一套基于智能手機(jī)的食品質(zhì)量檢測系統(tǒng)

趙亮 朱志慧 李壯壯 徐匯 許露 劉麗麗 郭亞

摘要：光譜檢測能夠?qū)κ称返慕M織成分進(jìn)行分析，因其高效性、無損性而被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)中。但目前常用的光譜儀體積大、價格昂貴，在日常生活中難以被推廣使用。針對此問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個基于智能手機(jī)的食品質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通過程序控制手機(jī)屏幕的顏色來改變激發(fā)光波長，并利用手機(jī)的前置相機(jī)采集紅色（R）、綠色（G）及藍(lán)色（B）激發(fā)光照射下的圖像，通過所測圖像和數(shù)據(jù)來對食品的質(zhì)量進(jìn)行分析和評價。日常所購食品中含有各種色素添加劑、果蔬中含有葉綠素，因其主要化學(xué)成分不同，對R、G、B3種光的吸收與反射也就不同，同時手機(jī)的R、G、B 3種光本身都具有一定的帶寬，因此本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有可靠的理論依據(jù)和一定的實(shí)用價值。本研究也通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：食品質(zhì)量檢測；智能手機(jī)；蔬菜新鮮度；水果質(zhì)量；食品色素

中圖分類號：TP391. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6487 （2018） 01-0096-04

0 引言

《“十三五”國家食品安全規(guī)劃》指出：保障食品安全是建設(shè)健康中國、增進(jìn)人民福祉的重要內(nèi)容，是以人民為中心發(fā)展思想的具體體現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與繁榮，人們對于食品的要求也越來越高，食品加工行業(yè)開始研制各類食品添加劑并加入到食品之中，雖在提高食品的味覺享受的同時也帶來了一定的食品安全隱患。

食品添加劑工業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅G色安全食品添加劑將成為發(fā)展的主流方向。我國政府相關(guān)部門一直以來十分重視食品安全標(biāo)準(zhǔn)，在有關(guān)食品添加劑管理的法規(guī)中對所有添加劑的使用劑量都有嚴(yán)格限制。食品添加劑的超量使用會對人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，因此有效地監(jiān)測食品添加劑用量，對保障食品安全具有重要意義。

食品添加劑的檢測分析技術(shù)的研究主要包括兩個方面：一方面是對已知目標(biāo)的檢測分析方法的研究，如酚類抗氧化劑的檢測；另一方面是適用檢測對象廣的新的檢測技術(shù)，如毛細(xì)管電泳技術(shù)、高效液相色譜。

光譜儀是分析物質(zhì)化學(xué)組成及物理結(jié)構(gòu)的重要分析儀器。相比傳統(tǒng)大型光譜儀器，微型光譜儀使用靈活度更高，并且能嵌入到很多設(shè)備中，廣泛地應(yīng)用到多個領(lǐng)域[1]。隨著MEMS技術(shù)、先進(jìn)加工技術(shù)、光電傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，微型光譜儀的性能也在逐步提升。2014年，由以色列Consumer Physics公司推出的便攜式光譜儀Scio，可以通過對物品材料發(fā)散近紅外線，活躍材料中的分子，通過分析由分子振動反射的光線，就能根據(jù)光線的獨(dú)特光學(xué)特征識別，由此確定材料的化學(xué)成分組成。2015年Huseyin Ayvaz等利用micro PHAZIRTMRx手持式紅外光譜儀和Cary630傅里葉紅外光譜儀對薯片內(nèi)丙烯酰胺的含量進(jìn)行篩選[2]。Field Spec Hand Held2TM （ADS公司生產(chǎn)）手持式近紅外光譜儀配有彩色液晶顯示屏，使用該儀器可測定馬鈴薯的多酚含量番茄紅素和可溶性固形物含量[3]，微型光譜儀的使用逐漸在科學(xué)領(lǐng)域推廣開來。

雖然國內(nèi)對近紅外光譜儀的研制起步較晚，近幾年部分科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)對儀器的研制和軟件開發(fā)取得了一定的進(jìn)展，但仍需更多的理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。由于應(yīng)用行業(yè)缺乏對近紅外光譜分析技術(shù)的理解與使用，科研行業(yè)大多使用精度更高的大型光譜儀器，這就導(dǎo)致國內(nèi)近紅外技術(shù)發(fā)展緩慢[4]。本研究根據(jù)我國近紅外光譜儀的發(fā)展?fàn)顩r，提出對光譜儀軟件的應(yīng)用加入儀器的遠(yuǎn)程自檢和故障診斷功能，做到“光譜儀器（或傳感器）+智能移動控制平臺+移動網(wǎng)絡(luò)=移動云光譜檢測系統(tǒng)”，可以讓一位具備精通數(shù)據(jù)處理和光譜分析的高手遠(yuǎn)程為儀器的使用者提供及時準(zhǔn)確的服務(wù)，真正意義上做到數(shù)據(jù)共享、資源共享和人才共享[5]。

