陳紅欣 金輪 鮑雨鋒 馮長卿 魏明然

（1.海信（山東）冰箱有限公司，山東青島 266071；2.中家院（北京）檢測認證有限公司，北京 100176）

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)迅速發(fā)展，新興技術不斷涌現(xiàn)出來，而一些曾經(jīng)的技術也被重新發(fā)掘和審視，RFID 技術就是其中之一。作為一種非接觸式的自動識別技術，RFID 技術雖問世多年，但對于家電行業(yè)來說，其應用尚處于摸索期，各大廠家均圍繞其不斷研制新的產(chǎn)品，申請新的專利。冰箱作為傳統(tǒng)家電的代表早已深入千家萬戶，這奠定了其穩(wěn)固的銷售市場，不僅如此，儲存和管理食材作為冰箱的基礎功能，是一個完美的應用場景，這些使得冰箱非常適合成為RFID 技術落地的載體?？梢韵胍?，在RFID 技術加持下的冰箱可以更加智能、更加方便地識別和管理食材，它們的結合將具有非常廣闊的應用前景。

1 食材識別技術

1.1 食材識別技術概述

食材保鮮作為冰箱最核心的功能是所有消費者關心的重點，也是電冰箱廠家一較技術高低的比武場。食材保鮮技術涉及生物、化學、材料、電子、計算機、物流等多領域多學科。而食材保鮮技術對于冰箱也不再是一個獨立的功能，食材識別、食材管理、溫度控制、濕度控制等等都與食材的保鮮效果息息相關。

食材識別，是整個食材保鮮的入口，是一切后續(xù)智能功能的輸入，一旦輸入出錯，后面的諸如食材保質(zhì)期管理，針對不同食材的存儲特性的溫濕度精控以及根據(jù)食材的食譜建議等功能將失去意義。所以食材識別，是整個冰箱智能化的重點技術。

目前，食材識別技術主要分為基于圖像識別的食材識別技術和基于RFID 等無線識別技術的食材識別技術。

1.2 基于圖像識別的食材識別技術

和其他仿生技術類似，由于人類主要通過視覺來識別物體，所以圖像識別技術一直是物體識別中比較熱門的研究和應用方向。由此衍生的基于圖像識別的食材識別技術也是較早在家電行業(yè)中得以實踐。但是，雖然該技術有諸多優(yōu)點，但其在帶來便利的同時也存在諸多問題，而且其中一些是比較難以通過技術手段克服的。圖1 為一個典型的基于圖像識別技術的冰箱食材管理系統(tǒng)框架描述圖。

圖1 基于圖像識別技術的食材管理電冰箱框架圖[1]

圖像識別方式主要是使用攝像頭等圖像采集設備從不同角度和位置采集放入冰箱的食材光學信息，而后通過一系列的圖像處理和識別算法將食材進行分類和標記。

其優(yōu)點是可以做到幾乎無感的用戶體驗，用戶在使用過程中幾乎不會感覺該功能的存在，也不需要太多額外操作，在關閉冰箱門的一刻起，識別過程自動進行，從始至終的過程幾乎是全自動的。

其缺點也較為明顯，一般來說，基于圖像識別的食材識別技術對食材種類和狀態(tài)要求較為苛刻，這是由于圖像識別算法的特點導致的。相同的食材，在不同的狀態(tài)（整體/部分）下，或不同溫度下（常溫/凍結），不同的光照下（明亮/黑暗），甚至不同的擺放朝向下的圖像識別判斷結果差異都可能是巨大的。再者，由于冰箱是物品相對集中的密集封閉空間，所以更加可能發(fā)生的情況是冰箱中的食材相互遮擋，一旦發(fā)生這種情況，識別結果的偏差可能是巨大的。事實上，人類一般對于物體的識別率在95%左右，而且像表面覆霜的深凍肉類等物品，就算是人類也很難僅僅通過視覺來進行準確判斷。所以，誤差是必然存在的，而且精度提升的越高，再想通過技術手段進行優(yōu)化就變得越困難。如圖2 所示是一組典型的圖像識別拍攝的冰箱內(nèi)部放置蘋果的畫面，可以看到盡管稀疏擺放，但遮擋等問題仍然還是比較明顯的。

