基于單片機系統(tǒng)和生物阻抗的魚體貯藏方式檢測技術

沈慧星 陶涵虓 潘慧瑤 張?zhí)焯?滕卓然 周 梅

(1.中國農(nóng)業(yè)大學理學院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院， 北京 100083)

0 引言

目前，市場上出售的冷藏魚有冰鮮魚和解凍魚兩種。冰鮮魚是指捕獲后一直保藏在4℃以下而未凍結的魚，通常貯藏時間在10 d以內(nèi)；解凍魚是指捕獲后經(jīng)過冷凍貯藏(-18℃以下)一段時間再解凍的魚，魚在冷凍貯藏時可以貯藏6～12個月，具有較長的貯藏期[1]。冰鮮魚的肉質(zhì)風味和口感較佳，且營養(yǎng)價值較高，通常市場價格高于解凍魚[2-3]。一些經(jīng)銷商為了追求利潤，將解凍魚作為冰鮮魚銷售，嚴重損害了消費者利益。因此有必要對冰鮮魚和解凍魚進行鑒別[4]。人工鑒別這兩種魚較為困難，且目前還沒有快速有效的鑒別方法。因此，快速、有效地鑒別冰鮮魚和解凍魚成為急需解決的技術問題。

關于魚類等水產(chǎn)品的品質(zhì)檢測國內(nèi)外已有學者進行了相關研究[5-14]。這些研究能較為直觀地檢測魚類等水產(chǎn)品的鮮度，但是大多是從生物化學角度出發(fā)[15-18]，對魚體貯藏方式(冷凍和冰鮮)的檢測尚未見報道。

魚體凍結后，由于冰晶的形成而擠壓細胞，造成魚體部分細胞的破裂，導致解凍后部分液汁流失。而液汁中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和風味物質(zhì)(如游離氨基酸、肌苷酸等物質(zhì))，因此導致魚的口感和營養(yǎng)品質(zhì)顯著降低[19-20]。與解凍魚不同，冰鮮魚魚體一直貯藏在0～4℃的條件下，魚體沒有經(jīng)過凍結，較好地保持了魚肉的營養(yǎng)物質(zhì)和風味物質(zhì)。

生物體由大量細胞構成，細胞之間的液體可視為電介質(zhì)。當直流或低頻電流施加于魚體時，電流主要流經(jīng)細胞外液；當頻率增加，部分電流將穿過細胞膜流經(jīng)細胞內(nèi)液，阻抗變小。阻抗隨頻率的增大而減小，反映了魚體細胞膜的電容特性[21-22]。因此，可以通過魚體的阻抗判別魚體的貯藏方式。

由于單片機系統(tǒng)具有集成度高、使用方便、可靠性高、處理能力強、運算速度快等優(yōu)勢，本文采用單片微控制器系統(tǒng)Arduino開發(fā)板作為中央處理器，提出一種基于Arduino單片機系統(tǒng)和生物阻抗的魚體貯藏方式檢測技術。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用魚體于2019年6月10日在北京市農(nóng)貿(mào)市場和大型超市購買，有鯽魚和鯉魚兩個品種。每條魚質(zhì)量為200～1 000 g，體長為16～45 cm。將鮮活魚擊打致死后在0～4℃的環(huán)境中貯藏9 d，以此作為試驗中的冰鮮魚。將鮮活魚擊打致死后置于-18℃冰箱中分別冷凍1、5、10、30 d，再在0～4℃的環(huán)境中解凍，以此作為試驗中的解凍魚。

1.2 檢測系統(tǒng)設計

本試驗中采用的單片機系統(tǒng)是Arduino單片機系統(tǒng)。Arduino是一款開源電子原型平臺，包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。Arduino單片機系統(tǒng)的核心是ATMEGA系列單片機，搭配一些周邊器件，安裝在印刷電路板上，能夠獨立完成設定的功能。

該檢測系統(tǒng)如圖1所示，由信號發(fā)生電路、測量電路、信號采集電路、中央處理器、顯示終端等5個模塊構成。

信號發(fā)生電路：由Arduino Uno開發(fā)板構成，編寫程序可利用Arduino Uno開發(fā)板產(chǎn)生不同頻率的PWM(脈沖寬度調(diào)制)波，作為整個系統(tǒng)的輸入信號。

測量電路：由200 Ω定值電阻、金屬夾、導線等構成，與信號發(fā)生電路串聯(lián)在一起，當魚接入金屬夾兩端時，電路形成通路，產(chǎn)生電流。

信號采集電路：由兩個高頻交流電壓傳感器構成，將兩個高頻交流電壓傳感器分別并聯(lián)在定值電阻和魚體兩端，可測量定值電阻和魚體兩端的高頻電壓信息。

中央處理器：由Arduino Mega 2560開發(fā)板構成，該模塊與高頻交流電壓傳感器相連，可獲取定值電阻和魚體兩端的電壓信息，并按照事先燒錄的程序進行相應計算。