通常應(yīng)用在食品檢測領(lǐng)域的光譜儀體積大、價格昂貴。應(yīng)用“分析儀器+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”模型，以智能手機(jī)為基礎(chǔ)的光學(xué)儀器開發(fā)，能夠大幅節(jié)約成本，便于推廣[6]。因此基于智能手機(jī)的食品添加劑光譜檢測儀兼具有很大的研究價值。雖然智能手機(jī)的激發(fā)光波長有限，但很多食品含有各種色素添加劑以及果蔬含有葉綠素等，其化學(xué)成分不同[7]，對R、G、B3種光的吸收與反射也不同，加上手機(jī)的R、G、B3種光本身都具有一定的帶寬，因此從理論上保證了本系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出一套軟件[8]，使其可以通過程序控制手機(jī)屏幕的顏色改變激發(fā)光的波長，利用手機(jī)的前置相機(jī)采集紅色（R）、綠色（G）及藍(lán)色（B）激發(fā)光照射下的圖像，獲取一套基于智能手機(jī)的食品質(zhì)量檢測方法，嵌入到智能手機(jī)上，本軟件的流程圖如圖l所示[9]。

部分設(shè)計(jì)代碼如下：

（1）打開手機(jī)相冊獲取圖片后截取圖片[10]。

（2）使用getPixel獲取圖片各點(diǎn)的像素值，并通過OnTouchListener傳遞屏幕觸摸點(diǎn)的像素值[11]。

（3）將各點(diǎn)像素值相加然后除以點(diǎn)數(shù)，得到平均RGB值[12]。

2 實(shí)驗(yàn)及討論

2.1 常見色素水溶液實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取棕色色素和葡萄紫色素[13]，分別取兩個玻璃杯，用燒杯量取150mL的水加在玻璃杯中，然后每次分別向每個玻璃杯中加入1mL的棕色色素和葡萄紫色素，進(jìn)行5次，檢測其像素值變化。見圖2所示。進(jìn)行7組實(shí)驗(yàn)后[14]，求得各組數(shù)據(jù)的平均值以減小實(shí)驗(yàn)誤差。可見在有些肉眼不太好辨別的情況下，RGB像素值可以很明顯反應(yīng)顏色由淺到深的變化，RGB的趨勢變化見圖3、圖4所示[15]。

2.2芬達(dá)飲料和色素實(shí)驗(yàn)

取10mL的芬達(dá)飲料[16]，分別加入1/3mL果綠色色素、2/3mL果綠色色素。測得的數(shù)據(jù)如表3所示，RGB的趨勢變化見圖5。

由于樣本容量比較小，一次加入色素之后顏色發(fā)生了明顯的變化，像素值也發(fā)生了較大的改變，其中R、B的斜率變化特別大，可見綠色的飲料對于R、B的響應(yīng)很好，而對于G的響應(yīng)較差[17]。飲料的保質(zhì)期較短，帶色飲料的顏色也會隨時間改變而變淺，因此我們也可以通過測定飲料的像素值來制定一個標(biāo)準(zhǔn)，像素值在一定范圍類的飲料為安全飲料[18]。

2.3芒果成熟度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取了3個芒果，記為1、2、3號。1號較特殊（一半未成熟為青色，一半已成熟），2號較成熟，3號完全成熟（圖6）。進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)以減小誤差[19]。芒果的測試數(shù)據(jù)如表4所示。

由圖7、圖8芒果成熟度折線圖可以分析出，芒果由青色到成熟R和G的上升是很明顯的，R和B有一種線性上升的趨勢，而B值幾乎不變，可以初步猜測芒果的B值與其成熟度關(guān)系不太大[20]。對于成熟芒果的3種情況對比，3個芒果的RGB值幾乎為一個直線，變化很小，可以初步猜測當(dāng)芒果的R和G值超過某一閾值如205和160就成熟了。

由于智能手機(jī)自身的內(nèi)存小，處理能力有限，還需要進(jìn)一步改進(jìn)代碼來提升軟件的處理速度。在未來研究中，數(shù)據(jù)分析水平需要提高，以及獲取的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展，以獲得更加準(zhǔn)確且具有特征性的數(shù)值[21]。

3 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，基于智能手機(jī)的檢測方法飛速進(jìn)步是必然的趨勢，手機(jī)檢測將走進(jìn)人們的生活。此外，智能手機(jī)的更新?lián)Q代也是十分快速的，相關(guān)的配件也越來越精密，如攝像頭、光學(xué)傳感器、手機(jī)性能、手機(jī)屏幕。可見，基于智能手機(jī)的檢測方法有著很好的發(fā)展前景。同時，隨著這個食品質(zhì)量檢測系統(tǒng)的不斷成熟與完善，食品安全和人民身體健康將會得到保障，在其應(yīng)用價值和應(yīng)用范圍上有著重大的意義[22]。

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