ACM通信gydF4y2Ba

研究突出了gydF4y2Ba

使用微波炉的软件定义烹饪gydF4y2Ba

文/金浩健，王敬贤，史华伦·库马尔，洪杰森gydF4y2Ba
ACM通信，2021年12月，第64卷第12期，95-103页gydF4y2Ba
10.1145 / 3491196gydF4y2Ba
评论gydF4y2Ba

尽管现在的微波炉普遍流行，但它的烹饪能力有限，因为它盲目地加热食物，导致热量分布不均匀和不可预测。我们提出了软件定义烹饪(SDC)，一种低成本闭环微波炉系统，旨在在软件定义的热轨迹中加热食物。SDC通过一种新型的高分辨率热感测和驱动系统实现了这一目标，该系统使用微波安全组件来增强现有的微波。SDC首先通过使用由微波产生的电磁场(EM)充电的霓虹灯阵列来感知温度梯度。然后，SDC通过将可编程转盘上的食物精确移动到可感知的热点和冷点，将em场强度调整到所需的水平。为了创造一个更加倾斜的任意热模式，SDC进一步引入了两种可编程附件:微波屏蔽和电纳。我们设计并实现了一个实验试验台改造一个商用的现成微波炉。我们的评估表明，在没有可编程附件的情况下，SDC可以在21°C的分辨率和3 cm的空间分辨率下编程生成温度增量，而有了可编程附件后，SDC可以在183°C的分辨率下编程生成温度增量。我们进一步演示了sdc支持的微波炉如何执行意想不到的烹饪任务:区分地烹饪培根中的肉和脂肪，均匀地加热牛奶。gydF4y2Ba

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1.简介gydF4y2Ba

自从20世纪70年代微波炉进入消费市场以来，它得到了广泛的采用，现在是第三大最受欢迎的国内食品加热方法(仅次于烘焙和烧烤)。gydF4y2Ba^13gydF4y2Ba事实上，雷声公司(Raytheon Inc.)在20世纪40年代末为微波炉申请的最初专利设想了一种适用于从肉到鱼等各种食物的通用食品烹饪工具。gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba虽然微波从一开始就给厨房带来了革命性的变化，但今天的消费用微波主要是作为钝的加热设备(如重新加热披萨)，而不是精确的烹饪工具(如烹饪牛排)。微波烹饪的潜力是有限的，因为今天的微波盲目加热食物，导致不均匀和不可预测的热量分布。gydF4y2Ba^18gydF4y2Ba

我们提出了软件定义烹饪(SDC)，这是一种新型的低成本闭环系统，可以增强现有的消费微波，以细粒度分辨率感知和控制加热，所有这些都使用室内的微波安全组件。SDC的设计可以解锁无数的可编程加热机会(见gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)．例如，当微波加热液体(如牛奶、婴儿配方奶粉)时，人们不必担心不均匀的加热会烫伤口腔或破坏营养——这就是为什么尽管微波炉很方便，但不应该用来加热配方奶粉的原因。此外，SDC可以支持细粒度的烹饪形式。例如，当烤肉和煎蔬菜是这些熟食味道的重要组成部分时，美拉德反应就会发生。有了SDC，就有可能执行计算机生成的美拉德反应模式，区分食物表面的温度。gydF4y2Ba

图1。微波加热湿热纸的结果(黑点表示高温)。(上)没有/有转盘的传统微波炉。转盘可以缓解不均匀的加热，但冷/热的地方仍然存在。(下)SDC，表示均匀加热(黑点较少表示热量均匀扩散)或加热，写“MobiCom”。我们使用有图案的感光器，并让SDC确保文本区域在热点处已经加热。gydF4y2Ba

SDC的核心是一种新的方法，既能在微波室中感知和控制空间中不同点的热量。SDC利用与最初产生热量相同的现象来感知热量:电磁(EM)场。SDC旨在测量任意给定点的电磁场振幅。虽然电池供电的传感器可以同时感知热场和电磁场，但SDC必须只使用微波安全组件，这就排除了典型的商业电池。gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba

