RFID 技术在智能电冰箱食材识别中的应用

陈红欣 金轮 鲍雨锋 冯长卿 魏明然

（1.海信（山东）冰箱有限公司，山东青岛 266071；2.中家院（北京）检测认证有限公司，北京 100176）

近几年，物联网行业迅速发展，新兴技术不断涌现出来，而一些曾经的技术也被重新发掘和审视，RFID 技术就是其中之一。作为一种非接触式的自动识别技术，RFID 技术虽问世多年，但对于家电行业来说，其应用尚处于摸索期，各大厂家均围绕其不断研制新的产品，申请新的专利。冰箱作为传统家电的代表早已深入千家万户，这奠定了其稳固的销售市场，不仅如此，储存和管理食材作为冰箱的基础功能，是一个完美的应用场景，这些使得冰箱非常适合成为RFID 技术落地的载体。可以想见，在RFID 技术加持下的冰箱可以更加智能、更加方便地识别和管理食材，它们的结合将具有非常广阔的应用前景。

1 食材识别技术

1.1 食材识别技术概述

食材保鲜作为冰箱最核心的功能是所有消费者关心的重点，也是电冰箱厂家一较技术高低的比武场。食材保鲜技术涉及生物、化学、材料、电子、计算机、物流等多领域多学科。而食材保鲜技术对于冰箱也不再是一个独立的功能，食材识别、食材管理、温度控制、湿度控制等等都与食材的保鲜效果息息相关。

食材识别，是整个食材保鲜的入口，是一切后续智能功能的输入，一旦输入出错，后面的诸如食材保质期管理，针对不同食材的存储特性的温湿度精控以及根据食材的食谱建议等功能将失去意义。所以食材识别，是整个冰箱智能化的重点技术。

目前，食材识别技术主要分为基于图像识别的食材识别技术和基于RFID 等无线识别技术的食材识别技术。

1.2 基于图像识别的食材识别技术

和其他仿生技术类似，由于人类主要通过视觉来识别物体，所以图像识别技术一直是物体识别中比较热门的研究和应用方向。由此衍生的基于图像识别的食材识别技术也是较早在家电行业中得以实践。但是，虽然该技术有诸多优点，但其在带来便利的同时也存在诸多问题，而且其中一些是比较难以通过技术手段克服的。图1 为一个典型的基于图像识别技术的冰箱食材管理系统框架描述图。

图1 基于图像识别技术的食材管理电冰箱框架图[1]

图像识别方式主要是使用摄像头等图像采集设备从不同角度和位置采集放入冰箱的食材光学信息，而后通过一系列的图像处理和识别算法将食材进行分类和标记。

其优点是可以做到几乎无感的用户体验，用户在使用过程中几乎不会感觉该功能的存在，也不需要太多额外操作，在关闭冰箱门的一刻起，识别过程自动进行，从始至终的过程几乎是全自动的。

其缺点也较为明显，一般来说，基于图像识别的食材识别技术对食材种类和状态要求较为苛刻，这是由于图像识别算法的特点导致的。相同的食材，在不同的状态（整体/部分）下，或不同温度下（常温/冻结），不同的光照下（明亮/黑暗），甚至不同的摆放朝向下的图像识别判断结果差异都可能是巨大的。再者，由于冰箱是物品相对集中的密集封闭空间，所以更加可能发生的情况是冰箱中的食材相互遮挡，一旦发生这种情况，识别结果的偏差可能是巨大的。事实上，人类一般对于物体的识别率在95%左右，而且像表面覆霜的深冻肉类等物品，就算是人类也很难仅仅通过视觉来进行准确判断。所以，误差是必然存在的，而且精度提升的越高，再想通过技术手段进行优化就变得越困难。如图2 所示是一组典型的图像识别拍摄的冰箱内部放置苹果的画面，可以看到尽管稀疏摆放，但遮挡等问题仍然还是比较明显的。

图2 冰箱内部摄像头拍摄的苹果画面[1]

2 RFID 技术

2.1 RFID 技术原理

RFID（Radio Frequency Identification）即射频识别技术，是一种非接触式的数据通信系统，起源于上世纪40—50 年代的雷达技术。该系统一般由三部分组成：即读写器（Reader）、天线（Antenna）以及电子标签（Tag）。图3 是一种常见的RFID 电子标签，出厂时是成卷状态，实际应用中配合不同场景可以附加贴纸或不同材质的外壳作为永久性标签使用。

图3 RFID 电子标签

RFID 技术发展至今，其产品品类已经非常丰富。根据天线和读写器结合方式的设计不同，RFID 系统可以分为一体式（图4）和分体式（图5、图6）两种设计，其中：一体式的RFID 系统虽然识别范围仅限一个特定区域，但是因其结构紧凑便携性好，可以广泛应用于门禁、收银以及手持式设备等场景；而分体式的RFID 系统由于支持多路外置天线且天线可以独立布设，在仓储、商场、图书馆以及家电中应用广泛。

