RFID 技術(shù)在智能電冰箱食材識(shí)別中的應(yīng)用

陳紅欣 金輪 鮑雨鋒 馮長(zhǎng)卿 魏明然

（1.海信（山東）冰箱有限公司，山東青島 266071；2.中家院（北京）檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100176）

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)迅速發(fā)展，新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來(lái)，而一些曾經(jīng)的技術(shù)也被重新發(fā)掘和審視，RFID 技術(shù)就是其中之一。作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，RFID 技術(shù)雖問(wèn)世多年，但對(duì)于家電行業(yè)來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用尚處于摸索期，各大廠家均圍繞其不斷研制新的產(chǎn)品，申請(qǐng)新的專利。冰箱作為傳統(tǒng)家電的代表早已深入千家萬(wàn)戶，這奠定了其穩(wěn)固的銷售市場(chǎng)，不僅如此，儲(chǔ)存和管理食材作為冰箱的基礎(chǔ)功能，是一個(gè)完美的應(yīng)用場(chǎng)景，這些使得冰箱非常適合成為RFID 技術(shù)落地的載體?？梢韵胍?jiàn)，在RFID 技術(shù)加持下的冰箱可以更加智能、更加方便地識(shí)別和管理食材，它們的結(jié)合將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 食材識(shí)別技術(shù)

1.1 食材識(shí)別技術(shù)概述

食材保鮮作為冰箱最核心的功能是所有消費(fèi)者關(guān)心的重點(diǎn)，也是電冰箱廠家一較技術(shù)高低的比武場(chǎng)。食材保鮮技術(shù)涉及生物、化學(xué)、材料、電子、計(jì)算機(jī)、物流等多領(lǐng)域多學(xué)科。而食材保鮮技術(shù)對(duì)于冰箱也不再是一個(gè)獨(dú)立的功能，食材識(shí)別、食材管理、溫度控制、濕度控制等等都與食材的保鮮效果息息相關(guān)。

食材識(shí)別，是整個(gè)食材保鮮的入口，是一切后續(xù)智能功能的輸入，一旦輸入出錯(cuò)，后面的諸如食材保質(zhì)期管理，針對(duì)不同食材的存儲(chǔ)特性的溫濕度精控以及根據(jù)食材的食譜建議等功能將失去意義。所以食材識(shí)別，是整個(gè)冰箱智能化的重點(diǎn)技術(shù)。

目前，食材識(shí)別技術(shù)主要分為基于圖像識(shí)別的食材識(shí)別技術(shù)和基于RFID 等無(wú)線識(shí)別技術(shù)的食材識(shí)別技術(shù)。

1.2 基于圖像識(shí)別的食材識(shí)別技術(shù)

和其他仿生技術(shù)類似，由于人類主要通過(guò)視覺(jué)來(lái)識(shí)別物體，所以圖像識(shí)別技術(shù)一直是物體識(shí)別中比較熱門的研究和應(yīng)用方向。由此衍生的基于圖像識(shí)別的食材識(shí)別技術(shù)也是較早在家電行業(yè)中得以實(shí)踐。但是，雖然該技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其在帶來(lái)便利的同時(shí)也存在諸多問(wèn)題，而且其中一些是比較難以通過(guò)技術(shù)手段克服的。圖1 為一個(gè)典型的基于圖像識(shí)別技術(shù)的冰箱食材管理系統(tǒng)框架描述圖。

圖1 基于圖像識(shí)別技術(shù)的食材管理電冰箱框架圖[1]

圖像識(shí)別方式主要是使用攝像頭等圖像采集設(shè)備從不同角度和位置采集放入冰箱的食材光學(xué)信息，而后通過(guò)一系列的圖像處理和識(shí)別算法將食材進(jìn)行分類和標(biāo)記。

其優(yōu)點(diǎn)是可以做到幾乎無(wú)感的用戶體驗(yàn)，用戶在使用過(guò)程中幾乎不會(huì)感覺(jué)該功能的存在，也不需要太多額外操作，在關(guān)閉冰箱門的一刻起，識(shí)別過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，從始至終的過(guò)程幾乎是全自動(dòng)的。