圖2 冰箱內(nèi)部攝像頭拍攝的蘋果畫面[1]

2 RFID 技術

2.1 RFID 技術原理

RFID（Radio Frequency Identification）即射頻識別技術，是一種非接觸式的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，起源于上世紀40—50 年代的雷達技術。該系統(tǒng)一般由三部分組成：即讀寫器（Reader）、天線（Antenna）以及電子標簽（Tag）。圖3 是一種常見的RFID 電子標簽，出廠時是成卷狀態(tài)，實際應用中配合不同場景可以附加貼紙或不同材質(zhì)的外殼作為永久性標簽使用。

圖3 RFID 電子標簽

RFID 技術發(fā)展至今，其產(chǎn)品品類已經(jīng)非常豐富。根據(jù)天線和讀寫器結合方式的設計不同，RFID 系統(tǒng)可以分為一體式（圖4）和分體式（圖5、圖6）兩種設計，其中：一體式的RFID 系統(tǒng)雖然識別范圍僅限一個特定區(qū)域，但是因其結構緊湊便攜性好，可以廣泛應用于門禁、收銀以及手持式設備等場景；而分體式的RFID 系統(tǒng)由于支持多路外置天線且天線可以獨立布設，在倉儲、商場、圖書館以及家電中應用廣泛。

圖4 一體式RFID 讀寫器

圖5 分體式RFID 讀寫器

圖6 分體式讀寫器配套天線

根據(jù)不同的工作頻段，RFID 系統(tǒng)劃分如表1 所示。

表1 RFID 系統(tǒng)的頻段劃分及應用

如果按照能源供給方式劃分，RFID 還可以分為無源RFID（被動式）、有源RFID（主動式）以及半有源RFID。其特點是：無源RFID 讀寫距離較近，造價低，除非損壞，不然幾乎沒有使用壽命限制，但是因為能量全部來自讀寫器，所以需要大功率的讀寫裝置支持；而有源RFID 由于自身帶有能量供給，所以可以提供更遠的讀寫距離，但是需要電池供電，成本自然也會高一些，較適用于遠距離讀寫的應用場合，使用壽命也有限制，但是優(yōu)勢是對于讀寫裝置的依賴性較??；半有源RFID 顧名思義是前兩者的結合，簡單地說，就是近距離激活定位，遠距離識別及上傳。

冰箱的食材識別場景中，由于識別距離需要較近且區(qū)域固定，且需要重復使用的場景較多，綜合成本和可靠性等參數(shù)，一般建議采用無源的UHF RFID 解決方案，讀寫器和天線一般也采用分體式設計。一個典型的分體式RFID 系統(tǒng)結構如圖7 所示。

圖7 RFID 系統(tǒng)原理圖

2.2 RFID 技術的優(yōu)勢

RFID 之所以被物流行業(yè)垂青，其技術優(yōu)勢是顯而易見的。

（1）非接觸式：由于RFID 技術的數(shù)據(jù)和能量交互基于電磁波，波具有穿透性，所以在復雜的環(huán)境中（例如，堆疊、包覆等）對比傳統(tǒng)條碼識別或圖像識別等強依賴光學的識別方式更為有效。并且，一般物流中物品都會有包裝物，尤其對于食材類物品來說，出于保鮮和保護外形的運輸及儲存要求，大部分食材出廠后都帶有包裝，而且并不是所有包裝都采用透明材質(zhì)制造，所以對比傳統(tǒng)基于光學的識別技術，該項技術的應用可以在不破壞外包裝的前提下識別食材，具有很大行業(yè)契合度。

（2）空間距離：如上文表1 中所述，從收費站和物流這種10 m 級別的距離范圍，到POS 支付和門禁這些1 cm 級別的場景，均可以通過選用不同工作頻段和功率的RFID 設備達到，精確適配使用場景。對于食材識別來說，由于一般都是在家庭環(huán)境中使用，再加上冰箱內(nèi)部空間的限制，識別尺度一般在1 cm～50 cm 范圍左右。恰好符合RFID 系統(tǒng)的工作區(qū)域。

