HISF：一種基于智能冰箱的家庭物聯網感知與服務系統

【摘要】研究智能冰箱技術，并將其作為家庭物聯網感知與服務系統的一種載體。設計一種新型的智能冰箱，實現基于RFID的自動化食品管理模式和可視化食品管理模式，并提供個性化菜譜查詢和推薦等服務；提出以智能冰箱為載體的家庭物聯網感知與服務系統（HISF），該系統采用分層架構設計，實現基于云端數據平臺的服務聚合和終端智能應用服務接入與執行。

【關鍵詞】HISF數字家庭智能冰箱RFID物聯網

HISF： A Smart Fridge Based Home IOT System for Awareness and Service Xiao-dong WangOcean University of China

Xian ZhangQingdao No. 2 Middle School

Ye TaoQingdao University of Science Technology

Abstract：In the paper， Smart fridge technologies are researched to act as the carrier for home IOT system. Firstly， we design a novel smart fridge， implementing some features， such as RFID based and visual food managements， personalized recipe search and recommendation. Secondly， we propose HISF， a home IOT awareness and service system. It adopts the layered architecture， in which the data platform supports both the service aggregation from other providers and the application addressing and invoking from home terminals.

Keywords：HISF， Digital Home， Smart Fridge， RFID， Internet of Things

一、引言

數字家庭、家庭物聯網是信息時代發展的要求。當前，家庭對信息消費需求的明顯上升和不斷擴大，數字化技術、多媒體技術和網絡技術的進一步發展使通信、計算機與家用電器產業出現融合的趨勢，數字化、智能化、網絡化的信息家電出現并廣泛進入我們的家庭。傳統白電行業的理念是：家用電器操作簡單、普及率高，數字家庭網絡未來是以家用電器為核心，3C應在家用電器上進行融合，在未來數字用戶家庭中計算機不應該是一個不可或缺的核心。2005年，惠普公司提出了“不以PC為中心的家電戰略”口號，認為“PC未必就是數字家電時代的家庭中心”，其涵義是PC與其它家電不是“主”與“從”的關系，而應著眼于加強PC與傳統家電之間的連接性[1]。

網絡冰箱在數字家庭中占有著重要的地位，將網絡冰箱作為信息家電的代表是具有可信性的，也是各家電廠商競相研發的目標之一。諸如，文獻[2，3]指出智能冰箱應能夠進行內容感知，例如，監測食品是否在保質期內，哪些食品需要補充，向用戶提供適當的菜譜以充分利用冰箱內的資源以及為用戶生成購物清單等功能。冰箱是家庭中唯一24小時帶電的設備，其體積較大，為多種技術在其上進行融合提供了的寬廣的平臺。網絡冰箱的研發方向除了不斷改進傳統的食品存儲功能外，也在逐漸豐富其他的服務應用。例如將冰箱安裝顯示屏，與網絡連接后可以實現電子郵件查看、下載收聽音樂、記錄便簽和日程管理等功能，有的廠商還能夠通過網絡對冰箱進行遠程檢查、維修和軟件升級。隨著技術的發展，更多的增值服務功能將被開發出來，網絡冰箱有望成為新媒體形態[4]，甚至有可能成為數字家庭和家庭智能空間的中樞。

本文依托課題組數字家庭項目，研究新一代智能冰箱技術，并將其作為家庭物聯網感知與服務系統的一種載體，主要創新工作包括以下兩個方面：

（1）面向冰箱核心服務———食品存儲，設計一種新型的智能冰箱。該冰箱實現基于RFID的自動化食品管理模式和可視化食品管理模式，并提供個性化菜譜查詢和推薦功能，同時提供消息服務、便簽服務和家居監控等多項增值業務。

（2）提出以智能冰箱為載體的家庭物聯網感知與服務系統（HISF），該系統采用分層架構設計，實現了基于云端數據平臺的服務聚合和終端應用服務執行架構。計算和數據密集型任務交由數據平臺處理，終端服務系統對數據平臺與本地第三方應用服務系統（如環境感知控制系統等）均采用統一的受限資源Web服務接入方式。

本文以智能冰箱所提供的物聯網服務———食品管理和個性化菜譜查詢與推薦為出發點，從系統整體架構設計、硬件設計、服務器和終端軟件方面，探討HISF系統的原型設計與實現。

二、系統架構設計

HISF系統的架構分為三層：外部應用層、云端數據平臺和家庭服務層，如圖1所示。

1.外部應用服務層：該層為互聯網與物聯網服務接入層，基于云端數據平臺提供的標準Web服務接口，內容或服務提供者均可通過該層實現向云端數據平臺的服務聚合和數據接入。該層實現了服務提供和服務支撐環境的分離，優化了服務資源的配置模式，同時提升了產業鏈各個環節的分工協作程度，提供了利益共享和分配的機制。

2.云端數據平臺：該層作為第三方服務與家庭物聯網系統的適配與管理層，支撐對第三方服務和家庭物聯網系統的接入和管理。該層對外部應用服務層提供標準的服務業務接入接口，并規劃相應的內容管理與流程管理業務模塊、其他增值業務模塊，同時面向家庭終端用戶提供統一的受限資源服務接口，規劃與之對應的服務分發和協作模式。

