霍慧清，歐 文，莫宏波，馬晶晶

(1.中國科學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇 無錫 214135；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；4.無錫中科恒源信息科技有限公司，江蘇 無錫 214016)

0 引言

2010年3月的“地溝油”事件將具有中國傳統(tǒng)特色的油炸食品推上風(fēng)口浪尖。油炸雖然可以殺滅食品中的細菌、延長食品保存期、改善食品的風(fēng)味、增強食品營養(yǎng)成分的消化性[1]，但是油脂在長時間高溫加熱時會與空氣中的氧氣、水分等發(fā)生一系列化學(xué)和物理變化[2]，生成一系列對人體有害的物質(zhì)，嚴(yán)重危害人體健康。目前國內(nèi)外有許多快速檢測的設(shè)備，但是還沒有成熟的在線系統(tǒng)用于油脂加熱過程中的有害物質(zhì)檢測。因此煎炸油品質(zhì)在線檢測系統(tǒng)的建立對消費者、食品加工廠和政府監(jiān)管部門都具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。從功能上系統(tǒng)主要分為兩個系統(tǒng)：傳感器系統(tǒng)(即數(shù)據(jù)采集模塊)和處理系統(tǒng)(即數(shù)據(jù)處理和傳輸模塊)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

食用油煎炸過程中的數(shù)據(jù)采集工作主要由氣體傳感器、叉指式電容傳感器和溫濕度傳感器完成。傳感器在食品加工廠采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的信號通過數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，再由傳輸模塊將整理好的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺中。檢測軟件模塊實時獲取云平臺中的數(shù)據(jù)，并進行分析處理，便于食藥監(jiān)、環(huán)保局等政府機構(gòu)對整個食品加工過程進行監(jiān)督管理。

上述兩個部分完成了煎炸油信息從食品加工線到監(jiān)管部門的傳輸，構(gòu)成一個完整的煎炸油品質(zhì)檢測的系統(tǒng)構(gòu)架。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器簡介

目前國內(nèi)外用于檢測煎炸油品質(zhì)的方法主要有化學(xué)分析法、光譜法、色譜法、物理分析法等[3-5]。這些方法用到的檢測設(shè)備價格高昂、維修費用不菲，雖然結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是由于檢測時間長、操作復(fù)雜等原因，并不適合用于在線檢測。經(jīng)過調(diào)研，考慮到可操作性、可靠性方面的問題，最終選擇了以下幾種傳感器用于數(shù)據(jù)采集。

2.1.1氣體傳感器

隨著加熱時間的延長，油中的醇類、烷烴氨氧化物等揮發(fā)性成分的含量均有升高，這使得油煙成為檢測煎炸油品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。本設(shè)備使用的是日本FIGARO公司生產(chǎn)的TGS2600[6]半導(dǎo)體空氣質(zhì)量傳感器，它能夠靈敏地感知空氣中的CH4、CO、C4H10等氣體，具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性。

該氣體傳感器由傳感器基板、氣敏元件和傳感器蓋帽組成。在檢測氣體時，傳感器的傳導(dǎo)率隨著空氣中待測氣體濃度的變化而變化。在待測氣體不存在的狀態(tài)下，附著在金屬氧化物表面的會捕捉電子，呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)；若有目標(biāo)氣體存在，則會與產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致自由電子數(shù)增加，電阻值降低。用測量電路可將電阻值的變化轉(zhuǎn)化成對應(yīng)于氣體濃度變化的輸出信號。圖2所示為氣體傳感器測量電路。

圖2 氣體傳感器測量電路

圖2中，VC為電路電壓；VH為加熱器解熱電壓，為傳感器提供一個最佳感應(yīng)溫度；RS為傳感器金屬氧化物表面產(chǎn)生的電阻值；RL為輸出電壓；VOUT為輸出電壓。

2.1.2叉指式電容傳感器

食用植物油屬于電介質(zhì)，其在長時間加熱過程中，極性組分的含量不斷增加，脂肪酸組成變化，不飽和程度降低，導(dǎo)致植物油內(nèi)各類物質(zhì)所帶電荷數(shù)目及電荷空間分布的變化，其電場的分布和強度亦隨之變化。

在電場存在的情況下，食用油極性組分中極化分子的偶極矩沿電場方向排布，產(chǎn)生了一個與原來電場方向相反的電場，使原電場遭到削弱。電場的變化會直接影響電容器的電容值[7]。