其缺點(diǎn)也較為明顯，一般來(lái)說(shuō)，基于圖像識(shí)別的食材識(shí)別技術(shù)對(duì)食材種類和狀態(tài)要求較為苛刻，這是由于圖像識(shí)別算法的特點(diǎn)導(dǎo)致的。相同的食材，在不同的狀態(tài)（整體/部分）下，或不同溫度下（常溫/凍結(jié)），不同的光照下（明亮/黑暗），甚至不同的擺放朝向下的圖像識(shí)別判斷結(jié)果差異都可能是巨大的。再者，由于冰箱是物品相對(duì)集中的密集封閉空間，所以更加可能發(fā)生的情況是冰箱中的食材相互遮擋，一旦發(fā)生這種情況，識(shí)別結(jié)果的偏差可能是巨大的。事實(shí)上，人類一般對(duì)于物體的識(shí)別率在95%左右，而且像表面覆霜的深凍肉類等物品，就算是人類也很難僅僅通過(guò)視覺(jué)來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。所以，誤差是必然存在的，而且精度提升的越高，再想通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化就變得越困難。如圖2 所示是一組典型的圖像識(shí)別拍攝的冰箱內(nèi)部放置蘋果的畫面，可以看到盡管稀疏擺放，但遮擋等問(wèn)題仍然還是比較明顯的。

圖2 冰箱內(nèi)部攝像頭拍攝的蘋果畫面[1]

2 RFID 技術(shù)

2.1 RFID 技術(shù)原理

RFID（Radio Frequency Identification）即射頻識(shí)別技術(shù)，是一種非接觸式的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，起源于上世紀(jì)40—50 年代的雷達(dá)技術(shù)。該系統(tǒng)一般由三部分組成：即讀寫器（Reader）、天線（Antenna）以及電子標(biāo)簽（Tag）。圖3 是一種常見(jiàn)的RFID 電子標(biāo)簽，出廠時(shí)是成卷狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用中配合不同場(chǎng)景可以附加貼紙或不同材質(zhì)的外殼作為永久性標(biāo)簽使用。

圖3 RFID 電子標(biāo)簽

RFID 技術(shù)發(fā)展至今，其產(chǎn)品品類已經(jīng)非常豐富。根據(jù)天線和讀寫器結(jié)合方式的設(shè)計(jì)不同，RFID 系統(tǒng)可以分為一體式（圖4）和分體式（圖5、圖6）兩種設(shè)計(jì)，其中：一體式的RFID 系統(tǒng)雖然識(shí)別范圍僅限一個(gè)特定區(qū)域，但是因其結(jié)構(gòu)緊湊便攜性好，可以廣泛應(yīng)用于門禁、收銀以及手持式設(shè)備等場(chǎng)景；而分體式的RFID 系統(tǒng)由于支持多路外置天線且天線可以獨(dú)立布設(shè)，在倉(cāng)儲(chǔ)、商場(chǎng)、圖書(shū)館以及家電中應(yīng)用廣泛。

圖4 一體式RFID 讀寫器

圖5 分體式RFID 讀寫器

圖6 分體式讀寫器配套天線

根據(jù)不同的工作頻段，RFID 系統(tǒng)劃分如表1 所示。

表1 RFID 系統(tǒng)的頻段劃分及應(yīng)用

如果按照能源供給方式劃分，RFID 還可以分為無(wú)源RFID（被動(dòng)式）、有源RFID（主動(dòng)式）以及半有源RFID。其特點(diǎn)是：無(wú)源RFID 讀寫距離較近，造價(jià)低，除非損壞，不然幾乎沒(méi)有使用壽命限制，但是因?yàn)槟芰咳縼?lái)自讀寫器，所以需要大功率的讀寫裝置支持；而有源RFID 由于自身帶有能量供給，所以可以提供更遠(yuǎn)的讀寫距離，但是需要電池供電，成本自然也會(huì)高一些，較適用于遠(yuǎn)距離讀寫的應(yīng)用場(chǎng)合，使用壽命也有限制，但是優(yōu)勢(shì)是對(duì)于讀寫裝置的依賴性較?。话胗性碦FID 顧名思義是前兩者的結(jié)合，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是近距離激活定位，遠(yuǎn)距離識(shí)別及上傳。

