聲控3C智能型電冰箱技術(shù)
[導(dǎo)讀]聲控3C智能型電冰箱技術(shù)
本產(chǎn)品即應(yīng)用恩智浦公司所開發(fā)LPC2478嵌入式系統(tǒng)作為核心，應(yīng)用在信息家電自動化控制的研發(fā)上。信息家電自動化的風(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”，此冰箱可自動監(jiān)測內(nèi)部各類型食品，使用者可通過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，無線傳感網(wǎng)絡(luò))系列之藍(lán)牙，作為無線數(shù)據(jù)傳輸接口，此無線接口可結(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)語音播報(bào)、識別功能，達(dá)到與家電互動效果。
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)合語音、藍(lán)牙無線傳輸、各類型感測機(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)牙作為無線智能型家電控制的模塊化系統(tǒng)。
(4) 研制以SPCE061A語音芯片結(jié)合各類型傳感器的語音播報(bào)系統(tǒng)。
(5) 研制LPC2478嵌入式圖像識別系統(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)，可通過聲控詢問及視覺觀看LCD觸控面板目前顯示狀態(tài)。以聲控方式詢問時(shí)，系統(tǒng)會自動以語音播報(bào)方式告知使用者食品存量，以視覺方式查詢時(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)，語音會播報(bào)為存量不足，且立即通過藍(lán)牙主控端傳送相對應(yīng)食品采購代碼，借由電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)撥打使用者預(yù)設(shè)電話號碼至使用者，使用者接通電話時(shí)可于話筒內(nèi)部聽到語音播放食品存量不足，提醒使用者訂購。
圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖，系統(tǒng)架構(gòu)可分為架設(shè)于冰箱門上的LPC2478嵌入式系統(tǒng)、藍(lán)牙無線傳輸主控端及語音識別系統(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，也可于戶外通過一般市話、手機(jī)撥打家中電話號碼，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：食品自動感測系統(tǒng)
通過各類型傳感器裝設(shè)于智能型電冰箱內(nèi)部，其感測食品(雞蛋、大/小瓶飲料、魚類、肉類)由SPCE061A芯片監(jiān)測食品存量狀態(tài)，將目前狀態(tài)信號傳送至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，讓使用者不必開啟冰箱門也可得知內(nèi)部食品信息，減少冰箱壓縮機(jī)起動次數(shù)，達(dá)到節(jié)能效果。
功能二：CCD圖像識別系統(tǒng)
蔬果放入冰箱時(shí)借由圖像采集及圖像識別等多媒體技術(shù)，使LPC2478嵌入式系統(tǒng)能自動判斷冰箱內(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快速圖像采集識別，將識別信號傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)經(jīng)軟件處理后，于LCD觸控屏幕顯示識別后的圖像，作為蔬果識別的圖像數(shù)據(jù)依據(jù)，讓使用者不必開啟冰箱門也可得知內(nèi)部蔬果信息。
功能三：語音聲控播報(bào)系統(tǒng)
通過人類以聲控方式直接下達(dá)命令詢問冰箱物品存量，冰箱以語音自動播報(bào)方式回答使用者物品目前存量，達(dá)到與冰箱做自然語言的溝通，除此之外也為冰箱門設(shè)計(jì)自動感測系統(tǒng)，只要冰箱門打開或關(guān)閉時(shí)都會有語音播報(bào)冰箱門狀態(tài)。當(dāng)主人忘關(guān)冰箱門時(shí)，通過語音提示讓主人及時(shí)關(guān)門，防止能源無端耗損。
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別信號統(tǒng)一傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)LCD觸控屏幕顯示，使用者可于冰箱門上輕松得知內(nèi)部所有物品存量，系統(tǒng)會依照你所設(shè)定物品的最低需求量不足時(shí)自動撥號告知使用者訂購，冰箱也可支持使用者通過因特網(wǎng)自行訂購功能。
功能五：借由電話網(wǎng)絡(luò)控制藍(lán)牙無線模塊遙控家電
