CN107302589A - 智能冰箱收纳系统 - Google Patents

Abstract

智能冰箱收纳系统是独立于冰箱之外，用户只需要在普通冰箱的基础上，添置一套粘有电子标签的食品收纳袋和一套控制硬件，就能够将普通家用冰箱改造成智能冰箱。系统的功能架构如图1所示。分三个部分：硬件部分，包括控制器、RFID读卡器和粘有电子标签的食品收纳袋。可以放置于接近冰箱的位置。当用户存或取食品时，RFID读卡器能够自动感知到冰箱内食品的变化，控制器通过WIFI模块接入互联网，将感知到的卡片uid通知到云服务器，经过服务器的处理后通知给用户；云端服务器部分，采用阿里云ECS主机，利用容器技术搭建高可用的云服务集群，提供云计算和云存储服务；用户界面部分，采用手机App展示系统的内容及相应的用户查询。

Description

智能冰箱收纳系统

【技术领域】

本发明属于智能家用电器领域，具体涉及一种将普通家用冰箱智能化的新方法。

【背景技术】

随着时代的变迁、社会的进步、随着数字技术、计算机网络与通信技术的飞速发展，物联网的概念早已深入人心。智能家居更是近些年来多次被热议的话题，即人们家中任何物件都可以连入互联网，人们可以通过智能移动终端在任何时间任何地点进行控制。

冰箱向来是传统家电行业创新的一大泥潭，冰箱的功能职责非常简单——制冷。现代冰箱除了提升除霜技术、保湿技术、自动控温技术等，在其他方面也没有显著性的突破。

在人们日常生活中，由于工作繁忙，经常在下班之后忘记买做饭所用的食材，即便想起来，也时常会忘记冰箱里还有什么食材，就会出现买了重复的、没买需要的，造成极大的资源浪费和生活困扰，直接影响着每一个人的生活质量。

近些年来，各大家电巨头、智能硬件巨头、甚至互联网行业的巨头都进军智能家居领域，纷纷推出各自的智能家居产品。但是针对万千家庭中已有的普通冰箱，并没有一个很好的改造方案，将普通冰箱加入智能家居的大军之中。本发明就是弥补了这一空白，设计了一个独立于普通冰箱之外的智能收纳系统，通过很低的成本，就能够将现有的普通冰箱智能化。

【发明内容】

本发明的目的是解决现有普通冰箱智能化的问题，提供一种智能冰箱收纳系统，该系统是一个独立于普通冰箱之外的智能系统，可以直接在现有普通冰箱上添加本系统，可以通过低廉的成本，升级改造现有冰箱，加入到智能家居体系中。

从技术上，系统采用RFID作为基础的物联网硬件设备，非接触式的操作给了用户极大的便利。采用嵌入式集成的硬件环境更加的稳定和耐用；从软件设计上，系统采用C-S的前后分离架构，并依据系统的特性对数据存储进行了优化、应用服务器进行拆分和高可用扩展，同时加入了负载均衡为系统提供了强有力的服务。

本发明基于云服务，将用户线下的冰箱利用RFID传感器连入网络，并依据食物上粘贴的电子标签对用户的冰箱进行管理。本系统采用模块化的设计，将不同职能的模块分离，旨在降低耦合性，适应日后的迭代升级。其中，云端服务器部分的用户管理模块、用户家庭管理模块、食物管理模块和冰箱管理模块是系统的核心模块，贯穿了用户使用系统的整个生命周期。

本发明提供的智能冰箱收纳系统主要包括：硬件部分、云端服务器部分和手机APP部分；硬件部分为RFID智能食品感知模块，云端服务器部分为用户管理模块、用户家庭管理模块、冰箱管理模块和食物管理模块；手机APP部分是用户直接操作的客户端。其中，

1)、RFID智能食品感知模块：主要负责管理RFID操作业务，采集食品放入冰箱和取出冰箱的操作和时间，然后通过网络传递给云端服务器，由能够联网的嵌入式控制器和RFID读卡器通过I²C总线连接而成。主要提供以下功能：

