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3C智能家电控制系统-例如冰箱
Chun-Liang Hsu a,*, Sheng-Yuan Yang b, Wei-bin Wua
a Department of Electrical Engineering, Saint Johnrsquo;s University, 499, Sec. 4, Tamking Rd., Tamshui, Taipei, Taiwan, ROC
b Department of Computer and Communication Engineering, Saint Johnrsquo;s University, 499, Sec. 4, Tamking Rd., Tamshui, Taipei, Taiwan, ROC
摘要：
这项研究是一个创造性的和最初的工作集中在设计一个智能化的自动检测家电与生活空间的巧妙互动语音人类传感器系统。自从自动化浪潮席卷了工业、制造业甚至是我们的生活，导致了计算机技术的高度快速发展例如办公自动化、家居自动化、生产自动化等。虽然在过去十年中，自动化蔓延整个制造业，但是在家电方面并没有太多的发展。在本文中，我们将大部分的时间花在家电自动化这一新的领域。在我们生活中有如此多的家电，如何让它们智能的工作以便更加安全，舒适的为我们提供服务对我们来说是一项挑战。在这项研究中，一些技术和技能，特别是相关的3C（计算机、通信、内容）的开发，使我们的家电更加智能化例如无线电远程控制、研究人员发明的传感器，自动拨号系统，以及用CCD获取图像并分析图像。通过各个子系统的功能使家电的主要功能智能工作，因此我们选用一台冰箱作为家庭设备的中心，冰箱可以感觉到食品、饮料的不足，甚至不规则形状的水果通过所设计的传感器和CCD图像分析系统，它还可以打电话给供货商告知有哪些被检测到不足的食物饮料。除了检测的功能，冰箱还可以通过无线网络或无线遥控系统给其他电器分配工作，例如我们出门以后忘关家里的煤气，我们可以打电话给冰箱，通过设置在冰箱和烤箱中的远程控制模块发出控制指令关掉火。这样的设计可以保证我们的生活方便。
引言
自动化已遍及很多领域，如制造业、办公室、商业和建筑业。但是它并没有在我们待的时间最多的家中普及。因此，我们尝试利用我们的自动化知识，结合互联网，使家电成为智能中心，不仅可以发挥其原有的作用，也可以通过无线控制其他家电。因为冰箱是家庭主妇最频繁使用的家电，因此我们想设计一个可以智能检测材料的数量，如牛奶瓶，饮料，汽水瓶，鸡蛋，面包，水果，或不规则形状的食物，如蔬菜，肉类的冰箱。如果其中的材料比我们设定的要少，冰箱就可以通过网络或者打电话给供应商要求运送我们需要的材料。这个机制可以为忙碌的现代人创造更为方便和舒适的生活。除了冰箱原有的功能，我们创造了它的智能功能，以控制家中的其他电器。这个功能使得冰箱不再是一个电器，而且是一个控制中心，它将在得到远离家的你通过网络或自动电话拨号系统发出的指令信号后对其他家电进行控制。例如，我们都曾今有过远离家后才发现家中的煤气炉忘记关掉这种无助，难过的经历。如果我们有这样一个智能冰箱控制系统的话，通过网络或拨打电话我们就可以很轻松的远程关掉煤气炉以防止可怕的火灾的发生。
前人的研究成果及研究目的
如今信息技术的集成和发展都很迅速，从传统技术到新产品，如PDA、智能手机、家电、结合高科技计算机的PMP、多媒体和先进的信息技术。这篇文章主要探索了高科技产品的整合以及加强，使这些产品比起使用传统技术的产品能提供更多的服务。通过创新和信息技术的革命以及跨网转移，这些产品不仅增加了网络和数字的应用，而且扩大了消费者的行为和市场竞争的潜力。
在图像识别领域中，识别精度是众多研究中最重要的问题之一。该文献根据图像的颜色、线条、形状等内容，提出了图像识别的基本原则。首先，图像识别系统将所有原始对象扫描到图像数据库中，然后通过与图像数据库的对比，识别出某一对象的图像矢量和特征，以区分对象是什么。
至于语音识别，目前为止识别率还达不到100%。 文章（SU,2009)提出如何使用微处理器SPECE061A来识别某种特定语言，发展一种机制，若识别率降低，微处理器就会在最短的时间对数据库进行重组来保持识别率一直处于95%以上。由于蓝牙跳频频率可避免扰民，并且它的传输距离已提高到室外空间的最远超过80米，室内空间最远超过30米，在这项研究中的传输控制数据用蓝牙模块突破传统射频无线接口。这项研究被用于智能家居中使所有家电可被特定的设备来控制。