冰箱的食材識(shí)別場(chǎng)景中，由于識(shí)別距離需要較近且區(qū)域固定，且需要重復(fù)使用的場(chǎng)景較多，綜合成本和可靠性等參數(shù)，一般建議采用無(wú)源的UHF RFID 解決方案，讀寫器和天線一般也采用分體式設(shè)計(jì)。一個(gè)典型的分體式RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 RFID 系統(tǒng)原理圖

2.2 RFID 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

RFID 之所以被物流行業(yè)垂青，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。

（1）非接觸式：由于RFID 技術(shù)的數(shù)據(jù)和能量交互基于電磁波，波具有穿透性，所以在復(fù)雜的環(huán)境中（例如，堆疊、包覆等）對(duì)比傳統(tǒng)條碼識(shí)別或圖像識(shí)別等強(qiáng)依賴光學(xué)的識(shí)別方式更為有效。并且，一般物流中物品都會(huì)有包裝物，尤其對(duì)于食材類物品來(lái)說(shuō)，出于保鮮和保護(hù)外形的運(yùn)輸及儲(chǔ)存要求，大部分食材出廠后都帶有包裝，而且并不是所有包裝都采用透明材質(zhì)制造，所以對(duì)比傳統(tǒng)基于光學(xué)的識(shí)別技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以在不破壞外包裝的前提下識(shí)別食材，具有很大行業(yè)契合度。

（2）空間距離：如上文表1 中所述，從收費(fèi)站和物流這種10 m 級(jí)別的距離范圍，到POS 支付和門禁這些1 cm 級(jí)別的場(chǎng)景，均可以通過(guò)選用不同工作頻段和功率的RFID 設(shè)備達(dá)到，精確適配使用場(chǎng)景。對(duì)于食材識(shí)別來(lái)說(shuō)，由于一般都是在家庭環(huán)境中使用，再加上冰箱內(nèi)部空間的限制，識(shí)別尺度一般在1 cm～50 cm 范圍左右。恰好符合RFID 系統(tǒng)的工作區(qū)域。

（3）價(jià)格因素：任何技術(shù)落地都少不了成本的考量，雖然RFID 標(biāo)簽本身造價(jià)并不算非常廉價(jià)（一次性的大概0.5 元/個(gè)～1 元/個(gè)，可復(fù)用型的包括外殼大概2 元/個(gè)～5元/個(gè)），但是考慮到可復(fù)用以及對(duì)比其他食材識(shí)別技術(shù)的成本來(lái)看，綜合性價(jià)比還是很高的。不僅如此，如果有上下游企業(yè)及物流業(yè)的支持，比如類似紡織行業(yè)的衣聯(lián)網(wǎng)等方向，由行業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一大批量制作規(guī)范標(biāo)簽，這部分的成本相信會(huì)更低。

2.3 RFID 技術(shù)的局限性

（1）人工參與：就像其他RFID 場(chǎng)景一樣，標(biāo)簽和物品本身不是天生綁定的，一定需要在某個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綁定。這其實(shí)也是RFID 食材識(shí)別的一個(gè)根本問(wèn)題，就是其識(shí)別的其實(shí)是標(biāo)簽，而非食材本身。而綁定步驟，目前大部分還是需要靠人工進(jìn)行。一種常見(jiàn)的做法是由用戶買完食材后根據(jù)食材種類將其與食材進(jìn)行綁定并錄入系統(tǒng)，為了優(yōu)化體驗(yàn)，部分廠家會(huì)預(yù)先制作一些常見(jiàn)標(biāo)簽供用戶使用，但是因?yàn)槭巢牡呢S富性和數(shù)量的不確定性，預(yù)制標(biāo)簽很難完全滿足用戶需要。所以折中方案是一些廠家會(huì)提供自定義標(biāo)簽，讓用戶可以自己在系統(tǒng)中錄入標(biāo)簽屬性并綁定食材，具備一定的自由度。這些過(guò)程雖然比較自由，但是也增加了用戶的操作，具有一定使用門檻，對(duì)老年人和兒童等群體可能并不友好。