（3）價格因素：任何技術落地都少不了成本的考量，雖然RFID 標簽本身造價并不算非常廉價（一次性的大概0.5 元/個～1 元/個，可復用型的包括外殼大概2 元/個～5元/個），但是考慮到可復用以及對比其他食材識別技術的成本來看，綜合性價比還是很高的。不僅如此，如果有上下游企業(yè)及物流業(yè)的支持，比如類似紡織行業(yè)的衣聯(lián)網(wǎng)等方向，由行業(yè)制定標準，統(tǒng)一大批量制作規(guī)范標簽，這部分的成本相信會更低。

2.3 RFID 技術的局限性

（1）人工參與：就像其他RFID 場景一樣，標簽和物品本身不是天生綁定的，一定需要在某個環(huán)節(jié)進行綁定。這其實也是RFID 食材識別的一個根本問題，就是其識別的其實是標簽，而非食材本身。而綁定步驟，目前大部分還是需要靠人工進行。一種常見的做法是由用戶買完食材后根據(jù)食材種類將其與食材進行綁定并錄入系統(tǒng)，為了優(yōu)化體驗，部分廠家會預先制作一些常見標簽供用戶使用，但是因為食材的豐富性和數(shù)量的不確定性，預制標簽很難完全滿足用戶需要。所以折中方案是一些廠家會提供自定義標簽，讓用戶可以自己在系統(tǒng)中錄入標簽屬性并綁定食材，具備一定的自由度。這些過程雖然比較自由，但是也增加了用戶的操作，具有一定使用門檻，對老年人和兒童等群體可能并不友好。

（2）射頻特性：RFID 由于其采用射頻識別技術，所有信息傳輸形式都是以電磁波的形式，而凡是涉及電磁波的場景都會有材料的透射、反射和吸收等問題。食材與食材間，包裝與包裝間，食材所處環(huán)境間，因為材質(zhì)的差異，射頻環(huán)境可能天差地別，不同的射頻環(huán)境勢必決定了識別結果的偏差不同。圖8為相同大小和材質(zhì)的瓦楞紙箱裝入不同物品時的射頻特性圖，可以看到，由于控制了變量，除去包裝和大小的影響，不同內(nèi)含物品的射頻特性差異是巨大的。雖然工程師們研發(fā)了例如反射貼紙等很多緩解由材料帶來的射頻識別結果偏差的技術，但是不可否認的是，其影響依舊存在且影響廣泛。

圖8 一些裝有不同物品的瓦楞紙箱的射頻特性[2]

3 RFID 技術在智能冰箱食材識別上的應用

3.1 系統(tǒng)設計

在系統(tǒng)設計上，如圖9 所示，智能冰箱具有識別標簽及上傳云端數(shù)據(jù)的功能，用戶可以通過手機APP 同步云端數(shù)據(jù)，遠程查看冰箱內(nèi)的食材信息。配合食譜推薦和在線購物等第三方應用，形成一個完整的從食材采買到烹飪的流程。

圖9 基于RFID 技術的食材管理電冰箱系統(tǒng)框架圖

3.2 硬件設計

在系統(tǒng)RFID 硬件選擇方面，采用的是超高頻的RFID 模組，包括一個UHF 讀寫器和與讀寫器通過射頻線連接的5 個板狀天線（如圖10 和圖11 所示）；另外還配套了可讀寫的無源UHF RFID 食材標簽，包括預制標簽和自定義標簽。

天線布設方面，如圖10 及圖11 所示，采用門上1 個，箱體內(nèi)部4 個的布局。其中，門體上的天線A 是為了讓用戶可以在門外綁定標簽和食材以及進行直接的門外識別流程；冰箱內(nèi)的天線BCDE，信號輻射方向朝向冰箱內(nèi)部，與冰箱外殼和門體屏蔽材料共同構成的天線陣列，確保RFID 信號均勻覆蓋冰箱的全部空間，實現(xiàn)冰箱全部儲物空間內(nèi)帶標簽食材的自動識別、盤存，自動管理。