读取卡号：在贴有RFID标签的食品收纳袋靠近RFID读卡器时，读出标签的uid，每张卡片的uid都各不相同，可识别出不同的食物。

上传服务器：读取卡号后，嵌入式控制器通过wifi将卡号传送至云端服务器，以处理相应的通知和记录。

上传冰箱序列号(sn)：定时将冰箱sn上传至云端服务器，保证RFID读卡器和冰箱的绑定关系。

2)、用户管理模块：负责用户的基本信息管理，主要提供如下功能：

用户注册：互联网应用一切以用户为根本，只有注册用户才能够进行正常使用；一个简单的用户注册流程可以第一时间吸引用户注册使用。智能冰箱收纳系统的注册只需要简单填写：用户名、密码、电话、邮箱以及生日性别等信息，便可完成注册，简单快捷。

用户信息管理：用户的信息在互联网应用中是一切数据的根源，如何适当、安全的存放用户的信息也是一向困扰各大互联网产品的难题。智能冰箱收纳系统采用基于容器技术的存储方式，使用户的信息易得；并采用md5加密的密码存储方式，让用户的信息更加安全。

用户登录：智能冰箱收纳系统为用户提供安全快捷的、基于用户名密码的登录方式，轻松识别用户身份。

用户注销：智能冰箱收纳系统为用户提供统一的用户注销的接口，为用户的账户隐私和安全提供了双重保障。

3)、用户家庭管理模块：负责用户名下“家庭”的管理，系统为用户提供了多家庭的冰箱管理模式，可以轻松管理家中多个冰箱和多个家庭的冰箱内容，极大的方便了家中有老人的用户尽一份孝心。主要提供如下功能：

添加家庭：用户可以无限制添加自己名下的家庭信息，每个家庭可以绑定多个冰箱。

自定义家庭信息：用户可以随意修改自己家庭的信息，并提供家庭昵称等个性化的功能点。

家庭实时查询功能：用户可以一键搜索自己添加的家庭，方便快捷。

移除家庭：用户可以随时移除自己添加过的家庭信息。

4)、冰箱管理模块：负责用户管理所有绑定至自己账户的冰箱信息，用户可以在冰箱视图里查看自己的冰箱剩余物品，以及食品保质期列表。

5)、食物管理模块：负责用户对自己冰箱里的食物进行高效便捷的管理，并且云端服务器上的数据库为冰箱里每个食物提供了生产历史追踪数据。主要提供以下功能：

食物追踪：云端服务器的数据库记录了每个食物从生产源头直到进入用户冰箱的所有追踪信息，庞大的数据库支持使得食物健康信息透明。

食物新鲜程度排序：用户可以对食物保质期剩余天数进行排序，食物新鲜程度一目了然。

食物类型管理：智能冰箱收纳系统可通过食物不同的类型进行分类管理，例如：水果类、禽蛋类、肉类等。

趣味抽签游戏：智能冰箱收纳系统为用户提供了趣味娱乐化的食物管理方式，在不知道该吃什么食物的时候可以打开这个功能，让系统帮您决定食物的选择问题即今晚吃什么。

食物保质期提醒：在冰箱中的食物快过期时，系统会推送给用户通知，提醒用户尽快食用，以免过期变质。

食物出入冰箱管理：用户在把食物放入/取出冰箱的时候，冰箱会自动感知、记录并推送给绑定该冰箱的用户，让用户实时了解冰箱的动态情况。

6)手机APP部分，负责数据的展示、用户请求的提交。主要提供以下功能：

数据展示：通过APP展示本系统中家庭、冰箱、食品等的信息。

用户请求的提交：用户注册、登录、注销的请求界面，用户对系统的基本操作和查询。

接收系统的推送：当APP所管理的冰箱内容物有变化时，系统会向APP推送更新信息。

本发明的优点和积极效果

本发明系统是一个独立于冰箱之外的智能系统，可以直接在现有普通冰箱上添加本系统，通过低廉的成本，升级改造现有冰箱，加入到智能家居体系中。

整个系统从底层RFID与普通冰箱融合并接入互联网，借助云服务器提供的计算和存储服务，并通过为用户提供的App操作界面，使用户可以通过本系统方便的管理其家庭和冰箱信息。