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達(dá)到控制家電，當(dāng)家電已完成我們預(yù)期想控制的動作狀態(tài)后，會由手機(jī)聽筒中聽到語音播報(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)門而忘記關(guān)閉電源或其它設(shè)備而造成危險(xiǎn)?？刂葡到y(tǒng)以藍(lán)牙模塊作為無線通訊接口，顛覆傳統(tǒng)以低頻RF及紅外線作無線傳輸功能，完全解決低頻干擾導(dǎo)致控制家電錯(cuò)誤問題，并具有自動提醒主人訂購不足物品，而且使用者電話號碼可隨時(shí)更新調(diào)整。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
食品之感測系統(tǒng)
各類型食品感測機(jī)制可分為雞蛋、大/小瓶飲料、魚類、肉類，對于雞蛋感測設(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)部兩排圓圈為發(fā)射器，外部圓圈為接收器，兩排發(fā)射器位置需以背對背方式設(shè)置，避免產(chǎn)生鄰近接收器誤判導(dǎo)致信號錯(cuò)誤。
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小瓶飲料設(shè)計(jì)原理選擇以微動開關(guān)監(jiān)測，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一次喝完，所以判斷模式為“有”及“ 無”兩種，本系統(tǒng)微動開關(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，也不會影響系統(tǒng)判斷模糊，依然判定為沒有飲品存在。
大瓶飲料及魚肉存量感測利用Load cell重力原理設(shè)計(jì)，圖4為Load 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)于圖像識別時(shí)必須做圖像切割，作對象單一比對，因?yàn)槲覀兺ㄟ^CCD采集出來的圖像背景圖都是一致不變，所以通過邊緣強(qiáng)化即可找到圖像內(nèi)的對象，并將分析的對象切割出來使其單一化，以及對每個(gè)對象取顏色特征，再與先前所建立的數(shù)據(jù)庫做比對。
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)都屬于同一類對象，這樣即可知道圖像內(nèi)各對象所代表的水果。
在建立單一對象顏色特征數(shù)據(jù)庫時(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)我們在冰箱內(nèi)放置一個(gè)對象時(shí)，只要把這張圖像與空冰箱的圖像做簡單的對應(yīng)比對，如圖6所示并對這物品作圖像分析，并切割對象取顏色特征，再將特征值輸入數(shù)據(jù)庫，即可完成單一物品顏色特征數(shù)據(jù)庫，供往后的圖像做識別。各類型水果顏色均設(shè)置有各自特征值。
語音詢問播報(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)省冰箱門打開時(shí)造成冰箱內(nèi)冷空氣外流導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動消耗大量能源，此系統(tǒng)具備冰箱門開關(guān)語音播報(bào)提示，避免不必要的能源消耗。語音芯片選用：凌陽SPCE061A芯片作為語音識別及語音播報(bào)數(shù)字信號處理。
冰箱門開關(guān)提示：此開關(guān)硬件設(shè)計(jì)選用磁簧開關(guān)作冰箱門開關(guān)感測，冰箱門于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)會自動監(jiān)測冰箱門目前狀態(tài)，等待使用者將冰箱門打開，假如使用者在10秒內(nèi)未關(guān)閉冰箱門，系統(tǒng)自動播放語音 “冰箱未關(guān)好，請關(guān)閉冰箱”，直至確認(rèn)冰箱門完全關(guān)閉。
電話網(wǎng)絡(luò)控制藍(lán)牙無線模塊遙控家電
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)，“*”為離開系統(tǒng)，其余為控制代碼。
通過電話網(wǎng)絡(luò)自動告知使用者訂購食品
當(dāng)LPC2478嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測到冰箱內(nèi)部食品存量不足時(shí)，電話網(wǎng)絡(luò)自動撥打流程圖，系統(tǒng)會依照協(xié)議設(shè)定的代碼以藍(lán)牙無線傳輸方式連結(jié)電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并由電話系統(tǒng)自動撥打使用者預(yù)設(shè)電話號碼，并以語音方式告知使用者何種食品存量不足，請使用者自行決定采購，圖7為家電控制信息顯示。