圖10 冰箱門體天線布設示意圖

圖11 冰箱內(nèi)部天線陣列布設示意圖

3.3 軟件設計

在軟件流程上，冰箱的主要識別流程如圖12 所示，在用戶關閉冰箱門后觸發(fā)。

圖12 RFID 食材管理冰箱食材識別流程圖

3.4 RFID 標簽定義與查詢

前面討論RFID 技術的局限性時，我們提到需要用戶進行RFID 標簽和食材的綁定，即進行標簽信息定義，如食材名稱、數(shù)量或重量等。為了提升用戶體驗，設計了門上自感應RFID標簽定義/查詢系統(tǒng)，在冰箱門上設置定向超高頻RFID 近場天線、遠場語音模塊和人感模塊，其工作過程如下：

人感模塊檢測到用戶接近門體時啟動RFID 天線掃描，掃描到RFID 標簽時自動喚醒語音交互，實現(xiàn)標簽信息定義或信息查詢功能。

圖13 RFID 標簽定義/查詢流程圖

3.5 食材識別測試

為了評價RFID 技術在智能冰箱食材識別上的效果，應基于用戶實際的使用場景，以用戶日常購買的食材為測試對象來進行。在本測試中，智能冰箱為556 L 的四門冰箱，選取食材種類和數(shù)量詳見表2 所示，按照適宜的存儲溫度放置到冰箱的各個間室中。

表2 測試用食材和數(shù)量

表3 是我們實驗中截取的部分數(shù)據(jù)，實驗采用了新鮮的瓜果肉類以及速凍食品若干帶并綁定相應標簽，而后逐一放入冰箱中，在不同測試條件下測試重復多次。為了模擬用戶真實的擺放情景，對食材標簽進行多種材料（詳見表4 中的“環(huán)境條件”列）的遮擋。從測試數(shù)據(jù)看，20 次試驗的平均識別率達到99.6%，識別效果達到了預期目標。

另外從表3 中看次，第13、19、20 次試驗中分別在冷藏室內(nèi)有一個RFID 標簽未被識別，主要原因正是前面提到的RFID 射頻特性(如圖8 所示)，是冷藏室內(nèi)有較多數(shù)量的果蔬和飲料中的水分對超高頻RFID 信號的吸收造成。

表3 食材標簽識別結果

4 RFID 食材識別技術的展望

隨著消費者對美好生活的追求，對冰箱的需求已經(jīng)從簡單的制冷功能，向智能、健康、保鮮等食材管理功能轉變。根據(jù)全國家用電器工業(yè)信息中心發(fā)布的消費者需求調(diào)研數(shù)據(jù)，90.0%的用戶有過忘記某樣食材是否有剩余而在冰箱中到處翻找的經(jīng)歷。這說明食材管理，更具體一點來說食材存儲位置的管理是消費者在使用冰箱過程中的一大痛點。雖然基于RFID的智能電冰箱食材識別技術，能準確地對加帶RFID 標簽的食材進行識別并數(shù)據(jù)化進而實現(xiàn)保質(zhì)期管理、缺貨提醒和采買等，但是應用RFID 技術對RFID 食材標簽進行位置確定，尚無成熟的技術方案。這是因為超高頻RFID 信號作為一種電磁波，在冰箱內(nèi)部的傳播除了正常的輻射外，還存在反射、散射、衍射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象造成了多徑效應和非視距效應，對RFID定位系統(tǒng)有嚴重的影響[3]。

5 結論

食材識別是食材管理的入口，食材管理是智能冰箱的核心功能。基于RFID 技術的食材識別功能的實現(xiàn)需要智能冰箱和云端服務器的共同配合。本文論述了一種基于RFID 識別技術的智能冰箱的食材識別方案。不論是與基于圖像識別技術的方案理論對比還是后續(xù)的實際產(chǎn)品舉例，都能看出該方案是切實可行的。未來，通過完善上下游供應鏈及相關行業(yè)編碼標準，該方案的體驗將進一步優(yōu)化，在盡量不改變用戶習慣的同時，給用戶帶來實際的方便。