聲控3C智能型電冰箱技術(shù)

本產(chǎn)品即應(yīng)用恩智浦公司所開(kāi)發(fā)LPC2478嵌入式系統(tǒng)作為核心，應(yīng)用在信息家電自動(dòng)化控制的研發(fā)上。信息家電自動(dòng)化的風(fēng)潮吹襲著各個(gè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，家庭是人類生活的重要空間，如何將家庭中的設(shè)施、電器結(jié)合自動(dòng)化的設(shè)計(jì)觀念，讓我們的生活更方便、快捷，成為嵌入式微電腦應(yīng)用方面的另一種思維。

由于現(xiàn)代信息科技的進(jìn)步，因此，我們本次研發(fā)信息家電產(chǎn)品為“全功能聲控3C智能型電冰箱”，此冰箱可自動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)部各類型食品，使用者可通過(guò)LPC2478嵌入式系統(tǒng)監(jiān)控目前冰箱食品的存量，并且借由Wireless Sensor Network (WSN，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò))系列之藍(lán)牙，作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸接口，此無(wú)線接口可結(jié)合由本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能型廚房家電系統(tǒng)，并且應(yīng)用SPCE061A芯片結(jié)合LPC2478嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)、識(shí)別功能，達(dá)到與家電互動(dòng)效果。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)目的

(1) 研制符合現(xiàn)代生活與科技發(fā)展的多功能智能型電冰箱，以LPC2478嵌入式系統(tǒng)為核心，結(jié)合語(yǔ)音、藍(lán)牙無(wú)線傳輸、各類型感測(cè)機(jī)制。

(2) 研制以LPC2478嵌入式設(shè)計(jì)整合型智能冰箱圖控人機(jī)接口系統(tǒng)。

(3) 研制以藍(lán)牙作為無(wú)線智能型家電控制的模塊化系統(tǒng)。

(4) 研制以SPCE061A語(yǔ)音芯片結(jié)合各類型傳感器的語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。

(5) 研制LPC2478嵌入式圖像識(shí)別系統(tǒng)。

系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)在使用者欲查詢冰箱內(nèi)部食品存量時(shí)，可通過(guò)聲控詢問(wèn)及視覺(jué)觀看LCD觸控面板目前顯示狀態(tài)。以聲控方式詢問(wèn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)以語(yǔ)音播報(bào)方式告知使用者食品存量，以視覺(jué)方式查詢時(shí)，可完全一次了解目前冰箱內(nèi)部所有食品存量及家電控制狀態(tài)，并可以觸控方式操控智能型家電控制，當(dāng)食品存量單位為預(yù)設(shè)最低單位“一”時(shí)，語(yǔ)音會(huì)播報(bào)為存量不足，且立即通過(guò)藍(lán)牙主控端傳送相對(duì)應(yīng)食品采購(gòu)代碼，借由電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)撥打使用者預(yù)設(shè)電話號(hào)碼至使用者，使用者接通電話時(shí)可于話筒內(nèi)部聽(tīng)到語(yǔ)音播放食品存量不足，提醒使用者訂購(gòu)。

圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖，系統(tǒng)架構(gòu)可分為架設(shè)于冰箱門(mén)上的LPC2478嵌入式系統(tǒng)、藍(lán)牙無(wú)線傳輸主控端及語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架設(shè)于一般家庭放置市內(nèi)電話的客廳位置，智能型家電受控為改良式自動(dòng)關(guān)火瓦斯?fàn)t及廚房電燈，上述家電除以LPC2478嵌入式系統(tǒng)控制之外，也可于戶外通過(guò)一般市話、手機(jī)撥打家中電話號(hào)碼，即可進(jìn)入電話控制家電系統(tǒng)進(jìn)行家電控制。



系統(tǒng)功能

功能一：食品自動(dòng)感測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)各類型傳感器裝設(shè)于智能型電冰箱內(nèi)部，其感測(cè)食品(雞蛋、大/小瓶飲料、魚(yú)類、肉類)由SPCE061A芯片監(jiān)測(cè)食品存量狀態(tài)，將目前狀態(tài)信號(hào)傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行整合，并以圖標(biāo)模式顯示于LCD觸控屏幕，讓使用者不必開(kāi)啟冰箱門(mén)也可得知內(nèi)部食品信息，減少冰箱壓縮機(jī)起動(dòng)次數(shù)，達(dá)到節(jié)能效果。