SDC的实现依靠的事实是，微波内的电磁场是一种天然的能量来源。这意味着人们可以简单地通过电磁场本身为电磁场传感器供电。SDC使用微型射频(RF)供电的霓虹灯(见gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba)，在微波的电磁场作用下发光。具体来说，振荡微波在每个灯泡内的两个电极之间产生电位差(从几100v到几kV)。由于电位差，电子被加速远离阴极，并与氖气体原子或分子发生碰撞，这将发射出与电场振幅成比例的特征辉光。霓虹灯价格便宜，结构紧凑，对电磁场本身的干扰最小，这意味着它们可以紧密地排列在腔室周围的关键位置，以高精度地感知电磁场的振幅。考虑到霓虹灯可能会因为放在微波炉里的食物而遮挡视线，我们使用微波安全玻璃制成的光纤，将光信号传输到微波炉外，由摄像头感知gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba)．第4节描述了我们的框架，将该硬件与红外(IR)摄像机的测量结果融合在一起，以估计当前和未来食物的空间温度分布。gydF4y2Ba

图2。我们把不同长度的霓虹灯电线延伸(红色:0毫米，绿色:7.5毫米，蓝色:15毫米)放在转盘下面。然后我们测量发光时间的百分比来量化灵敏度。gydF4y2Ba

图3。署的硬件。gydF4y2Ba

在感知到食物加热后，SDC根据用户指定的热配方通过建立微波屏蔽来控制热量，保护食物的某些区域不能被过度煮熟(如肉类)。SDC通过在微波的关键位置放置小金属球来实现这一点。尽管传统观点认为不能将金属放入微波中，但射频传播的情况更为微妙。具体来说，微波炉内的金属表面只会在锋利的边缘产生高能火花，大多数厨房用具和碗中都有这种火花。根据定义，金属球没有边缘，因此是微波安全的。gydF4y2Ba^16gydF4y2BaSDC在微波的特定区域小心地包装金属球，以减少在这些区域的射频能量转移。第5节展示了SDC如何准确地旋转转盘，以引导食物的部分不能过度煮到这些区域。gydF4y2Ba

我们通过修改一个商用微波炉(夏普SMC1441CW)来实现SDC的原型。我们在微波炉腔内放置霓虹灯阵列，并在腔外使用摄像机来监测通过光纤电缆传输的闪光灯。我们用一个通过Arduino板控制的步进电机代替了粗糙的转台电机。给定一个理想的加热分布模式，SDC建议用户应该放置食物的初始位置。在加热过程中，SDC连续感知食物周围的实时电磁场强度，并调整驱动方案。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba说明了SDC的基本硬件设置。我们进行了详细的实验，以评估SDC的传感、均匀加热和计划加热能力。我们的实验显示:gydF4y2Ba

• 与带转盘的商用微波相比，SDC微波的加热均匀性提高了633%。gydF4y2Ba
• SDC可以产生183°C的任意温度δ，分辨率为3厘米。gydF4y2Ba
• 我们通过执行两个非传统的烹饪任务来演示SDC:烹饪培根和为婴儿加热牛奶。gydF4y2Ba

贡献:gydF4y2BaSDC是对微波炉的一种全新的重新设计，它既能在细粒度空间分辨率下感知和驱动电磁场。SDC推出了可编程的射频供电霓虹灯，其信号由微波安全的光纤传导，以感知电磁场分布。然后，SDC通过在使用微波安全附件预先设计的冷热点周围小心地移动食物，来调整微波室内的空间热分布。我们通过修改现有的商用微波构建了SDC的原型实现，并发现它的加热配方精度为7°C-10°C。gydF4y2Ba

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2.微波加热101gydF4y2Ba

在微波炉中，食物中的水、脂肪和其他电偶极子会从微波中吸收能量，这一过程被称为介电加热。gydF4y2Ba^21gydF4y2Ba也就是说，当施加电场时，双极分子倾向于表现得像微观磁铁，并试图使自己与电场对齐。当电场每秒变化数百万次时(例如，2.45 GHz微波信号每秒变化2.45亿次)，这些分子磁铁无法在外力作用下保持速度。这种对两极分子快速运动的阻力产生了摩擦，并导致暴露在微波辐射下的材料的散热。gydF4y2Ba

尽管强烈的直接微波辐射会灼伤人体组织和电子设备，但烹饪室的工作原理就像法拉第笼一样，可以显著减弱从微波室逃脱的波。美国联邦排放标准gydF4y2Ba^17gydF4y2Ba将微波炉在使用寿命内的微波泄漏量限制在距离烤箱表面约2英寸处每平方厘米5兆瓦(安全系数为10,000或更高，低于可能对人体造成伤害的水平)gydF4y2Ba^10gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

微波信号一旦进入金属腔体，就会被金属壁有效地反射。原始波和反射波在腔内发生共振，形成驻波，gydF4y2Ba^19gydF4y2Ba它产生反映点(加热热点)和节点(加热冷点)。节点处的电磁场很弱，因此没有东西在那里被煮熟。相反，在反映点的电磁场以最大振幅交替产生最大的热量。这也是为什么微波炉有一个旋转转盘的原因，这样转盘就可以把食物移进移出热点，使烹饪更加均匀。gydF4y2Ba

