一种智能冰箱的设计*

莫炯堂，邓　君

(东莞理工学院 机械工程学院，广东 东莞　523000)

0　引　言

在现在快节奏生活中，为了方便省时，人们常常的做法就是购买大量的菜肉储存在冰箱中。虽然冰箱有保鲜的功能，但人们往往就是因为太信赖冰箱或者是因为自身的繁忙而忽略冰箱内食品的品质和新鲜度，从而食用过期的食品，使身体感到不适。普通的冰箱只是有冷藏和冷冻功能，存储系统不够完善，只是简单的储物搁架，对种类多而复杂的食物不能做到科学、合理、便捷地存储。根据生活趋势，家庭式智能冰箱设计，实现冰箱的智能功能化的目的，智能冰箱的设计主要面向广大普通百姓。智能冰箱是在市场现有的普通冰箱的基础上进行改造与创新，利用相关技术使冰箱能够监测食品的新鲜度和及时反映到主人。当前市场上的智能冰箱存在但并不完善，很多产品只停留在监测食品方面存在着较大的缺陷，而且价格比较昂贵，难以推广使用。通过实践智能冰箱，让功能更加全面、性价比更高的智能冰箱得到应用，让智能冰箱逐渐普及到千家万户中，不断提高人们的生活质量。

自动监测食品的新鲜度，并且及时进行报警，极大方便人们管理冰箱中的食品。人们往往在不确定食品是否过期从而食用或者丢弃食品，前者可能有害健康，后者则浪费食品，使用智能冰箱能够快速解决这样的问题。此外，作为自主研发的产品，要争取尽快占领相应的市场，从而获得发展的主动权。

1　前期准备工作

根据现在冰箱的功能和消费者们的需求，设计目标是一种能够检测食品质量的智能冰箱。在设计之前，需要分析消费者市场以定位冰箱价格和完善功能。当然，这种冰箱并不是专为需要高质量生活的人们设计的，生活规律和收入稳定的大众也是我们的消费者。

1.1　消费者市场分析

为了方便消费者在使用冰箱过程中能够更加方便简易清楚食品的保质情况，智能冰箱恰好迎合消费者的需求。智能化产品已是一种发展趋势并逐渐普遍。据统计，全国生产冰箱(包括普通冰箱)能力在2 000万台以上，而我国的冰箱年需求量在1 200万台，国内产能明显过剩，但我国每年冰箱出口2 245万台[1]。所以，市场上的冰箱处于供不应求状态。而且，在当今人们如此重视健康而价格相当的情况下，相比于普通冰箱，一种能够检测食品质量的智能冰箱会是消费者们的首选。总的来说，智能冰箱存在着广大的市场。

1.2　设计定位

经过市场调查分析，我国冰箱市场处于供不应求状态，而功能性的智能冰箱的市场会更大。我们所设计的能够监测食品保质期的智能冰箱主要的是面向中高端、收入和生活稳定的人群。在价格方面，我们会定在产品关注度最高的3000～5000元。在功能方面，主要是实现能够监控食品的保质期，很多食品放在冰箱中却忽视了它的保质期，比如说水果，鲜肉等等。冰箱具有智能功能，能够梳理食品信息并及时提醒即将过期的食品，使人们能够使用安全食品，保证了人们的健康。

2　冰箱结构

内部结构如图1。冰箱工作原理如图2所示。

图1　冰箱内部结构图

图2　冰箱工作原理

冰箱为单门冰箱，主要分为两层，第一层是冷冻层，可以通过附近的旋转按钮调节冷冻温度。第二层是冷藏层，冷藏层主要分肉类层(可改变空间大小)、果蔬层(可改变空间大小)、饮料层。冰箱侧方有一个提醒喇叭和一个显示屏。

3　功能实现

本款智能冰箱的核心功能是监测食物的保质情况和食物的录入管理。这个功能有三个核心部分组成，控制系统、食品识别及录入管理系统、食品监测和报警系统。

3.1　控制系统

3.1.1控制器的选择

为了集成各系统功能，采用了STC89C51RC嵌入式微控制器作为控制系统。如图3所示。STC89C51RC微控制器具有体积小、控制能力强、集成度高、可靠性高、性价比高等特点[2]，在家用电器有着广泛的应用。STC89C51RC采用8051核的ISP(In System Programming)在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80 MHz，片内含4K Bytes的可反复擦写1 000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程(ISP)特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。

3.1.2编程软件的选择

编程软件采用Keil编译系统进行编写，如图4所示，此系统由KEIL公司开发，有较强的可读性模块化的系统编程软件，能够方便地进行程序的编写、编译以及修改[3]。要使单片机和各硬件进行配合运作，就要通过编程实现。利用C语言编译软件，Keil可以加以运用任何51系列单片机，同时该编程软件有着完美的编译开发环境。