功能二：CCD圖像識(shí)別系統(tǒng)

蔬果放入冰箱時(shí)借由圖像采集及圖像識(shí)別等多媒體技術(shù)，使LPC2478嵌入式系統(tǒng)能自動(dòng)判斷冰箱內(nèi)蔬果存量，當(dāng)使用者將蔬果放置于冷藏柜中后，先將物品經(jīng)由冰箱內(nèi)部CCD快速圖像采集識(shí)別，將識(shí)別信號(hào)傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)經(jīng)軟件處理后，于LCD觸控屏幕顯示識(shí)別后的圖像，作為蔬果識(shí)別的圖像數(shù)據(jù)依據(jù)，讓使用者不必開(kāi)啟冰箱門(mén)也可得知內(nèi)部蔬果信息。

功能三：語(yǔ)音聲控播報(bào)系統(tǒng)

通過(guò)人類以聲控方式直接下達(dá)命令詢問(wèn)冰箱物品存量，冰箱以語(yǔ)音自動(dòng)播報(bào)方式回答使用者物品目前存量，達(dá)到與冰箱做自然語(yǔ)言的溝通，除此之外也為冰箱門(mén)設(shè)計(jì)自動(dòng)感測(cè)系統(tǒng)，只要冰箱門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)都會(huì)有語(yǔ)音播報(bào)冰箱門(mén)狀態(tài)。當(dāng)主人忘關(guān)冰箱門(mén)時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音提示讓主人及時(shí)關(guān)門(mén)，防止能源無(wú)端耗損。

功能四：LCD接口顯示監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有傳感器及圖像采集識(shí)別信號(hào)統(tǒng)一傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)LCD觸控屏幕顯示，使用者可于冰箱門(mén)上輕松得知內(nèi)部所有物品存量，系統(tǒng)會(huì)依照你所設(shè)定物品的最低需求量不足時(shí)自動(dòng)撥號(hào)告知使用者訂購(gòu)，冰箱也可支持使用者通過(guò)因特網(wǎng)自行訂購(gòu)功能。

功能五：借由電話網(wǎng)絡(luò)控制藍(lán)牙無(wú)線模塊遙控家電

每個(gè)人可能都有外出而忘記關(guān)閉家中電源或煤氣灶等問(wèn)題，此系統(tǒng)可由遠(yuǎn)程手機(jī)、市話、公共電話撥打家中電話且輸入各種功能碼來(lái)達(dá)到控制家電，當(dāng)家電已完成我們預(yù)期想控制的動(dòng)作狀態(tài)后，會(huì)由手機(jī)聽(tīng)筒中聽(tīng)到語(yǔ)音播報(bào)控制結(jié)果，達(dá)到準(zhǔn)確地控制家電，不用擔(dān)心控制錯(cuò)誤以及出遠(yuǎn)門(mén)而忘記關(guān)閉電源或其它設(shè)備而造成危險(xiǎn)。控制系統(tǒng)以藍(lán)牙模塊作為無(wú)線通訊接口，顛覆傳統(tǒng)以低頻RF及紅外線作無(wú)線傳輸功能，完全解決低頻干擾導(dǎo)致控制家電錯(cuò)誤問(wèn)題，并具有自動(dòng)提醒主人訂購(gòu)不足物品，而且使用者電話號(hào)碼可隨時(shí)更新調(diào)整。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

食品之感測(cè)系統(tǒng)

各類型食品感測(cè)機(jī)制可分為雞蛋、大/小瓶飲料、魚(yú)類、肉類，對(duì)于雞蛋感測(cè)設(shè)計(jì)原理選擇遮斷式紅外線發(fā)射接收器，其電路設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示，圖3中內(nèi)部?jī)膳艌A圈為發(fā)射器，外部圓圈為接收器，兩排發(fā)射器位置需以背對(duì)背方式設(shè)置，避免產(chǎn)生鄰近接收器誤判導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤。

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　小瓶飲料設(shè)計(jì)原理選擇以微動(dòng)開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)，因小瓶飲料容量均低于700ml以下，以人類常態(tài)飲用狀況判定大部分都會(huì)一次喝完，所以判斷模式為“有”及“ 無(wú)”兩種，本系統(tǒng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于使用者若將喝完的飲料空瓶放入飲料格中，也不會(huì)影響系統(tǒng)判斷模糊，依然判定為沒(méi)有飲品存在。