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3.署加热配方gydF4y2Ba

“烹饪”最基本的意思是给食物加热，gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba可以在三个主要变量中指定:gydF4y2Ba

• 烹饪中最重要的变量是gydF4y2Ba温度gydF4y2Ba，会引发不同的化学反应(如蛋白质变性、美拉德反应和焦糖化)。例如，如果我们想煮一块牛排，至少是半熟的，我们需要把肉加热到55°C(大多数细菌的最高生存温度)到65.5°C(蛋白质肌动蛋白的变性温度)之间。gydF4y2Ba
• 时间gydF4y2Ba是精确烹饪食物和杀死细菌的重要因素。例如，标准食品安全规则gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba食品和药物管理局(FDA)规定了不同的时间和温度组合:在55°C加热89分钟，可以达到与在62.2°C加热5分钟类似的效果，以减少沙门氏菌。gydF4y2Ba
• 空间:gydF4y2Ba食物的不同部分(如肉与脂肪、蛋白与蛋黄)可能需要以不同的规格烹调，以获得最佳口感的食物。因此，SDC旨在为食物表面的每个空间“像素”指定加热需求。gydF4y2Ba

我们设想，未来的微波加热食谱会为食物的每个“像素”指定所需的热轨迹，即温度与时间的比值gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba例如牛排食谱)。这正是SDC的输入，其性能取决于它在多大程度上遵循该规范。gydF4y2Ba

图4。SDC加热配方是每像素食物所需的温度和时间的顺序。例如，如果我们想烹饪牛排，理想的温度在55°C到65.5°C之间，这样可以杀死细菌，但避免变性肌动蛋白。当烹调到更高的温度时，肉变得又硬又干。gydF4y2Ba^12gydF4y2Ba

我们注意到，在所有三种常见的加热方法(对流、传导和辐射)中，食物都是从外向内烹饪的，也就是说，外部部分会更快地升温，而热传导会随着时间的推移加热内部部分。所以SDC专注于控制食品表面温度。gydF4y2Ba

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4.提交热的传感gydF4y2Ba

SDC的热感测技术旨在捕捉当前食物的温度以及加热的意图。乍一看，人们可能会认为热感测可以很容易地通过热相机来捕捉食物的当前温度。通过测量热成像相机随时间变化的读数，人们可以预测未来食物的加热方式。然而，热成像相机有重要的局限性，限制了专门依靠它们进行热感测的设计。首先，食物的热特性是以秒为单位的时间尺度发展的，即使食物离开热源，烹饪过程中的余热也会继续加热。然而，热敏相机通常有有限的刷新率(< 9hz)和中等精度(±2°C)。因此，热成像相机只能测量事后加热的效果，并不能防止不必要的加热，通常是在损坏已经造成之前。热成像摄像机也仅限于在视线范围内测量食物表面的加热。为了缓解这一问题，SDC补充了一个热成像相机，它可以感知当前的温度和微波安全传感器，可以估计未来的预期温度gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

图5。一个装有32个霓虹灯的转盘(左)和一个装有32个霓虹灯的盘盖(右)。gydF4y2Ba

4.1.传感硬件设计gydF4y2Ba

SDC将一组直径为5毫米、长度为13毫米的霓虹灯放置在微波室中，以探测电磁场。霓虹灯(见gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba)是一种微型气体放电灯，它由一个小的玻璃胶囊组成，胶囊内装有氖气和其他气体的混合物，并有两个电极(阳极和阴极)。在微波过程中，电极将与电磁场耦合并起到天线的作用。振荡微波在两个电极之间施加电位差。由于电位差，电子被加速远离阴极，并与氖气体分子发生碰撞，从而发出特有的辉光。灯的亮度与所放置位置的电磁场强成正比，SDC利用该亮度来测量电磁场强。gydF4y2Ba

光的辉光被房间外的可见光相机感知，以捕获实时的em场强度gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba)．然而，由于转盘上的食物等障碍物，霓虹灯经常被阻挡在摄像机的直接视野之外。为了缓解这种情况，SDC利用光纤将霓虹灯的光传导到相机gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

