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何思婷

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为什么要设计全功能声控3C智能型电冰箱？

信息家电自动化的风潮吹袭着各个生产制造领域，家庭是人类生活的重要空间，如何将家庭中的设施、电器结合自动化的设计观念，让我们的生活更方便、快捷，成为嵌入式微电脑应用方面的另一种思维。本产品即应用恩智浦公司所开发LPC2478嵌入式系统作为核心，应用在信息家电自动化控制的研发上。

由于现代信息科技的进步，因此，我们本次研发信息家电产品为“全功能声控3C智能型电冰箱”，此冰箱可自动监测内部各类型食品，使用者可通过LPC2478嵌入式系统监控目前冰箱食品的存量，并且借由Wireless Sensor Network (WSN，无线传感网络)系列之蓝牙，作为无线数据传输接口，此无线接口可结合由本团队设计的电话网络系统、智能型厨房家电系统，并且应用SPCE061A芯片结合LPC2478嵌入式系统实现语音播报、识别功能。可是这样设计，有什么目的呢？


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戚歆敦

2019-7-31 17:41:57
产品设计目的

(1) 研制符合现代生活与科技发展的多功能智能型电冰箱，以LPC2478嵌入式系统为核心，结合语音、蓝牙无线传输、各类型感测机制。

(2) 研制以LPC2478嵌入式设计整合型智能冰箱图控人机接口系统。

(3) 研制以蓝牙作为无线智能型家电控制的模块化系统。

(4) 研制以SPCE061A语音芯片结合各类型传感器的语音播报系统。

(5) 研制LPC2478嵌入式图像识别系统。

系统架构

本系统在使用者欲查询冰箱内部食品存量时，可通过声控询问及视觉观看LCD触控面板目前显示状态。以声控方式询问时，系统会自动以语音播报方式告知使用者食品存量，以视觉方式查询时，可完全一次了解目前冰箱内部所有食品存量及家电控制状态，并可以触控方式操控智能型家电控制，当食品存量单位为预设最低单位“一”时，语音会播报为存量不足，且立即通过蓝牙主控端传送相对应食品采购代码，借由电话网络系统拨打使用者预设电话号码至使用者，使用者接通电话时可于话筒内部听到语音播放食品存量不足，提醒使用者订购。

图1为系统架构图，系统架构可分为架设于冰箱门上的LPC2478嵌入式系统、蓝牙无线传输主控端及语音识别系统，电话网络系统架设于一般家庭放置市内电话的客厅位置，智能型家电受控为改良式自动关火瓦斯炉及厨房电灯，上述家电除以LPC2478嵌入式系统控制之外，也可于户外通过一般市话、手机拨打家中电话号码，即可进入电话控制家电系统进行家电控制。



系统功能

功能一：食品自动感测系统

通过各类型传感器装设于智能型电冰箱内部，其感测食品(鸡蛋、大/小瓶饮料、鱼类、肉类)由SPCE061A芯片监测食品存量状态，将目前状态信号传送至LPC2478嵌入式系统进行整合，并以图标模式显示于LCD触控屏幕，让使用者不必开启冰箱门也可得知内部食品信息，减少冰箱压缩机起动次数，达到节能效果。

功能二：CCD图像识别系统

蔬果放入冰箱时借由图像采集及图像识别等多媒体技术，使LPC2478嵌入式系统能自动判断冰箱内蔬果存量，当使用者将蔬果放置于冷藏柜中后，先将物品经由冰箱内部CCD快速图像采集识别，将识别信号传送至LPC2478嵌入式系统经软件处理后，于LCD触控屏幕显示识别后的图像，作为蔬果识别的图像数据依据，让使用者不必开启冰箱门也可得知内部蔬果信息。

功能三：语音声控播报系统

通过人类以声控方式直接下达命令询问冰箱物品存量，冰箱以语音自动播报方式回答使用者物品目前存量，达到与冰箱做自然语言的沟通，除此之外也为冰箱门设计自动感测系统，只要冰箱门打开或关闭时都会有语音播报冰箱门状态。当主人忘关冰箱门时，通过语音提示让主人及时关门，防止能源无端耗损。

功能四：LCD接口显示监控系统

本系统设计的所有传感器及图像采集识别信号统一传送至LPC2478嵌入式系统LCD触控屏幕显示，使用者可于冰箱门上轻松得知内部所有物品存量，系统会依照你所设定物品的最低需求量不足时自动拨号告知使用者订购，冰箱也可支持使用者通过因特网自行订购功能。

