基于多曲線聯(lián)動(dòng)查詢的核桃粉新鮮度 無(wú)接觸檢測(cè)技術(shù)

◎ 姚紫娟，呂玉祥

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030000）

食品安全是人們美好生活的根基，食品安全是民生工程，也是群眾支撐工程，它保證了“舌尖上的安全”，使人民“輕松的飲食，健康的飲食”，符合人民群眾對(duì)美好生活的向往。核桃粉是一種固體飲料，含有的豐富的蛋白質(zhì)、磷、鈣以及微量元素鋅、錳和多種維生素，不僅可以補(bǔ)腦有助于提高記憶力，還有提高睡眠質(zhì)量的功效，對(duì)不同年齡段的人有不同的功效，被稱為抗氧化之“王”[1]。然而，天然核桃粉的功效與其品質(zhì)有關(guān)，且因其含有砷、重金屬等多種有害物質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重危害食用者的健康[2]。

近幾年來(lái)，有很多學(xué)者對(duì)食物中過(guò)氧化氫進(jìn)行了研究，但是對(duì)于過(guò)氧化氫含量測(cè)量往往采用化學(xué)與物理方法檢測(cè)，如柱前衍生高效液相色譜法[2]、高錳酸鉀法[3]、碘量法[4]、鈦鹽法[4]、分光光度法[5-6]、紅外光譜法[7]、化學(xué)發(fā)光分析法[8-9]、等。本文根據(jù)現(xiàn)有的電子科學(xué)技術(shù)，從數(shù)據(jù)采集、建立模型、軟硬件設(shè)計(jì)等方面設(shè)計(jì)一款非接觸式核桃粉新鮮度的測(cè)量裝置[10-11]。

1 核桃粉新鮮度相關(guān)參數(shù)與相關(guān)模型建立

核桃粉中過(guò)氧化物是影響核桃粉新鮮度和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值下降的主要因素，過(guò)氧化物進(jìn)一步分解產(chǎn)生醛和酮，通過(guò)測(cè)定過(guò)氧化物含量可以判斷核桃粉當(dāng)下的氧化程度和繼續(xù)氧化的能力，一般新鮮核桃粉的過(guò)氧化氫的含量不超過(guò)5 mmol·kg-1。而影響過(guò)氧化氫含量的主要因素有溫度、時(shí)間和濕度。

1.1 過(guò)氧化物與溫度時(shí)間數(shù)據(jù)獲取

原料來(lái)自于山西某核桃基地提供的天然核桃粉，實(shí)驗(yàn)方法為GB 5009.227—2016過(guò)氧化氫檢測(cè)，試驗(yàn)開(kāi)始前設(shè)置好恒溫箱溫度，待箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)事先設(shè)定的時(shí)間后取出樣品核桃粉200 g檢測(cè)并記錄過(guò)氧化氫含量，分別設(shè)置不同的恒溫箱溫度，設(shè)定值為 （20 ℃、24 ℃、28 ℃、32 ℃、36 ℃和40 ℃），每個(gè)溫度都做3次平行實(shí)驗(yàn)。

由圖1可以看出，在相同溫度下，過(guò)氧化氫的含量隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)，而且明顯看出在放置3～6月時(shí)，增長(zhǎng)的速率比較快，之后速率明顯趨于平緩，在相同時(shí)間、不同溫度下，過(guò)氧化氫的含量隨著溫度的增加而增加。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

1.2 不同溫度下過(guò)氧化物與溫度時(shí)間關(guān)系曲線建立

借助數(shù)學(xué)軟件MATLAB對(duì)已有數(shù)據(jù)擬合得到圖2所示函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為：yi=ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f，函數(shù)系數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 不同溫度下過(guò)氧化物與溫度時(shí)間擬合函數(shù)圖

表1 擬合函數(shù)系數(shù)表

多曲線聯(lián)動(dòng)查詢法的核心在于通過(guò)已有的多條函數(shù)關(guān)系，對(duì)各個(gè)函數(shù)互相聯(lián)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)已有數(shù)據(jù)庫(kù)模型對(duì)未知輸出的預(yù)測(cè)。在本實(shí)驗(yàn)中把時(shí)間與H2O2的含量在各個(gè)溫度的函數(shù)關(guān)系構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，在誤差允許的范圍內(nèi)，認(rèn)為當(dāng)下溫度如果接近數(shù)據(jù)庫(kù)中溫度（40 ℃、36 ℃、32 ℃、28 ℃、 24 ℃和20 ℃）的±2 ℃時(shí)，H2O2含量的增長(zhǎng)率是一樣的。在單片機(jī)的內(nèi)部集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置定時(shí)器，定時(shí)為10 min，對(duì)核桃粉的溫度進(jìn)行測(cè)量，例如，當(dāng)溫度傳感器第一次采回溫度為25 ℃，在下一次溫度采回之前，則選擇y2（T=24 ℃）函數(shù)對(duì)應(yīng)的增長(zhǎng)率作為此時(shí)H2O2含量的增長(zhǎng)率，并對(duì)H2O2的含量進(jìn)行累計(jì)，計(jì)為Δy1，當(dāng)溫度傳感器第二次采集回的溫度到27 ℃，同理則選擇y3（T=28 ℃）。函數(shù)縱坐標(biāo)Δy1位置對(duì)應(yīng)的增長(zhǎng)率作為此時(shí)H2O2含量的增長(zhǎng)率，同樣對(duì)H2O2的含量進(jìn)行累計(jì)，計(jì)為Δy2，以此類推第n次傳回計(jì)為Δyi。