图6。运转中的烤箱内的转盘。霓虹灯的亮度与放置位置的电磁场强度成正比。gydF4y2Ba

图7。光纤将信号传输到腔外。gydF4y2Ba

SDC的硬件是微波安全的吗?gydF4y2Ba霓虹灯是微波安全的，因为金属电极被玻璃胶囊封装，因为气体辉光放电可以避免能量积累。每个霓虹灯消耗最小的微波能量(≈19.5 mW)，对现有的em场模式产生微不足道的干扰。玻璃光纤也是微波安全的。gydF4y2Ba

SDC中使用的相机不受微波炉的影响，因为它们是放在微波炉外面的。为光纤和热成像相机创建的孔比2.4 GHz无线电的1/20波长要小，因此腔室仍然是法拉第笼。通过孔的泄漏可以忽略不计。事实上，许多商用微波炉都有类似尺寸的孔来支撑转盘或搅拌风扇。gydF4y2Ba

编程EM灵敏度:gydF4y2Ba就像无线电通信中的电磁场一样，将霓虹灯调整到正确的灵敏度范围以准确地感知电磁场强度是很重要的。我们将霓虹灯的灵敏度定义为在给定的em场强度变化下亮度的变化。高灵敏度的霓虹灯可能被强电磁场饱和而烧毁天线，而低灵敏度的霓虹灯可能在低电磁场下不亮。gydF4y2Ba

为了找到合适的灵敏度水平，我们测试了几种不同长度的延长线的霓虹灯gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba)．具体来说，根据em场强度的不同，霓虹灯在运行微波时可能会经历以下三种状态之一:始终关闭、以不同的间隔闪烁和始终打开。闪烁(闪烁频率)和一致亮(亮度)状态比一致关提供了更细粒度的EM场分辨率。理想的霓虹灯灵敏度应确保烤箱中有相当比例的霓虹灯处于闪烁状态并始终处于常亮状态。为了优化天线的最佳长度(即导线延伸长度)，我们对微波中各种类型的负载进行了经验测试，发现8毫米的导线延伸可以达到所需的灵敏度。gydF4y2Ba

4.2.模拟热随时间和空间的变化gydF4y2Ba

接下来，我们将描述如何测量战略性放置的霓虹灯的亮度和闪烁频率，并使用这些数据在3D空间和时间上建模当前和未来的食物温度。gydF4y2Ba

创建空间热图:gydF4y2Ba放置在微波炉前面的可视摄像头，可以通过实时视频流捕捉霓虹灯的亮度。SDC每0.1秒测量一次灯的亮度(即120帧视频流的12帧)。对于每一帧，SDC将图像转换为灰度，查找霓虹灯周围或光纤末端的像素，并将像素值相加作为亮度评分。因为霓虹灯的位置是已知的gydF4y2Ba先天的gydF4y2Ba，我们用三次样条插值插值剩余位置的亮度。然后，我们通过对比霓虹灯的组合结果，将霓虹灯的亮度和闪烁频率与电磁场强度进行经验映射。再加上空间插值，我们可以在微波腔内生成三维电磁场强度视图。因此，SDC可以在细粒度空间分辨率给定特定位置时估计em场强度。gydF4y2Ba

时空温度建模:gydF4y2Ba如前所述，SDC可以测量当前食物表面的温度，方法是在微波炉的顶部放置一个热成像相机，以自上而下的视角感知食物表面。然而，仅使用热成像相机来模拟温度有两个限制:(1)摄像机仅测量其直接视场内食物表面的温度;(2)摄像机只测量当前温度，不测量未来预期温度。gydF4y2Ba

SDC通过综合从霓虹灯获得的电磁场测量来估计未来的热量。具体来说，食物空间中任何给定点的加热与该位置的电磁场强度成正比。这意味着，将观测到的场强综合起来，同时考虑到食物随时间的循环，可以对未来的温度提供一个可靠的估计。然而，要使这一图谱准确，仍存在两个挑战:(1)首先，在同样的电磁场中，食物的温度可能会因食物本身的物质组成而变化;(2)其次，对电磁场强度随时间的累加也可能导致误差逐渐累积。gydF4y2Ba

SDC通过将热成像系统和em场估计相结合，减轻了两者的局限性，获得了两者的最佳结果。具体地说，在每个时间点，我们调和了em场估计的集成与空间上的热成像相机的估计。然后，我们利用这一点来改进我们的模型，将电磁场映射到温度。随着时间的推移，我们不断重复这一过程，以避免电磁场对温度映射的任何漂移，以及对材料性质的解释。gydF4y2Ba

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5.提交热驱动的gydF4y2Ba

今天的微波炉以一种粗糙的方式驱动加热过程。烤箱转盘盲目地旋转食物，没有任何精确的控制。微波炉的加热引擎——磁控管，通过周期性地打开和关闭自己来实现功率控制。SDC通过结合热传感的结果，将现有的盲驱动硬件扩展为闭环控制系统。gydF4y2Ba

