基于嵌入式的臘肉檢測(cè)手持終端系統(tǒng)的研制

郭培源 徐　盼 董小棟 許晶晶 劉艷芳

(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京　100048)

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基于嵌入式的臘肉檢測(cè)手持終端系統(tǒng)的研制

郭培源 徐盼 董小棟 許晶晶 劉艷芳

(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048)

研究和實(shí)現(xiàn)基于嵌入式Raspberry Pi的手持式臘肉檢測(cè)終端系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)視覺和人工嗅覺分別采集臘肉的顏色或菌斑面積特征信息和揮發(fā)性氣體值，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS傳遞給上位機(jī)，數(shù)據(jù)分析后將結(jié)果返回，實(shí)現(xiàn)對(duì)臘肉新鮮度的快速、便攜檢測(cè)。試驗(yàn)表明：該檢測(cè)終端具有很好的精確度和可操作性,檢測(cè)誤差保持在[-0.38,0.21]區(qū)間內(nèi)。關(guān)鍵詞：臘肉；新鮮度；模式識(shí)別；計(jì)算機(jī)視覺；人工嗅覺

臘肉腐敗是一個(gè)漸進(jìn)而復(fù)雜的生化反應(yīng)過程。臘肉新鮮度是關(guān)于臘肉的風(fēng)味、滋味、色澤、口感和微生物等衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的綜合評(píng)價(jià)，它綜合反映了產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)性、安全性的可靠程度[1]。臘肉新鮮度按照中國(guó)GB 2722—1981分為新鮮、次新鮮和腐敗3個(gè)等級(jí)。臘肉變質(zhì)過程中氣味、顏色及菌斑面積特征能夠反映臘肉新鮮度變化程度[2]。樹莓派嵌入式ARM芯片具有多線程、并行處理功能、可裁剪指令、體積小、低功耗、成本低特點(diǎn)[3]，具有智能特點(diǎn)，能夠滿足臘肉新鮮度智能檢測(cè)的技術(shù)要求。本試驗(yàn)擬采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)提取臘肉的顏色及菌斑特征值，并用人工嗅覺技術(shù)測(cè)量臘肉氨氣、硫化氫氣體，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS傳遞給上位機(jī)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)多數(shù)據(jù)融合分析后，將檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果返回，以實(shí)現(xiàn)對(duì)臘肉新鮮度的快速檢測(cè)。并利用嵌入式技術(shù)研發(fā)一款快速輕便的手持終端。

1　手持移動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)

硬件包括嵌入式核心模塊、臘肉及顏色、菌斑數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見圖1。

嵌入式核心模塊包括樹莓派開發(fā)版、LCD顯示器、GPRS通信模塊、各通信接口；臘肉嗅覺采集包括氣體傳感器模塊、顏色、菌斑數(shù)據(jù)采集包括帶放大100倍的OV5647顯微圖像采集模塊。

在臘肉腐敗過程中，在自身酶和外界微生物的作用下，臘肉菌斑面積會(huì)逐步增加，同時(shí)產(chǎn)生易揮發(fā)的氨氣和硫化氫氣體。蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生氨氣(NH3)和硫化氫氣體(H2S)有毒物質(zhì)。此有毒物質(zhì)與腐敗過程中分解產(chǎn)生的有機(jī)酸結(jié)合，形成具有揮發(fā)性的鹽基態(tài)氮而集聚在臘肉中。揮發(fā)性鹽基氮 (total volatile basic nitrogen，TVB-N)[4]是臘肉揮發(fā)的氣體濃度。因此，將嗅覺傳感器檢測(cè)到的H2S和NH3氣味作為臘肉新鮮度等級(jí)判別的參數(shù)之一。依據(jù)中國(guó)食品安全標(biāo)準(zhǔn)(GB 2722—1981)：揮發(fā)性鹽基氮含量大于25 mg/100 g為腐敗臘肉；含量15～25 mg/100 g為次鮮臘肉；小于15 mg/100 g時(shí)，為新鮮臘肉。

