便攜式大米多品質(zhì)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉亞超 李永玉 彭彥昆 韓東海 丁繼剛 王 綺

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

大米中淀粉和蛋白質(zhì)約占90%。淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，直鏈淀粉含量與大米硬度、凝聚性、膠黏性、回彈性呈顯著相關(guān)[1-6]；而蛋白質(zhì)含量影響米粒的蒸煮吸水性，與感官品質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)[7-9]。直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量是大米食用品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)外基于近紅外光譜的大米直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量快速檢測(cè)相關(guān)研究較多，建立了大米直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量無(wú)損檢測(cè)預(yù)測(cè)模型[10-15]，也有研究人員基于漫透射光譜建立了相關(guān)的預(yù)測(cè)模型[16-17]，但均未涉及實(shí)際應(yīng)用裝置。近些年來(lái)，應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的便攜式無(wú)損檢測(cè)裝置的研究一直是熱點(diǎn)之一[18-23]，但鮮有大米多品質(zhì)檢測(cè)裝置的相關(guān)報(bào)道。國(guó)內(nèi)研究人員以多個(gè)特征波長(zhǎng)下的LED作為光源、光敏電阻作為探測(cè)器研發(fā)了便攜式大米蛋白質(zhì)檢測(cè)裝置[24-25]，攜帶方便，但檢測(cè)誤差較大。日本有基于近紅外光譜的臺(tái)式大米品質(zhì)檢測(cè)裝置[9]，但價(jià)格昂貴，體積相對(duì)較大，不方便攜帶，無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本文基于近紅外漫透射光補(bǔ)償光譜分析技術(shù)，設(shè)計(jì)便攜式大米多品質(zhì)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)儀，編寫實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制軟件，以秈米為研究對(duì)象建立含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量預(yù)測(cè)模型，將其植入便攜式檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)大米品質(zhì)的實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

1.1 原理

近紅外光譜的檢測(cè)方式主要有漫反射和漫透射，大米中的直鏈淀粉、蛋白質(zhì)等主要吸收波段位于長(zhǎng)波近紅外區(qū)域[6,11,16]，而長(zhǎng)波近紅外穿透力較弱，因此谷物檢測(cè)多數(shù)采用漫反射檢測(cè)方式，而大米顆粒中營(yíng)養(yǎng)成分相對(duì)分布不均勻，采用漫透射檢測(cè)方式更能反映內(nèi)部信息[22,26]。本文基于漫透射原理選用900～1 700 nm波段，用光補(bǔ)償方法改善長(zhǎng)波近紅外穿透力弱而引起的信噪比低等問(wèn)題。大米多品質(zhì)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)儀主要由光譜采集單元、光源單元、控制與顯示單元構(gòu)成，如圖1所示。自行設(shè)計(jì)的環(huán)形光源發(fā)出來(lái)的光從底部均勻照射在固定厚度的大米樣品上，透過(guò)大米樣品的漫透射光部分直接通過(guò)聚焦準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光譜儀，未被采集到的光照射到補(bǔ)償杯上，經(jīng)補(bǔ)償杯反射再次返回樣品表面，經(jīng)樣品表面漫反射后可以再次被光譜儀采集。通過(guò)聚焦準(zhǔn)直透鏡和光補(bǔ)償杯的配合，有效彌補(bǔ)了長(zhǎng)波近紅外穿透力弱而導(dǎo)致的信號(hào)弱的不足，提高了信噪比。采集的光譜數(shù)據(jù)由USB串口線傳輸至微型處理器，處理器對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的光譜數(shù)據(jù)代入預(yù)測(cè)模型，最后將采集的樣品光譜和預(yù)測(cè)值顯示在屏幕上。

圖1 檢測(cè)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of detector system

1.2 硬件部分

圖2 便攜式大米多品質(zhì)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)儀Fig.2 Portable multi-quality nondestructive rice detector1.光譜儀 2.單片機(jī) 3.按鍵 4.Windows處理器 5.開(kāi)關(guān) 6.電池 7.燈珠 8.燈杯 9.物料盒 10.光補(bǔ)償杯 11.透鏡

基于對(duì)光譜采集單元、光源單元、控制與顯示單元內(nèi)部硬件布置以及后期裝置維護(hù)等因素的綜合考慮，整機(jī)采用模塊設(shè)計(jì)思想，分別將光源單元、光譜采集單元、控制與顯示單元分別置于3個(gè)獨(dú)立的殼體中，將3個(gè)單元通過(guò)殼體與殼體間裝配槽巧妙連接在一起，并形成檢測(cè)暗室，保證光譜儀采集的樣品信息不受外部干擾。如圖2所示，大米多品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)儀尺寸為207 mm×90 mm×148 mm，單手即可完成操作。