顯示終端：由LCD顯示屏構成，該模塊與Arduino Mega 2560開發(fā)板相連，獲取開發(fā)板傳輸?shù)慕Y果信息，將判斷結果顯示在顯示屏上。

其中，將高頻交流電壓傳感器與Arduino Mega 2560開發(fā)板共地連接，保證傳感器中的信息能夠傳輸?shù)紸rduino Mega 2560開發(fā)板中。用12 V直流電源給高頻交流電壓傳感器供電，用5 V直流電源給Arduino Uno和Arduino Mega 2560開發(fā)板供電，保證系統(tǒng)電路的正常工作。12 V和5 V直流電源的按鈕開關可控制整個系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

利用1.2節(jié)設計的檢測系統(tǒng)，利用Arduino Uno開發(fā)板產(chǎn)生不同頻率的輸入信號，采集不同頻率下的魚體阻抗，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析。關于輸入信號頻率范圍的選取，大量的預試驗表明：直流和低頻電流很難穿過細胞膜，最低頻率選為1 kHz比較合適；頻率超過16 kHz時，魚體的阻抗隨頻率增大變化不明顯，頻率越高對儀器的要求也越高。因此基于魚體的導電機理，輸入信號的頻率范圍選為1～16 kHz最為合適。對于魚體阻抗的測量，采用伏安法，將待測魚體接入檢測系統(tǒng)后，通過兩個高頻交流電壓傳感器分別采集魚體和定值電阻兩端電壓信息，并傳送到Arduino Mega 2560單片機系統(tǒng)中。由歐姆定律算出魚體阻抗，并將結果顯示在LCD顯示屏上。數(shù)據(jù)采集與處理的具體步驟如下：將魚體接入檢測系統(tǒng)，并打開電源開關；利用Arduino Uno開發(fā)板產(chǎn)生1～16 kHz的交流信號，根據(jù)LCD顯示屏上顯示的結果記錄不同頻率下的魚體阻抗，并描繪出阻抗與頻率的關系曲線；計算并記錄當頻率從1 kHz到16 kHz時魚體阻抗的相對變化率。阻抗相對變化率的計算公式為：(ZL-ZH)/ZH，其中，ZL和ZH分別表示電路頻率為1 kHz和16 kHz時所對應的魚體阻抗。

1.4 檢測技術及方法

按照1.3節(jié)所述方法對數(shù)據(jù)進行計算處理并繪圖之后，分析并總結圖中規(guī)律，并以此規(guī)律進一步設計單片機系統(tǒng)，改善程序，最終實現(xiàn)一種基于單片機系統(tǒng)和生物阻抗的魚體貯藏方式檢測技術。

該魚體貯藏方式的檢測步驟如下：用金屬夾夾住待測魚兩端，金屬夾緊貼于待測魚表面，使魚體接入電路；打開12 V和5 V直流電源開關，使電路通電；利用信號發(fā)生電路分別產(chǎn)生頻率為1 kHz和16 kHz的交流信號；信號采集電路分別采集定值電阻和魚體兩端的電壓信號；中央處理器接收信號采集電路收集的電壓信號，按照事先燒錄的程序，進行分析計算，得出魚體阻抗的相對變化率，并與設定的參數(shù)進行比較，最終判定出魚的貯藏方式，其中，設定的參數(shù)由1.3節(jié)的試驗及分析結果確定；中央處理器將信息傳輸給顯示終端，儀器頂部的顯示終端顯示出檢測結果。

該檢測技術的優(yōu)點是：將魚體接入電路后即可實現(xiàn)檢測，對魚體沒有損傷；用編程代替復雜的人工計算，結果更加穩(wěn)定可靠；利用單片機搭建電路系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動檢測，方便快捷、簡單實用。

2 結果與分析

數(shù)據(jù)采集試驗中對鯽魚和鯉魚兩個品種進行了檢測，為排除其他因素干擾，使得試驗結果更加準確，分別測定了冰鮮1、3、5、7、9 d和冰凍1、5、10、30 d后解凍的鯽魚和鯉魚在不同頻率下的魚體阻抗。對采集的數(shù)據(jù)進行計算處理、繪圖，分析并總結規(guī)律，進一步設計單片機系統(tǒng)，改善程序，得到最終的魚體貯藏方式檢測系統(tǒng)。用最終的檢測系統(tǒng)檢測另外200條魚的貯藏方式，其中冰鮮鯉魚、解凍鯉魚、冰鮮鯽魚、解凍鯽魚各50條。將檢測結果與實際貯藏方式進行對比，計算出檢測的準確率，并對該方法的可靠性進行分析。