5.1.驱动硬件gydF4y2Ba

智能转盘:gydF4y2Ba我们修改了商用微波炉内的默认转盘。更具体地说，我们用低成本的步进电机替换了电机，并3D打印了电机头和玻璃平台之间的塑料耦合器，以实现精确控制。我们还将磁控管连接到Arduino，并通过编程发送脉宽调制信号来控制磁控管的开/关。旋转食物可以轻微地操纵加热模式(例如，均匀加热)，但这不足以创造任意的加热模式。gydF4y2Ba

可编程的配件:gydF4y2Ba为了实现更加倾斜的加热模式，我们开发了可编程附件(参见gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba)，利用微波加热的反射特性，将能量重定向到需要的位置和屏蔽不需要的位置，以实现任意的加热能力。gydF4y2Ba

图8。可编程的微波配件。gydF4y2Ba

为了尽量减少射频能量在特定区域的传递，我们在转盘上方安装了一个水平玻璃平面，并仔细地填充了金属球(见gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba相应的权利)。根据定义，金属球没有边缘，因此是微波安全的。这些金属球有效地形成微波反射镜，在特定区域反射微波能量。gydF4y2Ba

食物中最常见的介电偶极子是水，所以微波加热很少达到水沸点以上的温度。然而，一些重要的食品化学反应发生在远高于水沸点的地方，如美拉德反应和焦糖化。为了解决这一限制，我们引入了微波承纳器。碳化硅之类的材料gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba左)能有效吸收烤箱内的微波能量，微波1分钟达到200°C以上。将碳化硅附着在食物表面可以触发所需的高热反应。gydF4y2Ba

5.2.配方和驱动表示gydF4y2Ba

在开发了可编程驱动硬件之后，本节正式说明了尝试按照输入的加热配方加热食物的驱动优化问题。gydF4y2Ba

加热配方:gydF4y2BaSDC加热配方将指定每个部件在不同温度下所需的温度轨迹和持续时间。从数学上讲，我们可以把这个配方表述如下。让我们想象一下，食物表面被分成一组离散的像素。鉴于gydF4y2BangydF4y2Ba像素gydF4y2BaBgydF4y2Ba= {gydF4y2BaBgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba，gydF4y2BaBgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,……gydF4y2BaBgydF4y2Ba_ngydF4y2Ba}，在食物表面，像素的三维坐标为{gydF4y2BaxgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba，gydF4y2BaygydF4y2Ba_我gydF4y2Ba，gydF4y2BazgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba},gydF4y2Ba我gydF4y2Ba∈{1,2，…gydF4y2BangydF4y2Ba}。recipe是一个映射函数gydF4y2BafgydF4y2Ba它将像素和时间戳映射到整个gydF4y2BaDgydF4y2Ba分钟烹饪之旅:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BajgydF4y2Ba表示烹饪过程开始以来的时间戳，和gydF4y2BapgydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba指所需温度gydF4y2Ba我gydF4y2Ba-时间戳处的第th个像素gydF4y2Baj。gydF4y2Ba

署的优化问题:gydF4y2Ba我们的智能转台的目标是找到一个旋转计划gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba^＊gydF4y2Ba它可以根据需要将食物移进或移出这些热或冷的地方，根据所需的热量轨迹烹饪食物gydF4y2BaPgydF4y2Ba，其中包含所需温度的集合gydF4y2BapgydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba跨越时空。SDC定义了一个轮换计划gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba作为角度持续时间和磁控管开-关持续时间元组的序列:gydF4y2Ba

, {gydF4y2BaϑgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba：gydF4y2BadgydF4y2Ba_{ϑgydF4y2BakgydF4y2Ba}}表示转盘将保持在绝对偏置角gydF4y2BaϑgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba持续时间为deu， {gydF4y2BaogydF4y2Ba_kgydF4y2Ba：gydF4y2BadgydF4y2Ba_{好吧gydF4y2Ba}}描述持续时间gydF4y2BadgydF4y2Ba_{好吧gydF4y2Ba}保持磁控管开启或关闭(gydF4y2BaogydF4y2Ba_kgydF4y2Ba)．基于这些定义，我们现在将SDC的核心优化问题表述如下:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaP (S)gydF4y2Ba表示使用旋转计划的n个像素的温度轨迹gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba随着时间的推移。gydF4y2Ba

