，在移動互聯(lián)物聯(lián)網環(huán)境下，提出的RFID改進型防沖突算法提高了對食物數據記錄的速度和精確度；手機客戶端APP經過測試，運行流暢。該系統(tǒng)適用于所有傳統(tǒng)冰箱，APP適用于安卓系統(tǒng)4.0以上版本的手機，用戶體驗性好，操作簡單，讓用戶生活更健康。

參考文獻

[1] 王晨，侯麗敏，易紅良，等.基于ARM的無創(chuàng)便攜式鼾癥自動診斷系統(tǒng)[J].計算機工程與設計，2016，37（2）：372?377.

WANG Chen， HOU Limin， YI Hongliang， et al. Noninvasive and portable SAHS automatically diagnosis system based on ARM [J]. Computer engineering and design， 2016， 37（2）： 372?377.

[2] 戴億政，王進紅，吳鵬輝，等.基于虛擬現實技術的食品機械設計平臺[J].食品與機械，2014，30（4）：74?77.

DAI Yizheng， WANG Jinhong， WU Penghui， et al. A platform of food machinery design based on virtual reality technology [J]. Food & machinery， 2014， 30（4）： 74?77.

[3] 馮孔淼.基于物聯(lián)網的冰箱物品信息管理系統(tǒng)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2012.

FENG Kongmiao. System for refrigerator goods information management based on Internet of Things [D]. Guangzhou： Guangdong University of Technology， 2012.

[4] 張捍東，朱林.物聯(lián)網中的RFID技術及物聯(lián)網的構建[J].計算機技術與發(fā)展，2011，21（5）：56?59.

ZHANG Handong， ZHU Lin. RFID technology and structure of Internet of Things [J]. Computer technology and development， 2011， 21（5）： 56?59.

[5] 謝磊，殷亞鳳，陳曦，等.RFID數據管理：算法、協(xié)議與性能評測[J].計算機學報，2013，36（3）：457?470.

XIE Lei， YIN Yafeng， CHEN Xi， et al. RFID data management： algorithms， protocols and performance evaluation [J]. Chinese journal of computers， 2013， 36（3）： 457?470.

[6] 潘亮.RFID防沖突算法的研究與仿真[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2014.

PAN Liang. Study and simulation of RFID anti?collision algorithm [D]. Hohhot： Inner Mongolia Normal University， 2014.

[7] 闕大順，汪盛虎，張浩.幀時隙ALOHA的快速防沖突算法[J].計算機工程與應用，2009，45（35）：49?51.

QUE Dashun， WANG Shenghu， ZHANG Hao. Fast anti?collision algorithm based on framed slotted Aloha [J]. Computer engineering and applications， 2009， 45（35）： 49?51.

[8] 潘雪峰，曹加恒.一種改進的動態(tài)幀時隙ALOHA算法[J].微電子學與計算機，2016，33（6）：95?99.

PAN Xuefeng， CAO Jiaheng. An improved dynamic frame slotted Aloha algorithm [J]. Microelectronics & computer， 2016， 33（6）： 95?99.

[9] 鄢旭，陳晶，杜瑞穎，等.無線傳感器網絡中基于組合框架的貝葉斯信任模型[J].計算機應用研究，2012，29（3）：1078?1083.

YAN Xu， CHEN Jing， DU Ruiying， et al. Bayes trust model based on combinatorial frame in WSNs [J]. Application research of computers， 2012， 29（3）： 1078?1083.

[10] 王鷺，謝龍，聶廣星.物聯(lián)網環(huán)境下對移動智能終端的思考[J].電子技術與軟件工程，2015（15）：14.

WANG Lu， XIE Long， NIE Guangxing. Thoughts of mobile intelligent terminal under the environment of Internet of Things [J]. Electronic technology & software engineering， 2015（15）： 14.endprint