【附图说明】

图1是智能冰箱收纳系统功能架构图；

图2是组成结构图；

图3是项目结构图；

图4是数据库E-R图。

【具体实施方式】

如图1所示智能冰箱收纳系统，该系统主要包括：硬件部分、云端服务器部分和手机APP部分；硬件部分为RFID智能食品感知模块；云端服务器部分为用户管理模块、用户家庭管理模块、冰箱管理模块和食物管理模块；手机APP部分是用户直接操作的客户端。

1、本系统的核心硬件——RFID智能食品感知模块，采用了RFID无线射频读卡器作为智能感知的基础，当有食品需要放入冰箱或取出冰箱时，RFID无线射频读卡器将贴有RFID卡片的食物袋信息读出，传送至嵌入式控制器，利用嵌入式控制器作为协议转换和传输的中间设备，通过集成在嵌入式控制器上的WIFI模块最终传至云端服务器，云端服务器可通过这些信息对相应用户手机APP推送相应的消息。整体架构如图2所示，系统包含了食品信息的采集、云存储和移动端展示，真正实现了物联网的雏形。

2、云端服务器中数据库的实施，云端服务器部分为用户管理模块、用户家庭管理模块、冰箱管理模块和食物管理模块；智能冰箱收纳系统当中云端服务器部分的数据存储服务都通过数据库来提供，例如用户数据、冰箱信息、用户家庭信息、冰箱食物信息等。智能冰箱收纳系统采用MySQL数据库作为基本数据存储服务。其InnoDB数据库引擎可以轻松处理成千上万条大型的数据。其稳定高性能的ACID特性充分支持了常见的CRUD操作，单机运行效率极高。在高可用方面，MySQL自带的Replication特性可以实现主从备份的特性，可以轻松实现读写分离和高可用集群的横向扩展。

3、应用服务器负责对云端的业务逻辑和数据计算提供支撑，通过分布式集群方式提供高并发性、高吞吐量、高可用的业务服务。云端服务器系统中的业务代码都通过应用服务器运行，随着业务的发展，将对业务做模块化的拆分，适应微服务的架构。本系统应用服务器采用SSM开发，最终形成J2EE标准的war包，用Tomcat容器运行，负责处理用户调用的业务逻辑以及数据库的操作。应用服务器使用Java语言开发，根据J2EE标准，采用目前成熟稳定的开发框架——SSM(Spring+SpringMVC+MyBatis)，并采用了Tomcat作为Web容器中间件。最终打包成J2EE标准的war包，部署在Tomcat容器中。此部分需要大量编码工作，编码实现共分三层：Controller，Service和Dao，分别在不同模块的包下，还有一些用于认证和权限管理的公共类和工具类。项目结构如图3。

具体实现包括8个部分，其中包含一些流程控制技术。

4、负载均衡服务器是整个服务访问的入口，所有用户使用的智能冰箱收纳系统都运行在一个统一的云端服务器上，当用户量比较大时，容易造成网络阻塞，甚至导致云端服务器瘫痪，因此需要使用负载均衡服务器，为整个系统提供强有力的入口安全保障和流量分发的服务，负载均衡服务将来自客户端的访问流量分发至不同的应用服务器节点让其实现负载均衡。本系统采用目前成熟稳定的NginX服务器作为负载均衡实例，部署在阿里云ECS之上，可将网络请求分发至多个节点实现负载均衡。通过对下层Tomcat应用服务器的反向代理实现负载均衡的功能。