（2）射頻特性：RFID 由于其采用射頻識(shí)別技術(shù)，所有信息傳輸形式都是以電磁波的形式，而凡是涉及電磁波的場(chǎng)景都會(huì)有材料的透射、反射和吸收等問(wèn)題。食材與食材間，包裝與包裝間，食材所處環(huán)境間，因?yàn)椴馁|(zhì)的差異，射頻環(huán)境可能天差地別，不同的射頻環(huán)境勢(shì)必決定了識(shí)別結(jié)果的偏差不同。圖8為相同大小和材質(zhì)的瓦楞紙箱裝入不同物品時(shí)的射頻特性圖，可以看到，由于控制了變量，除去包裝和大小的影響，不同內(nèi)含物品的射頻特性差異是巨大的。雖然工程師們研發(fā)了例如反射貼紙等很多緩解由材料帶來(lái)的射頻識(shí)別結(jié)果偏差的技術(shù)，但是不可否認(rèn)的是，其影響依舊存在且影響廣泛。

圖8 一些裝有不同物品的瓦楞紙箱的射頻特性[2]

3 RFID 技術(shù)在智能冰箱食材識(shí)別上的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，如圖9 所示，智能冰箱具有識(shí)別標(biāo)簽及上傳云端數(shù)據(jù)的功能，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP 同步云端數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程查看冰箱內(nèi)的食材信息。配合食譜推薦和在線購(gòu)物等第三方應(yīng)用，形成一個(gè)完整的從食材采買到烹飪的流程。

圖9 基于RFID 技術(shù)的食材管理電冰箱系統(tǒng)框架圖

3.2 硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)RFID 硬件選擇方面，采用的是超高頻的RFID 模組，包括一個(gè)UHF 讀寫器和與讀寫器通過(guò)射頻線連接的5 個(gè)板狀天線（如圖10 和圖11 所示）；另外還配套了可讀寫的無(wú)源UHF RFID 食材標(biāo)簽，包括預(yù)制標(biāo)簽和自定義標(biāo)簽。

天線布設(shè)方面，如圖10 及圖11 所示，采用門上1 個(gè)，箱體內(nèi)部4 個(gè)的布局。其中，門體上的天線A 是為了讓用戶可以在門外綁定標(biāo)簽和食材以及進(jìn)行直接的門外識(shí)別流程；冰箱內(nèi)的天線BCDE，信號(hào)輻射方向朝向冰箱內(nèi)部，與冰箱外殼和門體屏蔽材料共同構(gòu)成的天線陣列，確保RFID 信號(hào)均勻覆蓋冰箱的全部空間，實(shí)現(xiàn)冰箱全部?jī)?chǔ)物空間內(nèi)帶標(biāo)簽食材的自動(dòng)識(shí)別、盤存，自動(dòng)管理。

圖10 冰箱門體天線布設(shè)示意圖

圖11 冰箱內(nèi)部天線陣列布設(shè)示意圖

3.3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件流程上，冰箱的主要識(shí)別流程如圖12 所示，在用戶關(guān)閉冰箱門后觸發(fā)。

圖12 RFID 食材管理冰箱食材識(shí)別流程圖

3.4 RFID 標(biāo)簽定義與查詢

前面討論RFID 技術(shù)的局限性時(shí)，我們提到需要用戶進(jìn)行RFID 標(biāo)簽和食材的綁定，即進(jìn)行標(biāo)簽信息定義，如食材名稱、數(shù)量或重量等。為了提升用戶體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了門上自感應(yīng)RFID標(biāo)簽定義/查詢系統(tǒng)，在冰箱門上設(shè)置定向超高頻RFID 近場(chǎng)天線、遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音模塊和人感模塊，其工作過(guò)程如下：

人感模塊檢測(cè)到用戶接近門體時(shí)啟動(dòng)RFID 天線掃描，掃描到RFID 標(biāo)簽時(shí)自動(dòng)喚醒語(yǔ)音交互，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信息定義或信息查詢功能。