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”，此冰箱可自動監(jiān)測內(nèi)部各類型食品，使用者可通過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，無線傳感網(wǎng)絡(luò))系列之藍(lán)牙，作為無線數(shù)據(jù)傳輸接口，此無線接口可結(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)語音播報(bào)、識別功能，達(dá)到與家電互動效果。
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)合語音、藍(lán)牙無線傳輸、各類型感測機(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)牙作為無線智能型家電控制的模塊化系統(tǒng)。
(4) 研制以SPCE061A語音芯片結(jié)合各類型傳感器的語音播報(bào)系統(tǒng)。
(5) 研制LPC2478嵌入式圖像識別系統(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)，可通過聲控詢問及視覺觀看LCD觸控面板目前顯示狀態(tài)。以聲控方式詢問時(shí)，系統(tǒng)會自動以語音播報(bào)方式告知使用者食品存量，以視覺方式查詢時(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)，語音會播報(bào)為存量不足，且立即通過藍(lán)牙主控端傳送相對應(yīng)食品采購代碼，借由電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)撥打使用者預(yù)設(shè)電話號碼至使用者，使用者接通電話時(shí)可于話筒內(nèi)部聽到語音播放食品存量不足，提醒使用者訂購。
圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖，系統(tǒng)架構(gòu)可分為架設(shè)于冰箱門上的LPC2478嵌入式系統(tǒng)、藍(lán)牙無線傳輸主控端及語音識別系統(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，也可于戶外通過一般市話、手機(jī)撥打家中電話號碼，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：食品自動感測系統(tǒng)
通過各類型傳感器裝設(shè)于智能型電冰箱內(nèi)部，其感測食品(雞蛋、大/小瓶飲料、魚類、肉類)由SPCE061A芯片監(jiān)測食品存量狀態(tài)，將目前狀態(tài)信號傳送至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，讓使用者不必開啟冰箱門也可得知內(nèi)部食品信息，減少冰箱壓縮機(jī)起動次數(shù)，達(dá)到節(jié)能效果。
功能二：CCD圖像識別系統(tǒng)
蔬果放入冰箱時(shí)借由圖像采集及圖像識別等多媒體技術(shù)，使LPC2478嵌入式系統(tǒng)能自動判斷冰箱內(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快速圖像采集識別，將識別信號傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)經(jīng)軟件處理后，于LCD觸控屏幕顯示識別后的圖像，作為蔬果識別的圖像數(shù)據(jù)依據(jù)，讓使用者不必開啟冰箱門也可得知內(nèi)部蔬果信息。
功能三：語音聲控播報(bào)系統(tǒng)
通過人類以聲控方式直接下達(dá)命令詢問冰箱物品存量，冰箱以語音自動播報(bào)方式回答使用者物品目前存量，達(dá)到與冰箱做自然語言的溝通，除此之外也為冰箱門設(shè)計(jì)自動感測系統(tǒng)，只要冰箱門打開或關(guān)閉時(shí)都會有語音播報(bào)冰箱門狀態(tài)。當(dāng)主人忘關(guān)冰箱門時(shí)，通過語音提示讓主人及時(shí)關(guān)門，防止能源無端耗損。
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別信號統(tǒng)一傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)LCD觸控屏幕顯示，使用者可于冰箱門上輕松得知內(nèi)部所有物品存量，系統(tǒng)會依照你所設(shè)定物品的最低需求量不足時(shí)自動撥號告知使用者訂購，冰箱也可支持使用者通過因特網(wǎng)自行訂購功能。
功能五：借由電話網(wǎng)絡(luò)控制藍(lán)牙無線模塊遙控家電