系统功能要求和设计步骤
我们想要设计一个智能控制系统，在这里拿冰箱作为控制中心，我们期待冰箱有以下功能：
（1）自动识别冰箱里规则物品的数量，如瓶子、罐头、水果和鸡蛋或者不规则物品如蔬菜、肉类和鱼类。该自动识别系统包含许多传感器可以其中物品的品质和数量。例如，我们使用光耦合晶体管来识别瓶装物品，压力传感器来感知肉或鱼类的数量，封闭式桶压原理来感知熟料瓶中如苏打水和牛奶的多少，CCD图像获取（苏2009）检测水果这类不规则物品。
（2）如果物品比我们期待的要少，电脑会发出材料短缺信号然后自动拨号系统会打电话给供货商运送我们需要的材料。因此，我们需要设计基于PC端的自动拨号系统以便我们需要的材料缺少之后要求供货商给我运送材料。
（3）因为冰箱是智能化设施，它可以通过无线远程控制系统发出指令控制其他电器，在这项研究中使用单芯片微处理器89C51结合家电智能识别。 用户可以很轻松的通过按钮来控制家电的开或关，不管你是在家中还是离家很远。这个设备由模块A和模块B组成的系统控制工作，前者负责从键盘上的控制模块板上的拨号解码，或者在户外用手机键盘拨号的解码，然后模块A会发送控制某些电器开关的指令代码给B模块，B模块通过高频微波接受代码。这意味着无线远程控制系统由模块A和B构成。
（4）这个设备已被证明在工业生产中可高效稳定的大规模生产产品。所以我们需要一个远程控制系统由A,B两个模块组成，A模块接受用户通过电话发出的指令；B模块接受A模块发出的控制指令后去控制其他电器的开关。在这种情况下，我们举了煤气炉的例子，作为被控制电器接受控制器电冰箱的控制信号指令。当我们远离家出去度假时忘记关掉煤气炉并且突然记起来，我们就不用担心这种情况，因为我们只需要打一通电话给在冰箱里的模块A一个控制指令，通过模块B去关掉煤气炉。
系统结构的初始思想
4.1自动检测系统
所有的传感器装在冰箱里，检测信号发送给微处理器，冰箱里物品的状态和条件将通过设计好的程序来判断，将状态信息编码在冰箱盖上的语音系统和平板电脑上显示，给管家提供冰箱里物品的现状并语音提示以表达冰箱里的信息甚至不用打开冰箱就可以知道。这意味着管家不需要打开冰箱就可以准确地知道它的状况，这一结果可以得到节能效果
4.2CCD图像识别系统
当在冰箱中放入水果或蔬菜是，CCD图像采集和识别系统会分辨出放入了水果或蔬菜的种类和数量。当管家打开冰箱，识别结果会显示在平板上，因此管家可以知道冰箱中还剩下什么蔬菜或水果，还知道有多少。如果我们提前设定了水果剩余的最小值，当剩余量少于这个值，系统不仅会将视觉基本语言设计的图形界面系统展示水果的图像，还会拨打供应商的电话订购我们需要的水果或蔬菜。
4.3语音广播与控制系统
管家可以直接通过语音控制系统询问冰箱剩余的物品或食物，冰箱会用提前录好的人声回答。此外，这个冰箱还有一个特殊的功能，检测门是否关紧的功能，如果没有警报系统会提醒管家门没有关紧防止冷空气泄出。
4.4通过电话远程控制家电或通过蓝牙在家中控制
假设我们出门在外忘记关掉煤气炉或者空调，我们如何解决这个糟糕的问题？别担心！我们只需要用街头电话，手机，甚至PDA打电话回家就可以发出指令开关所有事先设置过自动开关的设备。电话解码系统设置在家中的电话中，电话中的微处理器可通过蓝牙模块发出控制信号给家中我们想要关掉的设备，因为蓝牙模块发出的是高达2.4GHZ的射频信号，不会干扰其他电器的正常运作，也不会像传统射频方法会对人体造成危害。
按上述要求的系统功能进行设计，其功能和结果如图1所示。电冰箱的功能包括了自动检测系统、CCD图像分析系统、语音识别和广播系统、地理信息监控系统、基于电话的家用电器远程控制系统和蓝牙模块。各个系统的详细内容将在下一章节进行介绍（如图2所示）
所有功能的详细介绍
如图3所示，通过CCD摄像头采集物品的图像信息，该图像信息会被送到设置在冰箱中的电脑去识别它是什么种类和它的品质。无论用户什么时候打开冰箱，图像会被重新检测一次与前一次进行对比，分辨出冰箱少了或多了什么。