2.1 數(shù)據(jù)結果分析

不同貯藏時間解凍和冰鮮魚的阻抗-頻率曲線如圖2所示。

由圖2可知，無論是冰鮮還是解凍魚，在同一頻率下的阻抗均隨著貯藏時間的延長而降低；在同一貯藏時間下，解凍與冰鮮魚的阻抗均隨著頻率的增大而減小，但冰鮮魚阻抗隨頻率的減小幅度明顯高于解凍魚。因此，按照1.3節(jié)和1.4節(jié)的步驟，本試驗進一步研究阻抗隨頻率變化的幅度，即阻抗的相對變化率。圖3是不同品種的冰鮮魚和解凍魚的阻抗相對變化率-貯藏時間關系曲線。

由圖3可知，雖然不同種類魚的阻抗相對變化率不同，但從總體上看，冰鮮魚的阻抗相對變化率均明顯大于解凍魚的阻抗相對變化率。冰鮮魚的阻抗相對變化率均大于100%，而解凍魚的阻抗相對變化率均小于100%。因此，可以以魚體的阻抗相對變化率是否大于100%來鑒別魚的貯藏方式，若魚體的阻抗相對變化率大于100%則為冰鮮魚，若魚體的阻抗相對變化率小于100%則為解凍魚。

2.2 系統(tǒng)檢測技術流程

根據(jù)1.4節(jié)的檢測方法，并結合2.1節(jié)得出的結論，本試驗進一步完善系統(tǒng)和程序。其中，中央處理器接收到電壓信號后，計算出頻率從1 kHz到16 kHz時魚體阻抗的相對變化率，并與100%進行比較，進而判斷出是冰鮮魚還是解凍魚并輸出最終結果。完整的魚體貯藏方式檢測技術流程如圖4所示。

將金屬夾夾在魚體兩端即可實現(xiàn)自動檢測，該系統(tǒng)顯示的檢測結果如圖5所示，有“冰鮮魚”和“解凍魚”兩種檢測結果。當放入魚體時，系統(tǒng)能夠快速顯示出是冰鮮魚或解凍魚的檢測結果，從而實現(xiàn)了魚體貯藏方式的自動檢測。

2.3 檢測驗證試驗

本試驗另外選取200條不同種類的草魚和羅非魚(冰鮮魚與解凍魚各100條)作為樣本，利用系統(tǒng)對其進行檢測，將顯示的檢測結果與其實際貯藏方式進行記錄與比對，分別統(tǒng)計冰鮮魚和解凍魚的檢測正確條數(shù)、檢測錯誤條數(shù)，計算出檢測的準確率(正確檢測條數(shù)占總條數(shù)的比例)，并以檢測的準確率作為指標進行驗證和分析。

對200條魚檢測和統(tǒng)計結果如表1所示，檢測的準確率為95%，其誤差的產(chǎn)生可能由于魚體表面未清理干凈，如表面的粘液對結果產(chǎn)生影響，也可能存在一些未探究到的原因。由操作過程和試驗結果可知，系統(tǒng)放上魚體后能夠迅速顯示出檢測結果，且檢測準確率較高，因此該方法兼具高效性與可靠性。

表1 魚體貯藏方式檢測結果Tab.1 Detection results of fish storage methods

3 結論

(1)針對魚體貯藏方式(冰鮮與冷凍)難以區(qū)分判斷的問題，提出一種基于單片機系統(tǒng)和生物阻抗的魚體貯藏方式快速檢測技術。利用Arduino單片機系統(tǒng)和其他電路元件搭建完整的電路檢測系統(tǒng)，通過大量試驗得出魚體在信號頻率為1 kHz和16 kHz時阻抗的相對變化率與魚體貯藏方式的關系，即冰鮮魚的阻抗相對變化率大于100%，解凍魚的阻抗相對變化率小于100%。

(2)該檢測技術原理為：將待測魚體接入檢測系統(tǒng)后，改變電路輸入的交流信號頻率，分別獲取交流信號頻率為1 kHz和16 kHz時電路中的電壓信息，然后計算出信號頻率從1 kHz到16 kHz時魚體阻抗的相對變化率，當阻抗相對變化率小于100%時檢測結果為解凍魚，反之則為冰鮮魚，并在顯示終端上輸出檢測結果。

(3)該檢測技術操作簡單、便捷，在檢測過程中對魚體沒有損傷，且識別過程準確高效，檢測準確率可達95%。