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達(dá)到控制家電，當(dāng)家電已完成我們預(yù)期想控制的動作狀態(tài)后，會由手機(jī)聽筒中聽到語音播報(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)門而忘記關(guān)閉電源或其它設(shè)備而造成危險(xiǎn)?？刂葡到y(tǒng)以藍(lán)牙模塊作為無線通訊接口，顛覆傳統(tǒng)以低頻RF及紅外線作無線傳輸功能，完全解決低頻干擾導(dǎo)致控制家電錯(cuò)誤問題，并具有自動提醒主人訂購不足物品，而且使用者電話號碼可隨時(shí)更新調(diào)整。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
食品之感測系統(tǒng)
各類型食品感測機(jī)制可分為雞蛋、大/小瓶飲料、魚類、肉類，對于雞蛋感測設(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)部兩排圓圈為發(fā)射器，外部圓圈為接收器，兩排發(fā)射器位置需以背對背方式設(shè)置，避免產(chǎn)生鄰近接收器誤判導(dǎo)致信號錯(cuò)誤。
[!--empirenews.page--]
小瓶飲料設(shè)計(jì)原理選擇以微動開關(guān)監(jiān)測，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一次喝完，所以判斷模式為“有”及“ 無”兩種，本系統(tǒng)微動開關(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，也不會影響系統(tǒng)判斷模糊，依然判定為沒有飲品存在。
大瓶飲料及魚肉存量感測利用Load cell重力原理設(shè)計(jì)，圖4為Load 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)于圖像識別時(shí)必須做圖像切割，作對象單一比對，因?yàn)槲覀兺ㄟ^CCD采集出來的圖像背景圖都是一致不變，所以通過邊緣強(qiáng)化即可找到圖像內(nèi)的對象，并將分析的對象切割出來使其單一化，以及對每個(gè)對象取顏色特征，再與先前所建立的數(shù)據(jù)庫做比對。
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)都屬于同一類對象，這樣即可知道圖像內(nèi)各對象所代表的水果。
在建立單一對象顏色特征數(shù)據(jù)庫時(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)我們在冰箱內(nèi)放置一個(gè)對象時(shí)，只要把這張圖像與空冰箱的圖像做簡單的對應(yīng)比對，如圖6所示并對這物品作圖像分析，并切割對象取顏色特征，再將特征值輸入數(shù)據(jù)庫，即可完成單一物品顏色特征數(shù)據(jù)庫，供往后的圖像做識別。各類型水果顏色均設(shè)置有各自特征值。
語音詢問播報(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)省冰箱門打開時(shí)造成冰箱內(nèi)冷空氣外流導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動消耗大量能源，此系統(tǒng)具備冰箱門開關(guān)語音播報(bào)提示，避免不必要的能源消耗。語音芯片選用：凌陽SPCE061A芯片作為語音識別及語音播報(bào)數(shù)字信號處理。
冰箱門開關(guān)提示：此開關(guān)硬件設(shè)計(jì)選用磁簧開關(guān)作冰箱門開關(guān)感測，冰箱門于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)會自動監(jiān)測冰箱門目前狀態(tài)，等待使用者將冰箱門打開，假如使用者在10秒內(nèi)未關(guān)閉冰箱門，系統(tǒng)自動播放語音 “冰箱未關(guān)好，請關(guān)閉冰箱”，直至確認(rèn)冰箱門完全關(guān)閉。
電話網(wǎng)絡(luò)控制藍(lán)牙無線模塊遙控家電
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)，“*”為離開系統(tǒng)，其余為控制代碼。
通過電話網(wǎng)絡(luò)自動告知使用者訂購食品
當(dāng)LPC2478嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測到冰箱內(nèi)部食品存量不足時(shí)，電話網(wǎng)絡(luò)自動撥打流程圖，系統(tǒng)會依照協(xié)議設(shè)定的代碼以藍(lán)牙無線傳輸方式連結(jié)電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并由電話系統(tǒng)自動撥打使用者預(yù)設(shè)電話號碼，并以語音方式告知使用者何種食品存量不足，請使用者自行決定采購，圖7為家電控制信息顯示。
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