輸入單位時(shí)間t，溫度T℃，H2O2的含量增量Δyi，y（Ti，t）為不同溫度下的擬合函數(shù)，他們之間存在關(guān)系式為：

1.3 濕度對(duì)過(guò)氧化物的影響

查閱資料得[11]過(guò)氧化物在50%濕度情況下生成速率最為顯著。所以根據(jù)濕度影響系數(shù)模擬，存在一個(gè)濕度修正系數(shù)K對(duì)過(guò)氧化物的增長(zhǎng)量進(jìn)行修正。則K為：其中P為實(shí)際測(cè)量濕度值。

1.4 核桃粉新鮮度計(jì)算

核桃粉新鮮度可由X值表示，X值按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式（1）、（2）中，K為濕度修正系數(shù)；P為實(shí)際測(cè)量濕度值；Δyi為實(shí)時(shí)過(guò)氧化物的增量；Z為實(shí)際過(guò)氧化物的含量；0.17為每千克核桃粉過(guò)氧化物的標(biāo)定含量。核桃粉的新鮮度與X的值呈正相關(guān)。

2 裝置設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由硬件電路、上位機(jī)軟件和顯示終端三部分構(gòu)成。硬件電路部分主要包括電源電路STM32f103、溫濕度采集電路、RTC電路、無(wú)線傳輸電路和過(guò)氧化氫含量顯示電路；上位機(jī)軟件由Keil編寫，主要實(shí)現(xiàn)將采集到的溫度、時(shí)間數(shù)據(jù)代入所建立的過(guò)氧化氫相關(guān)模型，計(jì)算得到核桃粉實(shí)時(shí)新鮮度值通過(guò)PC端顯示并通過(guò)無(wú)線通訊傳遞給用戶。顯示終端主要是將傳遞給用戶的的實(shí)時(shí)值進(jìn)行顯示、分析并報(bào)警，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件電路

圖4為硬件框圖，主控芯片采用STM32F103RET6， 為整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制設(shè)備各模塊正常運(yùn)行。供電電路采用充放電模塊使外接電源輸出穩(wěn)定的5 V電壓，再通過(guò)AMS1117芯片把5 V轉(zhuǎn)化為芯片所需要的3.3 V 電壓。無(wú)線模塊采用A7139-S433，是一款低成本高效率工作于1 GHz以內(nèi)的收發(fā)模塊。顯示電路使用OLCD屏。溫度采集模塊采用DS18B20芯片，優(yōu)點(diǎn)在于能在同1根總線上同時(shí)掛多個(gè)DS18B20的芯片，可實(shí)現(xiàn)空間分布式測(cè)溫。系統(tǒng)裝置如圖5，終端顯示如圖6。

圖4 硬件框圖

圖5 系統(tǒng)裝置圖

圖6 終端顯示圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)溫濕度信號(hào)采集、導(dǎo)入計(jì)算模型、無(wú)線傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)使用美國(guó)Keil軟件公司出品的uVision4開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通C語(yǔ)言編程對(duì)設(shè)備各部分進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程：正常情況下，系統(tǒng)為睡眠模式，通過(guò)STM32f103內(nèi)部集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置定時(shí)器，定時(shí)為10 min，喚醒檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫濕度度數(shù)據(jù)以及獲得精確的放置時(shí)間t，結(jié)合建立的新鮮度相關(guān)模型，獲得核桃粉實(shí)時(shí)新鮮度值。當(dāng)測(cè)得核桃粉中的H2O2含量超標(biāo)時(shí)，觸動(dòng)報(bào)警裝置。軟件編程流程見(jiàn)圖7。

圖7 軟件流程圖

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)量不同溫度下隨時(shí)間變化的過(guò)氧化氫含量，并記錄（見(jiàn)表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值與系統(tǒng)測(cè)量值的誤差表

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，得出系統(tǒng)測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量的數(shù)據(jù)比較，誤差的絕對(duì)值在3%以內(nèi)，在誤差允許的范圍內(nèi)，即系統(tǒng)的精度符合要求。

4 結(jié)語(yǔ)

跟蹤核桃粉新鮮度與過(guò)氧化氫變化情況，發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫含量變化與核桃粉存放期間的溫度、時(shí)間、濕度有關(guān)，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到三者之間的相互關(guān)系后，再利用現(xiàn)有電子技術(shù)發(fā)展成果，研制相關(guān)電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)溫濕度，實(shí)時(shí)記錄時(shí)間，利用溫度時(shí)間與這兩種物質(zhì)變化關(guān)系的相關(guān)算法，可以實(shí)時(shí)得出過(guò)氧化氫數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)得出核桃粉新鮮度的一個(gè)系統(tǒng)。結(jié)合各種網(wǎng)絡(luò)顯示系統(tǒng)，生產(chǎn)廠家與用戶都能隨時(shí)了解任意核桃粉在任何時(shí)間里的新鮮程度，為廠家與用戶實(shí)時(shí)了解產(chǎn)品品質(zhì)提供了技術(shù)支持。