功能五：借由电话网络控制蓝牙无线模块遥控家电

每个人可能都有外出而忘记关闭家中电源或煤气灶等问题，此系统可由远程手机、市话、公共电话拨打家中电话且输入各种功能码来达到控制家电，当家电已完成我们预期想控制的动作状态后，会由手机听筒中听到语音播报控制结果，达到准确地控制家电，不用担心控制错误以及出远门而忘记关闭电源或其它设备而造成危险。控制系统以蓝牙模块作为无线通讯接口，颠覆传统以低频RF及红外线作无线传输功能，完全解决低频干扰导致控制家电错误问题，并具有自动提醒主人订购不足物品，而且使用者电话号码可随时更新调整。

系统硬件设计

食品之感测系统

各类型食品感测机制可分为鸡蛋、大/小瓶饮料、鱼类、肉类，对于鸡蛋感测设计原理选择遮断式红外线发射接收器，其电路设计如图2、图3所示，图3中内部两排圆圈为发射器，外部圆圈为接收器，两排发射器位置需以背对背方式设置，避免产生邻近接收器误判导致信号错误。



　小瓶饮料设计原理选择以微动开关监测，因小瓶饮料容量均低于700ml以下，以人类常态饮用状况判定大部分都会一次喝完，所以判断模式为“有”及“ 无”两种，本系统微动开关设计优点在于使用者若将喝完的饮料空瓶放入饮料格中，也不会影响系统判断模糊，依然判定为没有饮品存在。



大瓶饮料及鱼肉存量感测利用Load cell重力原理设计，图4为Load cell传感器实体图，图5为实置大瓶饮料实体图，此设计可将重量转换为容量百分比，将此容量百分比以图标比例显示于LCD触控屏幕，可让使用者清楚知道大瓶饮料所剩容量。



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乐延槐

2019-7-31 17:42:03
CCD图像识别系统

由于冰箱内放置的蔬果通常都不是单一品种，本系统于图像识别时必须做图像切割，作对象单一比对，因为我们通过CCD采集出来的图像背景图都是一致不变，所以通过边缘强化即可找到图像内的对象，并将分析的对象切割出来使其单一化，以及对每个对象取颜色特征，再与先前所建立的数据库做比对。



　因为同一种水果的颜色都有些许差异，再加上冰箱内的各个位置光源干扰不均匀，这将会造成计算颜色特征的影响，所以我们限定只要在允许误差范围内都属于同一类对象，这样即可知道图像内各对象所代表的水果。

在建立单一对象颜色特征数据库时，由于我们摄影机的架设是固定式，所以在冰箱内拍摄到的背景都是一致的。当我们在冰箱内放置一个对象时，只要把这张图像与空冰箱的图像做简单的对应比对，如图6所示并对这物品作图像分析，并切割对象取颜色特征，再将特征值输入数据库，即可完成单一物品颜色特征数据库，供往后的图像做识别。各类型水果颜色均设置有各自特征值。



语音询问播报系统

由于目前全球气候变暖严重，所以必须改善能源使用效率，节省冰箱门打开时造成冰箱内冷空气外流导致压缩机启动消耗大量能源，此系统具备冰箱门开关语音播报提示，避免不必要的能源消耗。语音芯片选用：凌阳SPCE061A芯片作为语音识别及语音播报数字信号处理。

冰箱门开关提示：此开关硬件设计选用磁簧开关作冰箱门开关感测，冰箱门于关闭状态时会自动监测冰箱门目前状态，等待使用者将冰箱门打开，假如使用者在10秒内未关闭冰箱门，系统自动播放语音 “冰箱未关好，请关闭冰箱”，直至确认冰箱门完全关闭。

电话网络控制蓝牙无线模块遥控家电

任何一部手机都可直接拨打家中电话号码控制家电，如表1所示为家电控制代码，“#”为进入电话控制系统，“*”为离开系统，其余为控制代码。



通过电话网络自动告知使用者订购食品

当LPC2478嵌入式系统监测到冰箱内部食品存量不足时，电话网络自动拨打流程图，系统会依照协议设定的代码以蓝牙无线传输方式连结电话网络系统，并由电话系统自动拨打使用者预设电话号码，并以语音方式告知使用者何种食品存量不足，请使用者自行决定采购，图7为家电控制信息显示。



使用指南：

区块1：鸡蛋信息(由图标可知鸡蛋余量);

区块2：大瓶饮料信息(由图标可知大瓶饮料所剩容量百分比);

区块3：小瓶饮料信息(由图标可知小瓶饮料余量);

区块4：肉品信息(由图标可知冰箱内是否有肉品);

区块5：鱼肉信息(由图标可知冰箱内是否有鱼肉);

区块6：水果图像(借由CCD得知水果在冰箱内信息);

区块7：厨房电灯(由图示可得知厨房灯为开启或者是关闭);

区块8：煤气灶(由图示可得知厨房瓦斯炉为开启或者是关闭);

区块9：列出蔬果种类以及存量。
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