1.2.1光譜采集單元

光譜采集單元由聚焦準(zhǔn)直透鏡、光補(bǔ)償杯及光譜儀組成，光譜儀直接與聚焦準(zhǔn)直透鏡相連，聚焦準(zhǔn)直透鏡上固定了環(huán)形光補(bǔ)償杯，如圖3所示。根據(jù)淀粉、蛋白質(zhì)等吸收波段，通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)及多種光譜儀的分辨率、體積、結(jié)構(gòu)等比較分析，選擇了波長(zhǎng)范圍為900～1 700 nm的德國(guó)Insion公司生產(chǎn)的NIR-NT型近紅外光譜儀，體積較小(尺寸為67 mm×36 mm×22 mm)。

圖3 漫透射光補(bǔ)償系統(tǒng)Fig.3 Diffuse transmission light compensation system1.光譜儀 2.聚焦準(zhǔn)直透鏡 3.光補(bǔ)償杯 4.物料盒 5.環(huán)形光源

多數(shù)近紅外檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)光纖將信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀，但光信號(hào)在光纖傳輸中會(huì)損失一部分能量，而且光纖脆性較大，其最小彎曲半徑仍較大，無(wú)法滿足

便攜式設(shè)備狹小空間要求。本文選用聚焦準(zhǔn)直透鏡作為光譜儀檢測(cè)探頭，不僅保證了光信號(hào)傳輸效率，而且防止灰塵進(jìn)入光譜儀，保證光譜儀穩(wěn)定性。光譜儀-光纖、光譜儀、光譜儀-聚焦準(zhǔn)直透鏡3種不同采集方式，在積分時(shí)間為10 ms條件下采集白參考的光譜信號(hào)強(qiáng)度如圖4所示,說(shuō)明使用聚焦準(zhǔn)直透鏡可有效提高光譜信號(hào)強(qiáng)度。

圖4 不同采集方式下的光譜信號(hào)強(qiáng)度Fig.4 Spectral signal intensity by different acquisition methods

長(zhǎng)波近紅外穿透力相對(duì)較弱，采集的光譜信噪比較低，本文設(shè)計(jì)了一種漫透射光補(bǔ)償采集系統(tǒng)，如圖3所示。透過(guò)大米樣品的漫透射光部分直接通過(guò)聚焦準(zhǔn)直透鏡傳輸?shù)焦庾V儀，未被采集到的光會(huì)照射到補(bǔ)償杯上，經(jīng)補(bǔ)償杯反射再次返回樣品表面，經(jīng)樣品表面漫反射后可以再次被光譜儀采集。光補(bǔ)償前、后采集同種樣品的卷積求導(dǎo)SGD(2,3,7)預(yù)處理光譜曲線如圖5所示，結(jié)果顯示漫透射光補(bǔ)償采集系統(tǒng)有效降低了采集光譜噪聲。

圖5 預(yù)處理光譜曲線SGD(2,3,7)Fig.5 Pretreatment spectral curves SGD (2,3,7)

1.2.2光源單元

光源單元主要由鹵鎢燈珠和燈杯組成，燈杯上部緊靠在圓柱形物料盒(高12 mm)自動(dòng)形成暗室。經(jīng)多種燈源比較分析選用D1R鹵素儀型燈珠(12V/2W),其發(fā)射波長(zhǎng)可以涵蓋900～1 800 nm，光源的響應(yīng)光譜曲線如圖6所示。光源單元有6個(gè)D1R鹵素儀型燈珠，其中5個(gè)組成環(huán)形光源，1個(gè)位于所述環(huán)形燈源的中心，如圖7所示。

圖6 光源響應(yīng)光譜Fig.6 Light source response spectrum

圖7 環(huán)形光源Fig.7 Ring light source

1.2.3溫控單元

圖8 不同溫度下光譜儀采集同一樣品的光譜Fig.8 Spectrometers collected spectra of the same sample at different temperatures

光譜儀有適宜的工作溫度，溫度過(guò)高光譜儀信噪比低，尤其是長(zhǎng)波段近紅外光譜儀極易受到溫度影響。光譜儀在不同溫度下采集的同一樣品光譜曲線如圖8所示，隨著光譜儀溫度的升高，1 450～1 690 nm波段內(nèi)噪聲逐漸增加。為保證光譜儀工作穩(wěn)定性，在光譜儀上加裝DS18B20型溫度傳感器，溫度超過(guò)32℃時(shí)小型單片機(jī)啟動(dòng)散熱裝置開(kāi)始散熱，當(dāng)溫度低于32℃時(shí)散熱裝置停止工作。