在腐敗過程中，臘肉表面呈粘稠性，紅色度下降，菌斑面積會(huì)逐步變大[5-6]，表面顏色亮度會(huì)增加，反光度會(huì)增加。因此，采集臘肉氣味及表面顏色、菌斑圖像特征信息進(jìn)行多數(shù)據(jù)融合，進(jìn)行臘肉新鮮度的模式識(shí)別。

1.1樹莓派處理器開發(fā)平臺(tái)

采用樹莓派開發(fā)板(Raspberry Pi B型)[6]，它是一款基于ARM的微型電腦主板，配置一枚700 MHz的BCM2835，512 M的內(nèi)存，見圖2。

樹莓派的處理器是基于ARM11的Broadcom BCM2835片上系統(tǒng)(System-on-chip，SoC)。BCM2835包括CPU、GPU (Graphics Processing Unit)圖像處理單元和512 M內(nèi)存。擁有CMOS Sensor Interface(CSI)攝像頭接口，SD卡接口，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，兩個(gè)USB接口，配備HDMI和RCA端子輸出支持。它是基于ARM6結(jié)構(gòu)指令集設(shè)計(jì)，具有并行處理功能、可裁剪指令、體積小、低功耗、成本低特點(diǎn)。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2　Raspberry Pi B型開發(fā)板結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

1.2顯微圖像采集模塊

郭培源等[7]依據(jù)色度理論，建立了用于研究豬肉新鮮度色度模式識(shí)別量化標(biāo)準(zhǔn)。研究?jī)?nèi)容包括所采集的圖像以JPG存儲(chǔ)的RGB模型結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變HIS顏色模型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換過程：

(1)

(2)

(3)

式中：

R、G、B——分別代表紅色、綠色和藍(lán)色；

H、S、I——分別代表色調(diào)、飽和度和強(qiáng)度。

將采集的H、S、I數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS傳遞給上位機(jī)，經(jīng)與中國(guó)GB 16869—2005《鮮、凍禽產(chǎn)品》對(duì)比，可初步判斷出臘肉品質(zhì)的等級(jí)。

在夏日正常燈光照射下，臘肉色澤的變化見圖3。新鮮臘肉呈現(xiàn)淡紅色，表面反光度小，腐敗臘肉呈藍(lán)紅色，表面反光度增強(qiáng)。圖4是放大100倍顯微圖像下的臘肉變質(zhì)過程中菌斑面積生長(zhǎng)繁殖圖。

1.3嗅覺氣味模塊

在特定的環(huán)境中，臘肉通過自身酶和微生物的作用后，其蛋白質(zhì)會(huì)加速分解，易產(chǎn)生NH3、H2S等易揮發(fā)性氣體。氣味傳感器的輸出電阻值與臘肉釋放出的NH3、H2S氣味濃度呈線性關(guān)系。氣味數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)裝置見圖5。為了避免實(shí)時(shí)檢測(cè)中，某一個(gè)傳感器失效時(shí)終端設(shè)備無法正常工作，提高檢測(cè)的可靠性，本試使用3個(gè)NH3嗅覺氣味傳感器MQ137；3個(gè)H2S嗅覺氣味傳感器MQ136。

圖6為傳感器數(shù)據(jù)流程圖。傳感器采集的數(shù)據(jù)不是直接傳送給樹莓派，需要經(jīng)過YL_40模塊的模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換，然后通過I2C串口傳給樹莓派系統(tǒng)。采用YL_40模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，YL_40模塊主要是基于PCF8591的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)模塊。

嗅覺氣味傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)上傳到上位機(jī)，并與GB 2722—1981進(jìn)行比較。圖7為80組NH3、H2S傳感器氣味濃度值與TVB-N的對(duì)應(yīng)值，每隔1 h采集一次數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，隨著臘肉變質(zhì)過程的延續(xù)，TVN-B值呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)。