图4 一体式RFID 读写器

图5 分体式RFID 读写器

图6 分体式读写器配套天线

根据不同的工作频段，RFID 系统划分如表1 所示。

表1 RFID 系统的频段划分及应用

如果按照能源供给方式划分，RFID 还可以分为无源RFID（被动式）、有源RFID（主动式）以及半有源RFID。其特点是：无源RFID 读写距离较近，造价低，除非损坏，不然几乎没有使用寿命限制，但是因为能量全部来自读写器，所以需要大功率的读写装置支持；而有源RFID 由于自身带有能量供给，所以可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本自然也会高一些，较适用于远距离读写的应用场合，使用寿命也有限制，但是优势是对于读写装置的依赖性较小；半有源RFID 顾名思义是前两者的结合，简单地说，就是近距离激活定位，远距离识别及上传。

冰箱的食材识别场景中，由于识别距离需要较近且区域固定，且需要重复使用的场景较多，综合成本和可靠性等参数，一般建议采用无源的UHF RFID 解决方案，读写器和天线一般也采用分体式设计。一个典型的分体式RFID 系统结构如图7 所示。

图7 RFID 系统原理图

2.2 RFID 技术的优势

RFID 之所以被物流行业垂青，其技术优势是显而易见的。

（1）非接触式：由于RFID 技术的数据和能量交互基于电磁波，波具有穿透性，所以在复杂的环境中（例如，堆叠、包覆等）对比传统条码识别或图像识别等强依赖光学的识别方式更为有效。并且，一般物流中物品都会有包装物，尤其对于食材类物品来说，出于保鲜和保护外形的运输及储存要求，大部分食材出厂后都带有包装，而且并不是所有包装都采用透明材质制造，所以对比传统基于光学的识别技术，该项技术的应用可以在不破坏外包装的前提下识别食材，具有很大行业契合度。

（2）空间距离：如上文表1 中所述，从收费站和物流这种10 m 级别的距离范围，到POS 支付和门禁这些1 cm 级别的场景，均可以通过选用不同工作频段和功率的RFID 设备达到，精确适配使用场景。对于食材识别来说，由于一般都是在家庭环境中使用，再加上冰箱内部空间的限制，识别尺度一般在1 cm～50 cm 范围左右。恰好符合RFID 系统的工作区域。

（3）价格因素：任何技术落地都少不了成本的考量，虽然RFID 标签本身造价并不算非常廉价（一次性的大概0.5 元/个～1 元/个，可复用型的包括外壳大概2 元/个～5元/个），但是考虑到可复用以及对比其他食材识别技术的成本来看，综合性价比还是很高的。不仅如此，如果有上下游企业及物流业的支持，比如类似纺织行业的衣联网等方向，由行业制定标准，统一大批量制作规范标签，这部分的成本相信会更低。

2.3 RFID 技术的局限性

（1）人工参与：就像其他RFID 场景一样，标签和物品本身不是天生绑定的，一定需要在某个环节进行绑定。这其实也是RFID 食材识别的一个根本问题，就是其识别的其实是标签，而非食材本身。而绑定步骤，目前大部分还是需要靠人工进行。一种常见的做法是由用户买完食材后根据食材种类将其与食材进行绑定并录入系统，为了优化体验，部分厂家会预先制作一些常见标签供用户使用，但是因为食材的丰富性和数量的不确定性，预制标签很难完全满足用户需要。所以折中方案是一些厂家会提供自定义标签，让用户可以自己在系统中录入标签属性并绑定食材，具备一定的自由度。这些过程虽然比较自由，但是也增加了用户的操作，具有一定使用门槛，对老年人和儿童等群体可能并不友好。

（2）射频特性：RFID 由于其采用射频识别技术，所有信息传输形式都是以电磁波的形式，而凡是涉及电磁波的场景都会有材料的透射、反射和吸收等问题。食材与食材间，包装与包装间，食材所处环境间，因为材质的差异，射频环境可能天差地别，不同的射频环境势必决定了识别结果的偏差不同。图8为相同大小和材质的瓦楞纸箱装入不同物品时的射频特性图，可以看到，由于控制了变量，除去包装和大小的影响，不同内含物品的射频特性差异是巨大的。虽然工程师们研发了例如反射贴纸等很多缓解由材料带来的射频识别结果偏差的技术，但是不可否认的是，其影响依旧存在且影响广泛。

图8 一些装有不同物品的瓦楞纸箱的射频特性[2]