5手机APP部分是用户直接操作的客户端，移动客户端通过RESTFul API与服务器通信，将数据拉取展示，将用户的请求提交，协助用户对系统进行操作和查看。用户可通过APP，登录、注销、查看自己的家庭、冰箱、食物等信息，接收系统推送等。

6、客户端作为系统的展示门面，开发上采用了目前成熟稳定的高性能开发框架，基于最新的Android7.1API开发，整体上采用OkHttp作为网络请求的基础，利用Retrofit2.0结合OkHttp实现Restful风格API的接口请求实现，并采用RxJava作为线程切换处理框架，Gson作为Json解析工具框架，GreenDAO作为本地数据库ORM框架，快速实现搭建客户端APP。

7、持续集成方案设计与选型：随着系统复杂性升级、中间件、节点部署增多，每一个新的版本的部署工作将会带来非常大的复杂度。因此，持续集成方案就变得非常重要。近些年容器技术的飞速发展为这个问题带来了完美的解决方案，本系统所有节点全部通过docker进行部署，并结合jenkins进行持续集成。

8、业务数据建模：系统数据建模如图4所示：

tab_user：用户表，记录用户信息

tab_family：家庭表，记录所有家庭信息

rel_user_family：用户与家庭关系表，记录用户与家庭关系，家庭与用户为多对多关系，即一个用户可以在多个家庭，一个家庭里可以有多个用户。

tab_fridge：冰箱表，记录所有绑定过家庭的冰箱，家庭与冰箱为一对多关系，即一个家庭可以绑定多个冰箱，所以冰箱表中有字段family_id作为外键。

tab_food：食物表，记录所有出厂食物的信息，冰箱与食物是一对多关系，即一个冰箱可以放多个食物，所以食物表中有字段fridge_id作为外键。

tab_food_track：食物追踪表，记录食物从出厂到用户冰箱里的所有处理中间流程和流转操作，食物和追踪信息是一对多关系，即一个食物有多条追踪信息，所以追踪信息表中有字段food_id作为外键。

tab_tag：电子标签表，记录所有电子标签的信息。食物与电子标签是一对一关系，所以食物表中有tag_id作为外键。

his_fridge_record：冰箱历史记录表，记录从冰箱中拿出/放入的操作历史信息，有fridge_id与food_id作为外键。

sys_dic_key：系统字典表，记录系统字典的关键字。

sys_idc_value：系统字典表，记录系统字典关键字的值。

数据库的设计遵循了数据库设计范式，表与表之间的关系清晰。

其中表的主键采用20位自增长bigint的数据类型，这符合MySQL官方推荐的主键数据类型，为以主键为基础索引的InnoDB引擎提供了很高的效率支持。

数据库使用时在表的常用索引字段建立B+树索引，使系统在查询上不会因为数据量过高，查询时扫面全表导致数据库查询缓慢。

数据库的主表都有一个status字段，该字段为逻辑启用字段，在进行数据删除操作时，不会直接将该条数据删除，而是将该字段置为假，从而达到逻辑删除的目的。这样不仅保证了数据的完整性和安全性，还为日后大数据的数据分析提供了数据支持。

数据库的外键在使用时全部删除，这样可以极大提升数据库写数据的效率，在数据一致性上，在应用程序级别采用事务的管理手段，保证数据的安全性。

Claims (6)

1.智能冰箱收纳系统，其特征在于该系统主要包括：硬件部分、云端服务器部分和手机APP部分；硬件部分为RFID智能食品感知模块；云端服务器部分为用户管理模块、用户家庭管理模块、冰箱管理模块和食物管理模块；手机APP部分是用户直接操作的客户端；其中，

RFID智能食品感知模块：主要负责管理RFID操作业务，采集食品放入冰箱和取出冰箱的操作和时间，然后通过网络传递给云端服务器，由能够联网的嵌入式控制器和RFID读卡器通过I²C总线连接而成；