3.家庭服務層：即依托所設計的智能冰箱，實現家庭物聯網感知與服務系統。在家庭中，唯一長期不間斷帶電的設備只有冰箱，HISF正是憑借這一特點，選擇冰箱作為家庭物聯網化的切入點。HISF系統首先從滿足智能化飲食服務出發，設計食品管理、我的菜譜等智能服務模塊，實現個性化菜譜推薦，并能與電子商務進行協同，提供個性化食品配送服務；借助冰箱門體上提供的高分辨率顯示屏幕，提供便簽管理、消息推送等實用服務；另外，由于本項目的智能冰箱設計能夠提供豐富的計算和存儲資源并運行有Android系統，所以HISF提供應用程序管理模塊，實現各應用組件的安裝和升級，提供視頻監控模塊，能夠與家庭門禁系統連接，實現門禁管理和家居監控等服務等。

三、硬件設計

根據項目對HISF系統的功能定義，我們選擇基于Haier BCD-248WBSV冰箱進行硬件改造和升級，實現原型機并開發智能冰箱原型系統。通過與Haier集團的協商，我們獲取并保留了該冰箱的原始控制協議，硬件改造過程中并不破壞原有的控制系統。為了實現物聯網冰箱的食品感知功能，項目設計在冰箱三個門體中部署RFID讀寫模塊，實際原型機硬件設計改造過程中，為控制成本和復雜度，暫時只考慮上開門的RFID讀寫器部署。

HISF客戶端硬件模塊連接如圖2所示。由于Haier冰箱原主控板與冰箱核心控制電路之間采用私有接口和通信協議，難以直接替換，所用本系統設計保留了冰箱原主控板，通過主控板上板載串口實現與冰箱原系統的數據交互。本系統設計考慮了物聯網感知系統的硬件可移植性，并賦予其可移動化特性，例如，物聯網感知模塊可以部署到門禁系統中，或者其軟件部分可以工作在便攜式移動設備中；另外，考慮到串口的獨占性，為了能夠實現多硬件模塊之間的協同，本設計并沒有將物聯網感知系統模塊硬件與冰箱原主控板之間直接基于串口進行連接，而是將主控板擴展了藍牙通信支持，從而實現冰箱主控板、多個RFID讀寫器，甚至多個ZigBee網絡通信模塊與物聯網感知系統模塊的無線通信連接。

四、軟件設計

4.1云端數據平臺

HISF系統的數據平臺主要負責聚合平臺內外數據和服務，并為系統內部應用提供服務支持，主要包括數據接口和數據管理兩個子功能組。本文以數據平臺的個性化菜譜服務數據接口為例，簡要介紹平臺軟件系統的設計。

個性化菜譜服務模塊為系統其它功能模塊提供菜譜和冰箱食品管理數據接口服務，以便其它模塊可以安全、高效的進行相關數據通信和操作。數據接口采用輕量級Web服務的方式發布，以JSON方式提供給客戶端進程調用，并配以API Key保證接口的安全性。

4.2客戶端系統

HISF客戶端基于Android系統進行開發，客戶端系統軟件架構主要包括Linux內核和底層庫、硬件抽象層、Android應用框架和上層應用服務，如圖3所示。

1.客戶端主界面

HISF客戶端主界面是客戶應用系統的入口，主要包括應用界面、天氣預報界面和數據可視化界面等，各界面之間通過滑動觸摸屏的方式進行切換。應用界面列出本系統所支持的所有功能項，通過點擊功能項，進入相應的功能應用。通過點擊“食品管理”、“我的菜譜”、“便簽”和“升級管理”可進入相應的應用界面；通過點擊“冷藏區”、“0度區”和“冷凍區”可進入“食品管理”應用中所對應物聯網冰箱食品保存區域的食品列表界面。通過滑動操作客戶端主界面，能夠切換至天氣信息界面，用于顯示物聯網冰箱所在地區的天氣狀況，界面原型設計如圖4所示。

2.感知數據可視化和冰箱功能控制

通過滑動客戶端主界面能夠顯示數據可視化界面。感知數據可視化界面的功能是將冰箱作為物聯網數據感知中心而采集到的數據進行可視化顯示，如家庭環境內溫濕度變化數據、家電設備用電數據等，主要用于接入管理智能環境控制和能源管理服務。界面原型設計如圖5所示。通過滑動客戶端主界面能夠顯示冰箱主功能控制界面，包括調整冰箱各區域的溫度，開啟智慧模式、光波增鮮等。界面原型設計如圖6所示。

3.食品管理

本系統通過在食品容器上附著RFID標簽的方式，為用戶提供自動化食品管理功能。核心電路板通過藍牙通訊的方式連接RFID數據采集器。每一個冰箱區域（冷藏、0度和冷凍）包括兩個RFID數據采集器，一個用于采集“取出食品”數據，一個用于采集“放入食品”數據。為了方便用戶操作，我們設計了常用數十種常見食品類別的RFID標簽，并將標簽附著到食品存儲袋上。將食品放入或取出冰箱時，將標簽貼近RFID數據采集器進行數據記錄操作。客戶端系統接收到數據時，顯示“食品數據接收界面（如圖8所示）”，從而實現了對用戶冰箱內食品的有效管理。

五、總結與展望

本文研究了智能冰箱技術，設計實現了一種智能冰箱的原型系統，并基于冰箱在家庭應用中的不間斷供電特性，研究在此基礎上的家庭物聯網感知與服務系統HISF的設計與部署，探討了HISF的分層架構模式，為數字家庭、物聯網智能家居服務模式提出了一種可借鑒的技術和業務實施方案。項目后續研究著重考慮數據平臺的數據可視化分析、用戶消費行為挖據，健康飲食專家系統的開發與部署，同時增強平臺的商業服務能力，探索與第三方在線食品電子商務協作的業務模式。

參考文獻

[1]“IT逼迫傳統家電變革，”市場報，2005

[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 intelligent fridge，\" 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.網絡冰箱的傳播學解讀. 2007

[5] Drupal. http：//drupal.org.