1.2.4供電單元

考慮光源和處理器工作電壓(5 V)相差過(guò)大，為保證整個(gè)檢測(cè)儀工作穩(wěn)定，分別給光源和處理器兩模塊單獨(dú)供電，為光源配備12 V穩(wěn)壓可充電電池組，容量為6 000 mA·h，尺寸為110 mm×60 mm，內(nèi)置在檢測(cè)儀內(nèi)部，可為光源持續(xù)供電7 h以上。另外，配備5 V/4 A電源適配器(尺寸為82 mm×48 mm)專為處理器供電，同時(shí)配置容量為15 000 mA·h的5 V穩(wěn)壓充電電池組，持續(xù)為處理器供電5 h以上，便于戶外檢測(cè)。

1.2.5校正參考設(shè)計(jì)

光譜儀的工作時(shí)間、光源以及電源性能等均會(huì)影響光譜的穩(wěn)定性，為消除這些外部因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，一般需要進(jìn)行黑白參考的校正。如圖9所示，圓柱形校正參考盒直徑(43 mm)與高度(12 mm)均與物料盒相同，校正參考盒上端先嵌入聚四氟乙烯白板，再在盒體上下端分別嵌入1.5 mm石英玻璃固定。

圖9 校正參考盒結(jié)構(gòu)Fig.9 Calibration of reference box structure1、4.石英玻璃 2.聚四氟乙烯白板 3.參考盒

1.2.6控制與顯示單元

控制與顯示單元需要完成光譜數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理，并將最終的預(yù)測(cè)結(jié)果傳輸?shù)斤@示終端，因此控制與顯示單元需要較快的運(yùn)算速度和多個(gè)適配接口。本檢測(cè)儀選擇了UP board Intel x86平臺(tái)開(kāi)發(fā)板，它是基于64位Windows系統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)主板，采用X5-Z8350(4 GB內(nèi)存，1.92 GHz主頻)處理器，擁有4個(gè)USB 2.0接口和一個(gè)HDMI接口，尺寸為85.60 mm×56.5 mm×15 mm，滿足設(shè)備小型化需求，并且兼容樹(shù)莓派(Raspberry Pi,Rpi)拓展，擁有與樹(shù)莓派相同定義的40 pin引腳。顯示模塊選擇了5寸高清液晶觸摸屏，屏幕分辨率為800像素×600像素，開(kāi)發(fā)板HDMI接口通過(guò)HDMI信號(hào)線與顯示屏相連，并將最后的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示在屏幕。

2 大米多品質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)模型

2.1 試驗(yàn)材料

黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的44種和市售的8種共52種秈稻，其中42個(gè)樣品用于建模，剩余10個(gè)樣品用于外部驗(yàn)證，秈稻使用精米機(jī)進(jìn)行脫殼處理，脫殼后的大米樣品放置室溫(20℃)下貯藏24 h消除溫度影響后作為待測(cè)樣品。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1光譜采集

利用自行設(shè)計(jì)的便攜式大米多品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)儀采集樣品的近紅外光譜，采集前將裝置預(yù)熱30 min，先采集校正參考并保存。每個(gè)品種分別選取5個(gè)子樣品，將選取的子樣品裝填物料盒，旋轉(zhuǎn)物料盒采集4條光譜，每個(gè)品種共采集20條光譜求平均值作為該樣品的原始光譜。采集的光譜為原始能量光譜，經(jīng)換算每個(gè)樣品的吸光度為

(1)

式中A——樣品吸光度

L——白參考的光譜強(qiáng)度，cd

D——黑參考的光譜強(qiáng)度，cd

S——樣品的光譜強(qiáng)度，cd

2.2.2標(biāo)準(zhǔn)理化值測(cè)定

光譜采集完成后，分別用干燥法[27]、分光光度法[28]、凱氏定氮法[29]測(cè)定大米樣品的含水率、直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)理化值。

2.3 光譜預(yù)處理和模型建立

大米樣品的吸光度光譜采用Savitzky-Golay卷積求導(dǎo)法(SG-D)進(jìn)行預(yù)處理，SG-D卷積求導(dǎo)法可以一次性完成平滑和求導(dǎo)，有效消除基線和其他背景的干擾，分辨重疊峰提高分辨率和靈敏度。42個(gè)大米品種的吸光度原始曲線和SG-D一階卷積求導(dǎo)及SG-D二階卷積求導(dǎo)預(yù)處理后的光譜曲線如圖10所示。