5.3.驱动算法gydF4y2Ba

解决这个优化问题具有挑战性有两个原因。首先，微波通过驻波加热食物，所以它们不能单独加热单个像素。加热一个像素将不可避免地加热其他像素。为了实现所需的热模式，我们需要选择一组热模式，其联合等价于目标热模式。其次，em -组分耦合的热模式是非静态和不可预测的。当转盘旋转食物和食物加热时，电磁场分布逐渐发生变化。在食物被加热之前，SDC无法预测输出的热量模式。gydF4y2Ba

随机背包:gydF4y2Ba在较高的水平上，这个问题是随机背包问题的一个变体，gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba这是一个经典的资源分配问题，选择一组物品放入一个具有给定容量的背包中。将每个物品放入背包中消耗的容量是随机的，并提供随机的奖励，gydF4y2Ba^11gydF4y2Ba只有在放置物品后才能观察到。由于随机背包问题固有的不确定性，自适应和闭环策略往往比选择的项目不受剩余时间预算影响的开环策略表现得更好。gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba

近似算法:gydF4y2Ba基于第4节的传感结果，我们提出了一种贪心近似算法来实时确定立即旋转计划。我们的贪心策略是:“在每一步行程中，在温度梯度与当前加热间隙最相似的旋转角度处加热”。gydF4y2Ba

图9gydF4y2Ba说明了贪心算法的工作流程。在SDC中，热摄影机连续地感知当前食物温度gydF4y2BangydF4y2Ba像素:gydF4y2BaCgydF4y2Ba= {gydF4y2BacgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba，gydF4y2BacgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba、……gydF4y2Ba_ngydF4y2Ba}。然后SDC比较所需的加热方式gydF4y2BafgydF4y2Ba（gydF4y2BaBgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba，gydF4y2BajgydF4y2Ba)，并计算出实时的加热间隙gydF4y2BaGgydF4y2Ba= {gydF4y2BaggydF4y2Ba_1gydF4y2Ba，gydF4y2BaggydF4y2Ba_2gydF4y2Ba、……gydF4y2BaggydF4y2Ba_ngydF4y2Ba}。运行时，SDC连续计算点温度梯度之间的相似度gydF4y2BaϑgydF4y2Ba用这两个向量夹角的余弦来表示当前的加热间隙。一旦计算，SDC旋转转盘gydF4y2BaϑgydF4y2Ba^＊gydF4y2Ba它的温度梯度排列最整齐。同时，SDC根据电磁场和红外相机在各个旋转角度的实时温度观测，更新温度梯度字典gydF4y2BaϑgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图9。SDC热驱动工作流程:gydF4y2BaSDC首先通过比较所需的加热模式与热成像相机的当前状态来计算加热间隙。gydF4y2Ba然后SDC相应地调整驱动计划gydF4y2Ba持续更新发行版。gydF4y2Ba

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6.实施和评价gydF4y2Ba

我们通过改造一台商用微波炉(Sharp SM1441CW)来实现SDC，并对包括肉类和大米在内的多种食物类型进行实验，以评估SDC的热感测和驱动。gydF4y2Ba

地面的真相:gydF4y2Ba为了获得真实的地面温度数据，我们使用了非接触式红外温度计(Etekcity Lasergrip 630)，它提供了±2℃的分辨率，从-50℃到580℃，以及我们在SDC中使用的热相机。gydF4y2Ba

6.1.均匀加热gydF4y2Ba

不均匀加热是当今微波的一个主要缺点，gydF4y2Ba^18gydF4y2Ba这不仅影响了食品的质量，而且当微生物在寒冷的地方无法被消灭时，也会危及食品安全。本实验在提供统一加热方案时评估SDC，即提供给SDC的公共输入热轨迹，在该方案中，我们旨在以统一的速度将所有像素加热到相同的温度。gydF4y2Ba

方法:gydF4y2Ba我们通过使用SDC加热生米粒来进行评估。为了使热图案形象化，我们用热色颜料给颗粒上色gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba)，会随着温度的升高而变成粉红色。我们使用热色颜料方法，因为它可以提供丰富的模拟温度可视化，而热相机分辨率有限，最终输出的图像基于插值。gydF4y2Ba

图10。我们用热色素给米粒上色，当温度升高时，这种色素会以一种可预测的方式变成粉红色。gydF4y2Ba

我们在20°C的室温下开始实验。我们创建了一个均匀加热配方，要求食物在2分钟内均匀加热，温度从20°C到60°C，根据配方中蓝色粗线提供的空间gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba．我们注意到食物表面所有像素的热轨迹是相同的。然而，温度升高并不是随时间的线性变化，而是模拟正常微波操作下生米在微波中平滑的平均温度轨迹。gydF4y2Ba