1.4GPRS傳輸模塊

GPRS(General Packet Radio Service)[8]是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是第二代移動(dòng)通信技術(shù)。樹莓派處理器主板采用內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧連接GPRS工作模式，通過GPRS模塊和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)在手持終端與上位機(jī)之間交換[9]。嗅覺傳感器將采集到的臘肉NH3、H2S氣味及臘肉表面色度及菌斑顯微圖像特征信息數(shù)據(jù)通過GPRS(見圖8)上傳給上位機(jī)。將RS232串口數(shù)據(jù)線通過USB口轉(zhuǎn)換與GPRS模塊連接，為確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃?，所采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程雙向信息交換。由于雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息有顯微圖像信息和嗅覺氣味信息，顯微圖像信息占有較大的字節(jié)數(shù)，顯微攝像頭OV5647將采集到的臘肉表面色度及菌斑顯微圖像信息需要壓縮為JPEG格式。

圖3　新鮮臘肉與腐敗臘肉的灰度圖

圖4　臘肉變質(zhì)過程中的菌斑面積生長(zhǎng)繁殖圖

圖5　氣味采集試驗(yàn)裝置示意圖

圖6　傳感器數(shù)據(jù)流程圖

圖7　氣味對(duì)應(yīng)的TVB-N

本試驗(yàn)采用的GPRS模塊與樹莓派開發(fā)板通信有兩種方式：① IComsat通過UART接口與DVK511擴(kuò)展板相連，然后連接樹莓派開發(fā)板；② 通過USB轉(zhuǎn)UART模塊(PL2303)直接與樹莓派開發(fā)板通信。其內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，支持TCP/UDP通信。GPRS程序流程見圖9。

圖8　GPRS傳輸模塊

圖9　GPRS程序流程圖

數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了信息通信功能和數(shù)據(jù)傳輸功能。采用傳輸方式：

void RxInit(uint16_t start_comm_tmout, uint16_t max_interchar_tmout)；

byte IsRxFinished(void)；

byte IsStringReceived(char const *compare_string)；

byte WaitResp(uint16_t start_comm_tmout, uint16_t max_interchar_tmout)；

byte WaitRespAdd(uint16_t start_comm_tmout, uint16_t max_interchar_tmout,char const *expected_resp_string)；

char SendATCmdWaitResp(char *AT_cmd_string,uint16_tstart_comm_tmout, uint16_t max_interchar_tmout, char const *response_string, byte no_of_attempts)；

初始化串口后，通過AT+data指令控制GPRS模塊，包括GPRS協(xié)議、接入點(diǎn)等設(shè)置，連接方式包括設(shè)置類別、接入點(diǎn)等。

IComsat拓展板采用基于SIM900的GPRS開發(fā)板，相對(duì)于工業(yè)級(jí)的GPRS 模塊，它提供了豐富的開發(fā)引腳。

設(shè)置指令：建立TCP連接、設(shè)置上位機(jī)IP與端口號(hào)、停止GPRS模塊工作等。

2　嵌入式手持終端實(shí)現(xiàn)

嵌入式手持終端設(shè)備主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)上傳臘肉顯微圖像信息和氣味信息，接受上位機(jī)反饋的檢測(cè)結(jié)果。

2.1臘肉新鮮度模式識(shí)別

臘肉新鮮度模式識(shí)別是在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的。模式識(shí)別算法由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多數(shù)據(jù)融合預(yù)測(cè)TVB-N含量模塊及SOM網(wǎng)絡(luò)的臘肉新鮮度分級(jí)系統(tǒng)模塊規(guī)則庫(kù)組成。