圖13 RFID 標(biāo)簽定義/查詢流程圖

3.5 食材識(shí)別測(cè)試

為了評(píng)價(jià)RFID 技術(shù)在智能冰箱食材識(shí)別上的效果，應(yīng)基于用戶實(shí)際的使用場(chǎng)景，以用戶日常購(gòu)買的食材為測(cè)試對(duì)象來(lái)進(jìn)行。在本測(cè)試中，智能冰箱為556 L 的四門冰箱，選取食材種類和數(shù)量詳見(jiàn)表2 所示，按照適宜的存儲(chǔ)溫度放置到冰箱的各個(gè)間室中。

表2 測(cè)試用食材和數(shù)量

表3 是我們實(shí)驗(yàn)中截取的部分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)采用了新鮮的瓜果肉類以及速凍食品若干帶并綁定相應(yīng)標(biāo)簽，而后逐一放入冰箱中，在不同測(cè)試條件下測(cè)試重復(fù)多次。為了模擬用戶真實(shí)的擺放情景，對(duì)食材標(biāo)簽進(jìn)行多種材料（詳見(jiàn)表4 中的“環(huán)境條件”列）的遮擋。從測(cè)試數(shù)據(jù)看，20 次試驗(yàn)的平均識(shí)別率達(dá)到99.6%，識(shí)別效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

另外從表3 中看次，第13、19、20 次試驗(yàn)中分別在冷藏室內(nèi)有一個(gè)RFID 標(biāo)簽未被識(shí)別，主要原因正是前面提到的RFID 射頻特性(如圖8 所示)，是冷藏室內(nèi)有較多數(shù)量的果蔬和飲料中的水分對(duì)超高頻RFID 信號(hào)的吸收造成。

表3 食材標(biāo)簽識(shí)別結(jié)果

4 RFID 食材識(shí)別技術(shù)的展望

隨著消費(fèi)者對(duì)美好生活的追求，對(duì)冰箱的需求已經(jīng)從簡(jiǎn)單的制冷功能，向智能、健康、保鮮等食材管理功能轉(zhuǎn)變。根據(jù)全國(guó)家用電器工業(yè)信息中心發(fā)布的消費(fèi)者需求調(diào)研數(shù)據(jù)，90.0%的用戶有過(guò)忘記某樣食材是否有剩余而在冰箱中到處翻找的經(jīng)歷。這說(shuō)明食材管理，更具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)食材存儲(chǔ)位置的管理是消費(fèi)者在使用冰箱過(guò)程中的一大痛點(diǎn)。雖然基于RFID的智能電冰箱食材識(shí)別技術(shù)，能準(zhǔn)確地對(duì)加帶RFID 標(biāo)簽的食材進(jìn)行識(shí)別并數(shù)據(jù)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保質(zhì)期管理、缺貨提醒和采買等，但是應(yīng)用RFID 技術(shù)對(duì)RFID 食材標(biāo)簽進(jìn)行位置確定，尚無(wú)成熟的技術(shù)方案。這是因?yàn)槌哳lRFID 信號(hào)作為一種電磁波，在冰箱內(nèi)部的傳播除了正常的輻射外，還存在反射、散射、衍射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象造成了多徑效應(yīng)和非視距效應(yīng)，對(duì)RFID定位系統(tǒng)有嚴(yán)重的影響[3]。

5 結(jié)論

食材識(shí)別是食材管理的入口，食材管理是智能冰箱的核心功能?；赗FID 技術(shù)的食材識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)需要智能冰箱和云端服務(wù)器的共同配合。本文論述了一種基于RFID 識(shí)別技術(shù)的智能冰箱的食材識(shí)別方案。不論是與基于圖像識(shí)別技術(shù)的方案理論對(duì)比還是后續(xù)的實(shí)際產(chǎn)品舉例，都能看出該方案是切實(shí)可行的。未來(lái)，通過(guò)完善上下游供應(yīng)鏈及相關(guān)行業(yè)編碼標(biāo)準(zhǔn)，該方案的體驗(yàn)將進(jìn)一步優(yōu)化，在盡量不改變用戶習(xí)慣的同時(shí)，給用戶帶來(lái)實(shí)際的方便。