用户管理模块：负责用户的基本信息管理；

用户家庭管理模块：负责用户名下“家庭”的管理，系统为用户提供了多家庭的冰箱管理模式，能够轻松管理家中多个冰箱和多个家庭的冰箱内容；

冰箱管理模块：负责用户管理所有绑定至自己账户的冰箱信息，用户能够在冰箱视图里查看自己冰箱的剩余物品，以及食品保质期列表；

食物管理模块：负责用户对自己冰箱里的食物进行高效便捷的管理，并提供相应的数据库，为冰箱里每个食物提供了生产历史追踪数据。

手机APP部分：主要完成数据的展示、用户请求的提交。

2.根据权利要求1所述的智能冰箱收纳系统，其特征在于，所述的RFID智能食品感知模块主要提供以下功能：

读取卡号：在贴有RFID标签的食品收纳袋靠近RFID读卡器时，读出标签的uid，每张卡片的uid都各不相同，以便识别出不同的食物；

上传服务器：读取卡号后，嵌入式控制器通过wifi将卡号传送至云端服务器，以处理相应的通知和记录；

上传冰箱序列号(sn)：定时将冰箱sn上传至云端服务器，保证RFID读卡器和冰箱的绑定关系。

3.根据权利要求1所述的智能冰箱收纳系统，其特征在于，所述的用户管理模块主要提供如下功能：

用户注册：互联网应用一切以用户为根本，只有注册用户才能够使用；

用户信息管理：用户的信息在互联网应用中是一切数据的根源，智能冰箱收纳系统采用基于容器技术的存储方式，使用户的信息易得；并采用md5加密的密码存储方式，让用户的信息更加安全；

用户登录：智能冰箱收纳系统为用户提供安全快捷的、基于用户名密码的登录方式，轻松识别用户身份；

用户注销：智能冰箱收纳系统为用户提供统一的用户注销的接口，为用户的账户隐私和安全提供了双重保障。

4.根据权利要求1所述的智能冰箱收纳系统，其特征在于，所述的用户家庭管理模块负责用户名下“家庭”的管理，系统为用户提供了多家庭的冰箱管理模式，能够轻松管理家中多个冰箱和多个家庭的冰箱内容，主要提供如下功能：

添加家庭：用户能够无限制添加自己名下的家庭信息，每个家庭能够绑定多个冰箱；

自定义家庭信息：用户能够任意修改自己家庭的信息，并提供家庭昵称的个性化的功能点；

家庭实时查询功能：用户能够一键搜索自己添加的家庭，方便快捷；

移除家庭：用户能够随时移除自己添加过的家庭信息。

5.根据权利要求1所述的智能冰箱收纳系统，其特征在于，所述的食物管理模块主要提供以下功能：

食物追踪：云端服务器的数据库记录了每个食物从生产源头直到进入用户冰箱的所有追踪信息，庞大的数据库支持使得食物健康信息透明；

食物新鲜程度排序：用户能够对食物保质期剩余天数进行排序，食物新鲜程度一目了然；

食物类型管理：智能冰箱收纳系统能够通过食物不同的类型进行分类管理；

趣味抽签游戏：智能冰箱收纳系统为用户提供了趣味娱乐化的食物管理方式，在不知道该吃什么食物的时候能够打开这个功能，让系统帮您决定食物的选择问题；

食物保质期提醒：在冰箱中的食物快过期时，系统会推送给用户通知，提醒用户尽快食用，以免过期变质；

食物出入冰箱管理：用户在把食物放入/取出冰箱的时候，冰箱会自动感知、记录并推送给绑定该冰箱的用户，让用户实时了解冰箱的动态情况。

6.根据权利要求1所述的智能冰箱收纳系统，其特征在于，所述的手机APP部分主要提供以下功能：

数据展示：通过APP展示本系统中家庭、冰箱和食品信息；

用户请求的提交：用户注册、登录、注销的请求界面，用户对系统的基本操作和查询；

接收系统的推送：当APP所管理的冰箱内容物有变化时，系统会向APP推送更新信息。