上位機(jī)根據(jù)接收的臘肉變質(zhì)過程中氨氣、硫化氫、顏色值、顯微圖像值，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多數(shù)據(jù)融合獲得輸出值。在SOM網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行聚類分析，得到新鮮、次新鮮、腐敗臘肉等級(jí)的聚類中心，得到TVB-N含量數(shù)據(jù)序列。根據(jù)不同聚類中心的TVB-N值以及不同聚類中間之間的距離，建立臘肉新鮮度等級(jí)的分級(jí)規(guī)則庫(kù)。工作中，當(dāng)上位機(jī)檢測(cè)到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多數(shù)據(jù)融合輸出某一樣本特征數(shù)據(jù)后，將特征數(shù)據(jù)組送到分級(jí)規(guī)則庫(kù)中，經(jīng)過比較分析預(yù)測(cè)出該樣品的TVB-N值，最終確定該樣品的新鮮度等級(jí)。以四川樂山的臘肉為試驗(yàn)對(duì)象，將采集的樣本分割為4 cm×4 cm×2 cm的肉塊，共采集40個(gè)樣本。用30個(gè)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，10個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)試。臘肉新鮮度模式識(shí)別結(jié)構(gòu)見圖10。

2.2手持檢測(cè)終端試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)證明，對(duì)于每一組上傳到上位機(jī)氣味及顯微圖像原始數(shù)據(jù)及返回到手持終端檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，新鮮臘肉、次新鮮臘肉、腐敗臘肉3個(gè)測(cè)量結(jié)果與GB 2722—1981臘肉新鮮度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，誤差范圍比較小，檢測(cè)誤差保持在[-0.38,0.21]區(qū)間內(nèi)，能滿足對(duì)臘肉新鮮度的模式識(shí)別，見圖11。

圖10　臘肉新鮮度模式識(shí)別結(jié)構(gòu)圖

圖11　手持檢測(cè)終端的試驗(yàn)誤差分析

手持檢測(cè)終端硬件和軟件能很好地完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，有很好的人機(jī)交互界面，最終將檢測(cè)結(jié)果顯示在手持終端界面上，臘肉檢測(cè)手持終端系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖12。

圖12　臘肉檢測(cè)手持終端實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

本試驗(yàn)從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了一款基于嵌入式樹莓派Raspberry Pi的手持臘肉檢測(cè)終端。利用計(jì)算機(jī)顯微視覺技術(shù)和人工嗅覺技術(shù)分別采集臘肉的揮發(fā)性氣體、顏色及菌斑面積特征信息，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS上傳給上位機(jī)，經(jīng)過臘肉新鮮度等級(jí)的分級(jí)規(guī)則庫(kù)分析，將檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果返回手持式檢測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)臘肉新鮮度的便攜模式識(shí)別。能很好地完成臘肉的新鮮度分級(jí)與檢測(cè)，與中國(guó)GB 2722—1981臘肉新鮮度生化檢測(cè)結(jié)果比較誤差較小。該技術(shù)方案可為今后的臘肉檢測(cè)設(shè)備研制提供試驗(yàn)依據(jù)。

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Research and realization on bacon detection on embedded handheld terminal

GUO Pei-yuanXUPanDONGXiao-dongXUJing-jingLIUYan-fang

(BeijingTechnologyandBusinessUniversity,SchoolofComputerandInformationEngineering,Beijing, 100048,China)

The handheld terminal bacon detection system based on Raspberry Pi was investigated and applicated in this paper. The computer vision and artificial olfactory were used to collect the bacon color characteristic value and Plaque as so as the concentration of volatile gases, respectively. Moreover the collected data were transfer to the host computer through the GPRS, and then the analyses were returned. Thus we realized the rapid and portable detection of the bacon freshness. Our experiments verified that the terminal could work with good detection accuracy and operability.

bacon; freshness; pattern recognition; computer vision; artificial olfaction

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(編號(hào)：61473009)；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：4122020)

郭培源(1958-)，男，北京工商大學(xué)教授，博士。

E-mail：ggppyy@126.com

2016-01-05

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.010