图11。(上)SDC均匀加热的温度变化最小;(下)食物要点紧扣加热配方。gydF4y2Ba

为了描述SDC的好处，我们使用两种盲微波加热的情况作为基线:相同的微波炉(1)有转盘旋转和(2)没有转盘旋转。为了收集加热过程中的瞬时温度，我们每30秒取出食物来测量地面温度。gydF4y2Ba

结果:gydF4y2Ba图12gydF4y2Ba显示了热色颜料的可视化，它在31°C时改变颜色，并随着温度的升高发展为更深的粉红色阴影。米色(暗白色)区域表示食物斑点保持在31°C以下。我们观察到，SDC实现了统一的粉红色色调，随着时间的推移会变暗，而基线(无旋转或默认旋转)随着时间的推移继续有冷点。注意，在t=120秒时，SDC与基线相比在视觉上呈现出最深的粉色阴影，因为它相对于基线实现了更均匀的空间温度。实际上，基线方案中也有一些热点达到了更高的温度(超过70°C)，而SDC达到了理想的接近60°C的均匀温度。gydF4y2Ba

图12。水稻的加热作为无旋转、默认旋转和SDC的时间函数的可视化。暗白色区域表示米饭没有煮熟。SDC产生最均匀的加热。gydF4y2Ba

验证热感测和驱动:gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba(下)使用SDC显示了食物的9个离散均匀间隔点随时间的温度轨迹。注意，随着时间的推移，所有点都密切遵循食谱，这表明SDC在建模温度梯度方面具有很高的准确性。gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba(上)比较了经过多次实验测量的经过相同离散点的轨迹的平均值和标准差与时间的关系。这里特别有趣的是食物温度的标准偏差，人们可以清楚地观察到，与基线方案相比，SDC实现了更低的温度空间方差。这证实了我们的发现，虽然微波加热食物盲目和不均匀，SDC可以实现显著的加热均匀性。gydF4y2Ba

我们的结果验证了热感测和驱动的正确性，两者都必须正确操作才能达到预期的加热目标。gydF4y2Ba

6.2.任意的加热gydF4y2Ba

在现实的烹饪中，不同的食材通常需要在不同的温度下烹饪。通过指定不同表面像素的热轨迹，SDC可以在计算上支持这些活动。在本节中，我们旨在通过探索最大加热分辨率(即在细粒度空间分辨率中可以创建的最大温差)来对SDC进行压力测试。gydF4y2Ba

方法:gydF4y2Ba我们创建一个假想的配方，加热一个独特的热模式(描述在gydF4y2Ba图13gydF4y2Ba左)。该配方将内环区域的目标温度设置为500°C，其余区域为50°C。我们特意为SDC设定了一个无法实现的500°C的目标，对系统进行压力测试，评估SDC在多大程度上能够接近目标。我们进行了两个独立的实验，有和没有微波附件的帮助。为了描述性能，我们将重点放在峰峰温差Δ上gydF4y2BaPgydF4y2Ba(即最高温度与最低温度之差)。gydF4y2Ba

图13。左:压力测试的输入配方。中:无受体的SDC。右图:伴受体的SDC。电纳可以帮助建立更倾斜的热分布。gydF4y2Ba

结果:gydF4y2Ba图13gydF4y2Ba(右)显示热着色颜料的可视化，与所需的图案很好地对齐(gydF4y2Ba图13gydF4y2Ba左)，没有微波附件和有微波附件。正如预期的那样，我们观察到配件的存在有助于提高高温环和低温环之间的对比。这就是为什么需要附件来提高SDC在诸如烘烤等任务中的性能，在这种情况下，食物需要极端的温度梯度。gydF4y2Ba

图14gydF4y2Ba右边总结了平均数ΔgydF4y2BaPgydF4y2Ba标准差σgydF4y2Ba_PgydF4y2Ba有和没有微波附件的SDC内圈和外圈之间的最大温差。我们还注意到，使用微波附件，SDC可以在非常精细的空间分辨率下引起极高的温度梯度(高达每厘米61°C)。gydF4y2Ba

图14。意思是(ΔgydF4y2BaPgydF4y2Ba)和标准差(σgydF4y2Ba_PgydF4y2Ba)为任意加热时的热δ。最后一列gydF4y2Ba表示可以达到的单位距离的温度梯度。gydF4y2Ba