大瓶飲料及魚(yú)肉存量感測(cè)利用Load cell重力原理設(shè)計(jì)，圖4為L(zhǎng)oad cell傳感器實(shí)體圖，圖5為實(shí)置大瓶飲料實(shí)體圖，此設(shè)計(jì)可將重量轉(zhuǎn)換為容量百分比，將此容量百分比以圖標(biāo)比例顯示于LCD觸控屏幕，可讓使用者清楚知道大瓶飲料所剩容量。



CCD圖像識(shí)別系統(tǒng)

由于冰箱內(nèi)放置的蔬果通常都不是單一品種，本系統(tǒng)于圖像識(shí)別時(shí)必須做圖像切割，作對(duì)象單一比對(duì)，因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)CCD采集出來(lái)的圖像背景圖都是一致不變，所以通過(guò)邊緣強(qiáng)化即可找到圖像內(nèi)的對(duì)象，并將分析的對(duì)象切割出來(lái)使其單一化，以及對(duì)每個(gè)對(duì)象取顏色特征，再與先前所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)做比對(duì)。



　因?yàn)橥环N水果的顏色都有些許差異，再加上冰箱內(nèi)的各個(gè)位置光源干擾不均勻，這將會(huì)造成計(jì)算顏色特征的影響，所以我們限定只要在允許誤差范圍內(nèi)都屬于同一類對(duì)象，這樣即可知道圖像內(nèi)各對(duì)象所代表的水果。

在建立單一對(duì)象顏色特征數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，由于我們攝影機(jī)的架設(shè)是固定式，所以在冰箱內(nèi)拍攝到的背景都是一致的。當(dāng)我們?cè)诒鋬?nèi)放置一個(gè)對(duì)象時(shí)，只要把這張圖像與空冰箱的圖像做簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)比對(duì)，如圖6所示并對(duì)這物品作圖像分析，并切割對(duì)象取顏色特征，再將特征值輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，即可完成單一物品顏色特征數(shù)據(jù)庫(kù)，供往后的圖像做識(shí)別。各類型水果顏色均設(shè)置有各自特征值。



語(yǔ)音詢問(wèn)播報(bào)系統(tǒng)

由于目前全球氣候變暖嚴(yán)重，所以必須改善能源使用效率，節(jié)省冰箱門(mén)打開(kāi)時(shí)造成冰箱內(nèi)冷空氣外流導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動(dòng)消耗大量能源，此系統(tǒng)具備冰箱門(mén)開(kāi)關(guān)語(yǔ)音播報(bào)提示，避免不必要的能源消耗。語(yǔ)音芯片選用：凌陽(yáng)SPCE061A芯片作為語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)音播報(bào)數(shù)字信號(hào)處理。

冰箱門(mén)開(kāi)關(guān)提示：此開(kāi)關(guān)硬件設(shè)計(jì)選用磁簧開(kāi)關(guān)作冰箱門(mén)開(kāi)關(guān)感測(cè)，冰箱門(mén)于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)冰箱門(mén)目前狀態(tài)，等待使用者將冰箱門(mén)打開(kāi)，假如使用者在10秒內(nèi)未關(guān)閉冰箱門(mén)，系統(tǒng)自動(dòng)播放語(yǔ)音 “冰箱未關(guān)好，請(qǐng)關(guān)閉冰箱”，直至確認(rèn)冰箱門(mén)完全關(guān)閉。

電話網(wǎng)絡(luò)控制藍(lán)牙無(wú)線模塊遙控家電

任何一部手機(jī)都可直接撥打家中電話號(hào)碼控制家電，如表1所示為家電控制代碼，“#”為進(jìn)入電話控制系統(tǒng)，“*”為離開(kāi)系統(tǒng)，其余為控制代碼。



通過(guò)電話網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)告知使用者訂購(gòu)食品

當(dāng)LPC2478嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到冰箱內(nèi)部食品存量不足時(shí)，電話網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)撥打流程圖，系統(tǒng)會(huì)依照協(xié)議設(shè)定的代碼以藍(lán)牙無(wú)線傳輸方式連結(jié)電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并由電話系統(tǒng)自動(dòng)撥打使用者預(yù)設(shè)電話號(hào)碼，并以語(yǔ)音方式告知使用者何種食品存量不足，請(qǐng)使用者自行決定采購(gòu)，圖7為家電控制信息顯示。