在实现程序的编写后，需要对程序进行导入。对于程序导入软件，选择STC-ISP进行程序导入。如图5所示。STC-ISP 是一款单片机下载编程烧录软件，是针对STC系列单片机而设计的，可下载STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC单片机，使用简便，现已被广泛使用。

图3　STC89C51RC　　　　图4　Keil操作界面

3.2　食品识别及录入管理系统

冰箱采用了RFID食品管理技术。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，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。将待储食物贴上RFID电子标签，实现食物电子身份证的标识，RFID阅读器对RFID电子标签读写和识别，实时自动识别储存食品的类别、时间和位置，并对其进行管理。其次，在冰箱内每层当中都会有压力传感器，当有食物放进去的时候，压力传感器会把信号传给单片机，单片机根据不同的信号会做出相对应的处理。

图5　STC -ISP操作界面

3.3　食品监测系统

一般来说，蔬菜在冰箱里储蓄一周就不能吃了，而水果的新鲜期一般是3～4天，肉类一般为2～3天。冰箱内分为肉类层和蔬果层，当有肉类或是蔬果放进冰箱，通过压力传感器把信号传给单片机，单片机会根据不同的信号做出相应的处理。

3.4　报警系统

报警系统主要由蜂鸣器组成。单片机接收不同电子标签信号以及用蜂鸣器进行报警。当监测系统监测到电子标签时，根据不同的电子标签进行倒计时，倒计时完毕报警系统将会用蜂鸣器提醒主人有食品的品质或新鲜度有问题，并在液晶显示屏上具体显示哪个位置的食品。报警系统不会进行持续报警，每次报警持续2 min，夜间不报警。

3.5　功能模块程序设计

功能模块程序设计流程图如图6。通过RFID识别果蔬类和肉类后把信息反馈给单片机对食品进行录入，录入后结合压力传感器信号来确定食品所处位置和时间，并根据食品的种类在一定时间内进行报警和显示提示。如图7所示。

功能模主要有5个步骤：RFID识别录入、压力传感器、单片机中央处理、蜂鸣器报警、LCD显示。

图6　功能模块程序设计流程图

图7　实践中肉类变质LCD显示提醒

4　产品设计的先进性

该产品是一款能够实现食物保鲜监测与管理的智能冰箱，相比于普通的冰箱，增加了食品鲜度监测功能和食品录入管理功能，能够提醒人们及时食用即将变质的食物，并且能够准确显示食品名称以及所在位置，方便人们尽快找到即将变质的食品。

4.1　控制系统的优点

控制系统选择STC89C51单片机作为控制器，选择此控制器有4大优点：①成本较低。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低；②可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活；③由于现存有许多已经设计很完善的子程序和库文件，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量；④优异的性能/价格比。由于单片机构成的硬件结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高，因此，在达到同样功能的条件下，用单片机开发的控制系统比用其它类型的微型计算机开发的控制系统价格更便宜。

4.2　RFID识别技术优势

采用RFID识别技术进行管理有着以下优势：

(1) 扫描识别方面：电子标签(RFID)识别更准确，识别的距离更灵活。可以做到穿透性和无屏障阅读。

(2) 数据的记忆体容量：RFID最大的容量则有数 MegaBytes，随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。

(3) 抗污染能力和耐久性：RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性； RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。

(4) 可重复使用：RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。

(5) 体积小型化、形状多样化：RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。

5　结　语

整个设计过程中智能化始终贯穿在设计思路中，首先我们了解到我国现阶段冰箱功能的缺陷，根据现代生活的需要，提出了可监测食物智能冰箱设计方案。在设计冰箱之前，分析了智能冰箱的消费市场、人们的消费水平以及对冰箱功能的要求。总的来说，在设计过程中取得的成效如下：①设计出冰箱结构为单门冰箱；②设计出以STC89C51为控制器的具有食品保鲜监测系统和管理系统智能冰箱。这将方便人们管理冰箱里面的食物和在不浪费食物的前提下吃到了新鲜健康的食品。在研发过程中，发现录入多个标签时，其发出的信号会将这些标签一起激活，导致多个标签会在同一时间向阅读器发送信号，阅读器在接收这些信号会产生冲突，以至于阅读器出现信息误读现象，这个问题还没得到很好的解决，拟采取在碰撞算法中加上八叉树搜索方法[4]进行解决。当然，虽然在研发过程中实现了这些功能，但在功能模块和冰箱系统还需要集成在同一系统上。对于功能方面，后续将开发一款APP，通过蓝牙连接把冰箱里面的食品信息反馈到手机上，更加方便人们管理冰箱里的食物。