6.3 App-Cooking meat(培根)gydF4y2Ba

在本节中，我们评估SDC的性能与先进的热食谱烹饪。我们认为培根的肉和脂肪有不同的加热要求。gydF4y2Ba

方法:gydF4y2Ba我们使用每个像素所需的加热食谱为肉和脂肪，如图所示gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba．根据包装说明，我们将加热时间设置为1分钟。在多次实验中，我们将培根条放在微波板上。我们使用热成像相机测量连续的地面真实温度，使用非接触式红外温度计(Etekcity Lasergrip)测量离散点的最终温度。gydF4y2Ba

结果:gydF4y2Ba图15gydF4y2Ba描述了烹饪过程中的初始和最终产品。注意，虽然默认的旋转加热培根不均匀(导致形状不均匀)，SDC加热微波炉更均匀，同时区分肉和脂肪的热量。事实上，我们观察到，烹饪过程没有过度烹饪/烧焦肉，同时避免可能构成健康危害的较冷地点。gydF4y2Ba

图15。生培根和用SDC和原始转盘烹制的培根片。这三片培根来自同一个包装，所以原来的脂肪模式几乎完全相同。加热的肉和脂肪会收缩。SDC对肉和脂肪有区别地加热，所以脂肪比肉收缩得更厉害。gydF4y2Ba

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7.相关工作gydF4y2Ba

相关工作可分为三类:gydF4y2Ba

在微波遥感:gydF4y2Ba过去有许多有关改进微波炉内热感测的工作。例如，先进的FISO微波工作站(MWS)gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba用于食品研究有特殊的微波安全光纤传感器，以收集实时细粒度直接测量腔内，但成本超过8万美元。研究人员gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba还用软件无线电来监测微波泄漏的信号强度和识别食物的种类。然而，许多变量，如食物的种类、数量、温度和食物在烤箱内的位置，不可预测地影响微波泄漏。gydF4y2Ba^19gydF4y2Ba与这些系统相比，SDC通过直接在腔内放置低成本微波安全传感器并模拟电磁传播来估算当前和未来的温度分布。gydF4y2Ba

在微波驱动:gydF4y2Ba采用最广泛的微波驱动是转盘和搅拌叶片gydF4y2Ba^22gydF4y2Ba试图将辐射均匀传播。然而，由于电磁场分布固有的不可预测性，这些盲驱动方法并不能消除热/冷点。微波发生器的最新进展，如射频固态炊具，可以调整发射机的实时功率、频率和相位来移动热/冷点，尽管成本很高(约10,000美元)gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba)和复杂性。SDC还从许多微波附件中汲取灵感，这些附件已经被开发出来用于在微波炉中烹饪某些食物——例如，康宁微波炉棕色锅、微波煮蛋器或爆米花袋内的容器。与过去的工作不同，SDC根据用户指定的热轨迹和传感结果提供了热驱动的通用框架，而不与特定类型的食物绑定或添加昂贵的组件。gydF4y2Ba

计算加工和加热:gydF4y2Ba设计计算制造技术gydF4y2Ba^15gydF4y2Ba因为数字美食是一个新兴的话题。gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba最相关的方法是激光烹饪，gydF4y2Ba^5gydF4y2Ba它使用计算机控制的激光切割机加热食物表面的一系列小斑点。虽然创新，但众所周知，逐像素滚动加热过程非常耗时。SDC克服了激光加热的缓慢生产时间，同时允许在众多的加热模式中产生高度的灵活性。gydF4y2Ba

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8.结论gydF4y2Ba

在这项工作中，我们提出了软件定义烹饪(SDC)，一种新型的下一代微波炉，可以在细粒度空间分辨率下感知和驱动加热。在三种常见的加热方法(对流、传导和辐射)中，辐射是唯一可以将能量定向到所需位置的方法。这种可重定向的特性使微波炉成为SDC实验的理想平台，因为它可以在不改变物理硬件的情况下有效地对能量传输进行编程。gydF4y2Ba

与此同时，尽管过去有大量的工作是关于新颖的射频通信应用，gydF4y2Ba^14gydF4y2Ba传感、gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba和能量收获,gydF4y2Ba^20.gydF4y2Ba迄今为止，利用射频信号的新型驱动机制的研究较少。SDC旨在在这一领域进行创新。gydF4y2Ba

我们目前的原型在可控射频驱动方面已经展示了一个有前途的结果。随着更复杂的功率传输机制的发展(例如，执行高功率射频波束形成的廉价方法)，我们认为未来设计良好的射频烹饪设备可以成为每个家庭的终极烹饪设备，同时实现烹饪质量和方便。gydF4y2Ba

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