语音控制系统：图4展示了语音控制系统的硬件模块构成。输入语音信号后，SPCE061A微处理器会分辨出语音并给出合适的控制响应，同时广播反应冰箱的响应状态，如果从电话系统收到了命令，它就会语音告诉主人已完成对其他家电的控制响应。所有的响应行动都将通过蓝牙送回到电脑，并在用设计好的信号在GIS屏幕上显示出来。
5.1食品的检测与传感机制的设计
冰箱中食品的检测和传感机制主要目的是检测食品的数量和品质，所有的物品或食物可以分为五大类，分别为鸡蛋、水果、各种尺寸的蔬菜、肉和鱼。在图5中，设计鸡蛋数量的检测，大瓶饮料和肉通过各自的传感器检测，鸡蛋数量检测设计的是通过红外耦合的晶体管，实际设计电路如图6.该电路通过判断输出信号的电压电平来检测发射端和接收端之间是否存在一个蛋。如图7，蓝色圆圈代表红外线发射器，红色圆圈代表接收器。输出信号被送到微处理器SPCE061A中，判断冰箱中剩余鸡蛋的数量。对小规模的饮料机构，其容量小于700CC的饮料通常用限位开关检测，因为这种小容量的饮料很容易喝完，限位开关可设计在阈值测量的信号发送到SPCE061A 判断饮料是否存在，这意味着检测机构能准确的判断饮料不存在甚至是饮料喝完了但是瓶在原来的地方。
大尺寸大玻璃瓶、肉或鱼饮料的检测机制，在图8中设计了称重传感器。这个负载电池可以感受到应力的变化当有东西放在上面时。图9展示了负载电池是由P-N材料制成，当其左边有力的作用时，负载会改变，导致两边电压V0的改变。通常来说，输出信号很微弱甚至没有，所以它需要设计放大电路，以获得线性和有价值的参考参数。从负载电池收到参数后，SPCE061A可以将这些参数转换成相应的二进制代码显示肉的重量，鱼以及大容量饮料饮料的容量百分比。图10给出了SPCE061A的转换程序。图11是实际设计电路。
5.2通过电话网远程控制家电与蓝牙模块电路
我们可以用任何型号的电话包括城市电话、手机或PDA拨打家中电话，取得联系后，我们可以通过表格1中特定的代码控制家中任意设备。
所有冰箱里的物品包括水果、蔬菜、鸡蛋、罐装饮料、大瓶饮料、肉类和鱼都可以设置最低品质或最少数量作为自动预定物品的盈余，不是通过电话控制系统而是图12中展示的自动拨号系统。
基于电话网的家用电器远程控制系统设计成CM8870作为DTMF解码芯片，当用户在户外拨打电话时该芯片对信号进行分析解码。在这个系统中，当连接时脉冲变压器的初级线圈st-71作为模拟负载代替电话实际负荷。如果手机处于待机状态，两端电压在46V到DC 50V之间，但是当有人打电话进来，电压会变成交流正弦波信号，如果家中的某人拿起电话，两端电压会变成直流5V，如果户外用户按下手机上任何的按键，手机就会产生一系列双音多频信号。当家中用户接了电话，这意味着连线成功，手机负载大约300欧姆，这就是为什么我们用初级线圈负载去代替手机中负载，当我们打电话回家但是没人在家接起电话，然而你我们还是希望可以远程控制家中的设备或电器。表2是由DTMF信号构成的手机按键的代码。图13表明DTMF解码电路和自动拨号系统电路。基于电话网络的家电远程控制系统可以分成两种情况，户内和户外，在这个系统中我们采用蓝牙作为无线传输可以快速、准确的传输。
图14表示中央处理器89C51结合了蓝牙，芯片74LS244被设计为语音录制和语音编码及其引脚连接到 89C51的P2。蓝牙传输及接受数据通过TXD和RXD脚，连接89C51和LED的目的是表明89C51和BT之间连接或脱机状态。
主蓝牙控制程序的流程图如图15，其中当用户在操作界面按下按钮，系统会将按钮信号通过匹配的无线网发送给代码接收器。属蓝牙控制程序流程图如图16.。如果从属模块的ATN引脚电压电平为低，这意味着从主模块接受的数据是控制代码，属模块会从输出引脚驱动某些引脚输出一系列的控制代码。
图17显示出接收端的电路块由SPCE061A，蓝牙模块LINKMATIK组成，实际工作图如图18所示。
5.3各种水果的检测机制
我们可以轻松的辨别出正常形状的物品如瓶子等，但是如何识别不规则或不同形状的东西例如各种水果成为了一个难题。因此，我们使用CCD来采集不规则东西的图像，转化成特定的数据与我们事前建立的数据库对比，然后通过表3中颜色，特点，重量辨别出它们是什么。分析程序显示在图19和20中。当构建好某些特定
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