3 RFID 技术在智能冰箱食材识别上的应用

3.1 系统设计

在系统设计上，如图9 所示，智能冰箱具有识别标签及上传云端数据的功能，用户可以通过手机APP 同步云端数据，远程查看冰箱内的食材信息。配合食谱推荐和在线购物等第三方应用，形成一个完整的从食材采买到烹饪的流程。

图9 基于RFID 技术的食材管理电冰箱系统框架图

3.2 硬件设计

在系统RFID 硬件选择方面，采用的是超高频的RFID 模组，包括一个UHF 读写器和与读写器通过射频线连接的5 个板状天线（如图10 和图11 所示）；另外还配套了可读写的无源UHF RFID 食材标签，包括预制标签和自定义标签。

天线布设方面，如图10 及图11 所示，采用门上1 个，箱体内部4 个的布局。其中，门体上的天线A 是为了让用户可以在门外绑定标签和食材以及进行直接的门外识别流程；冰箱内的天线BCDE，信号辐射方向朝向冰箱内部，与冰箱外壳和门体屏蔽材料共同构成的天线阵列，确保RFID 信号均匀覆盖冰箱的全部空间，实现冰箱全部储物空间内带标签食材的自动识别、盘存，自动管理。

图10 冰箱门体天线布设示意图

图11 冰箱内部天线阵列布设示意图

3.3 软件设计

在软件流程上，冰箱的主要识别流程如图12 所示，在用户关闭冰箱门后触发。

图12 RFID 食材管理冰箱食材识别流程图

3.4 RFID 标签定义与查询

前面讨论RFID 技术的局限性时，我们提到需要用户进行RFID 标签和食材的绑定，即进行标签信息定义，如食材名称、数量或重量等。为了提升用户体验，设计了门上自感应RFID标签定义/查询系统，在冰箱门上设置定向超高频RFID 近场天线、远场语音模块和人感模块，其工作过程如下：

人感模块检测到用户接近门体时启动RFID 天线扫描，扫描到RFID 标签时自动唤醒语音交互，实现标签信息定义或信息查询功能。

图13 RFID 标签定义/查询流程图

3.5 食材识别测试

为了评价RFID 技术在智能冰箱食材识别上的效果，应基于用户实际的使用场景，以用户日常购买的食材为测试对象来进行。在本测试中，智能冰箱为556 L 的四门冰箱，选取食材种类和数量详见表2 所示，按照适宜的存储温度放置到冰箱的各个间室中。

表2 测试用食材和数量

表3 是我们实验中截取的部分数据，实验采用了新鲜的瓜果肉类以及速冻食品若干带并绑定相应标签，而后逐一放入冰箱中，在不同测试条件下测试重复多次。为了模拟用户真实的摆放情景，对食材标签进行多种材料（详见表4 中的“环境条件”列）的遮挡。从测试数据看，20 次试验的平均识别率达到99.6%，识别效果达到了预期目标。

另外从表3 中看次，第13、19、20 次试验中分别在冷藏室内有一个RFID 标签未被识别，主要原因正是前面提到的RFID 射频特性(如图8 所示)，是冷藏室内有较多数量的果蔬和饮料中的水分对超高频RFID 信号的吸收造成。

表3 食材标签识别结果

4 RFID 食材识别技术的展望

随着消费者对美好生活的追求，对冰箱的需求已经从简单的制冷功能，向智能、健康、保鲜等食材管理功能转变。根据全国家用电器工业信息中心发布的消费者需求调研数据，90.0%的用户有过忘记某样食材是否有剩余而在冰箱中到处翻找的经历。这说明食材管理，更具体一点来说食材存储位置的管理是消费者在使用冰箱过程中的一大痛点。虽然基于RFID的智能电冰箱食材识别技术，能准确地对加带RFID 标签的食材进行识别并数据化进而实现保质期管理、缺货提醒和采买等，但是应用RFID 技术对RFID 食材标签进行位置确定，尚无成熟的技术方案。这是因为超高频RFID 信号作为一种电磁波，在冰箱内部的传播除了正常的辐射外，还存在反射、散射、衍射等现象，这些现象造成了多径效应和非视距效应，对RFID定位系统有严重的影响[3]。

5 结论

食材识别是食材管理的入口，食材管理是智能冰箱的核心功能。基于RFID 技术的食材识别功能的实现需要智能冰箱和云端服务器的共同配合。本文论述了一种基于RFID 识别技术的智能冰箱的食材识别方案。不论是与基于图像识别技术的方案理论对比还是后续的实际产品举例，都能看出该方案是切实可行的。未来，通过完善上下游供应链及相关行业编码标准，该方案的体验将进一步优化，在尽量不改变用户习惯的同时，给用户带来实际的方便。