基于SG-D預(yù)處理后的光譜曲線分別建立含水率、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏最小二乘預(yù)測(cè)模型(Partial least squares，PLS)，結(jié)果如圖11所示。含水率、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的校正集相關(guān)系數(shù)分別為0.980 3、0.977 0和0.932 3，校正集均方根誤差分別為0.279 1%、0.727 4%和0.204 5%；驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)分別為0.979 3、0.957 1和0.924 9，驗(yàn)證集均方根誤差分別為0.300 9%、1.106 7%和0.212 7%。

圖10 大米漫透射光補(bǔ)償光譜Fig.10 Diffuse transmission light compensation spectra of rice

圖11 測(cè)量值和預(yù)測(cè)值散點(diǎn)圖Fig.11 Scatter plots of measured and predicted values

3 嵌入式應(yīng)用軟件

圖12 大米多品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)軟件界面及流程圖Fig.12 Rice multi-quality parameter tester software and workflow

如圖12a所示，基于MFC程序開(kāi)發(fā)軟件，使用C/C++語(yǔ)言編寫了大米多品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)儀實(shí)時(shí)分析控制軟件程序。軟件主要由3個(gè)模塊組成：光譜儀控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊。光譜儀控制模塊是向光譜儀發(fā)送采集光譜指令并將采集到的光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊是對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行吸光度轉(zhuǎn)換和相應(yīng)預(yù)處理，并將得到的預(yù)處理數(shù)據(jù)帶入預(yù)先植入模型獲取大米含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量的預(yù)測(cè)結(jié)果；顯示模塊是將獲取的大米各品質(zhì)信息顯示在屏幕上。如圖12b所示，便攜式大米多品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)儀工作前先對(duì)光譜儀進(jìn)行黑白校正并保存數(shù)據(jù)，將待測(cè)大米樣品放入圓柱形物料盒置于檢測(cè)區(qū)域，點(diǎn)擊光譜采集按鈕自動(dòng)進(jìn)行光譜采集、光譜預(yù)處理和待測(cè)樣品品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)，待測(cè)樣品的光譜數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果將實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取沒(méi)有參與建模的10個(gè)秈米品種，對(duì)所設(shè)計(jì)的便攜式大米品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)儀進(jìn)行了檢測(cè)精度和穩(wěn)定性驗(yàn)證。10種秈米樣品每個(gè)樣品采集3次，以3次大米含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果變異系數(shù)衡量裝置的穩(wěn)定性，再用大米含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)理化值對(duì)比分析驗(yàn)證便攜式大米品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)儀檢測(cè)精度。大米樣品的含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)理化值的相關(guān)系數(shù)分別為0.972 7、0.940 9和0.901 5，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.363 2%、1.318 1%和0.243 0%，平均偏差分別為1.506 6%、2.013 4%和0.379 4%，其散點(diǎn)圖如圖13所示。每個(gè)樣品重復(fù)預(yù)測(cè)3次，含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)結(jié)果最大變異系數(shù)分別為0.024、0.079和0.034。結(jié)果表明，便攜式大米多品質(zhì)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)儀預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定性均滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)要求。

圖13 檢測(cè)儀測(cè)試結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.13 Scatter plot of test results of detector

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了便攜式大米多品質(zhì)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)儀，包括光譜采集單元、光源單元、控制與顯示單元、供電單元、專用參考校正盒等，光譜采集單元通過(guò)光補(bǔ)償杯和聚焦準(zhǔn)直透鏡有效提高了采集光譜的信噪比。整個(gè)裝置尺寸為207 mm×90 mm×148 mm，攜帶方便，避免了現(xiàn)有分析儀器體積大的弊端。

(2)建立了大米含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量的預(yù)測(cè)模型，原始光譜卷積求導(dǎo)預(yù)處理后建立的秈米含水率、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏最小二乘預(yù)測(cè)模型，校正集相關(guān)系數(shù)分別為0.980 3、0.977 0、0.932 3，均方根誤差分別為0.279 1%、0.727 4%、0.204 5%；驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)分別為0.979 3、0.957 1、0.924 9，均方根誤差分別為0.300 9%、1.106 7%、0.212 7%。

(3)基于MFC軟件開(kāi)發(fā)工具，采用C/C++語(yǔ)言編寫了實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制軟件，并將秈米含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏最小二乘預(yù)測(cè)模型植入便攜式檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了大米品質(zhì)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)一鍵式操作。

(4)試驗(yàn)驗(yàn)證了便攜式大米品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)儀的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，預(yù)測(cè)的大米含水率、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大變異系數(shù)分別為0.024、0.079、0.034；大米樣品的含水率、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)理化值的相關(guān)系數(shù)分別為0.972 7、0.940 9、0.901 5，預(yù)測(cè)均方根誤差分別為0.363 2%、1.318 1%、0.243 0%。這表明自行設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)大米含水率、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)。