對于平行板電容器，其真空時電容值C0計算公式為：

(1)

其中：ε0為真空介電常數(shù)(8.85×1012F/m),d為兩極板間距，S為極板面積。

放于煎炸油中平行板電容器的電容值C為：

(2)

其相對介電常數(shù)εr公式為：

(3)

煎炸油極性組分含量和相對介電常數(shù)有明顯的相關(guān)性，因此利用叉指式電容傳感器，通過測量煎炸油中電容值的變化，可得到介電常數(shù)的變化。

介電常數(shù)與極性組分間的對應(yīng)關(guān)系常通過大量實驗標(biāo)定得到。李徐[8]以樣本煎炸油實驗室柱層析法測得的極性組分含量作為自變量x，以電容傳感器測得的介電常數(shù)作為因變量，得到介電常數(shù)和極性組分含量之間的標(biāo)定方程為：

εr=0.013 7x+3.129 7(R2=0.886 7)

其中，R2是指標(biāo)定方程給出的自變量、因變量間的關(guān)系與其實際關(guān)系的相關(guān)性。R2值越大表示標(biāo)定方程越接近介電常數(shù)與極性組分的實際關(guān)系。

叉指式電極如圖3所示。

圖3 叉指式電極

2.1.3溫度傳感器

通常食用油的沸點都在200 ℃以上，并且考慮到溫度傳感器不能長時間與煎炸油接觸，所以選擇非接觸式紅外溫度傳感器IRTP。該系列紅外傳感器已應(yīng)用于汽車檢測以及微波爐、HVAC(混成自動電壓控制)等行業(yè)，性價比較高。

2.2 硬件電路設(shè)計

硬件系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)和處理系統(tǒng)兩部分。

2.2.1傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)[9-10]采用STM32處理器，主要原因是該處理器功耗較低，且?guī)в懈黝惤涌?如UART、ADC等)。傳感器系統(tǒng)的具體硬件結(jié)構(gòu)圖如4所示。

圖4 傳感器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器系統(tǒng)的主要功能是通過傳感器接口接收傳感器的各項數(shù)據(jù)，通過RS485接口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，本地主要保證測量傳感器數(shù)據(jù)的精度，不做任何數(shù)據(jù)處理。RS485主要用于長距離的串口通信，根據(jù)CPU的串口集成情況，采用MAXIM的RS485芯片將UART芯片轉(zhuǎn)換為485接口信號，完成與傳感器的連接，并實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2.2處理系統(tǒng)

處理系統(tǒng)[11]采用嵌入式ARM處理器作為核心單元；采用NAND Flash和DDR2 SDRAM芯片進行存儲資源擴展；采用WiFi接口將傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C終端或顯示終端。硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

處理系統(tǒng)的主要功能是通過RS485接口接收傳感器設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，然后通過WiFi模塊將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器或者顯示終端。同時該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力。RS485主要用于長距離的串口通信。為實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，本采集設(shè)備集成了WiFi通信模塊，采用RTL8188EU完成WiFi擴展，該WiFi模塊采用USB接口與AM3352完成連接通信，通過操作系統(tǒng)和驅(qū)動實現(xiàn)硬件屏蔽，基于Socket通信完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)硬件組成情況，系統(tǒng)的軟件包括傳感器系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、計算機終端、服務(wù)器以及PC等顯示終端上的各類工作軟件[12-13]。

3.1 傳感器系統(tǒng)軟件

傳感器系統(tǒng)采用STM32處理器，軟件主要完成傳感器數(shù)據(jù)的測量、處理和發(fā)送。傳感器系統(tǒng)軟件組成框圖如圖6所示。

圖6 傳感器系統(tǒng)軟件組成框圖

STM32處理器上沒有操作系統(tǒng)支持,但是提供了大量的驅(qū)動模塊，軟件程序可以直接通過驅(qū)動操作相應(yīng)的外設(shè)，進而獲取到傳感器測量數(shù)據(jù)，從而進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并且通過RS485 發(fā)送到采集設(shè)備上進行下一步處理。

RS485驅(qū)動主要完成串口通信的數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)幀組織、拆解以及差分信號處理。接口協(xié)議處理模塊主要是將RS485上傳遞的數(shù)據(jù)包解析和封裝，從而實現(xiàn)固定格式數(shù)據(jù)包的處理，方便下一級軟件模塊的處理。傳感器數(shù)據(jù)測量是通過UART、SPI、IIC接口獲取傳感器的實時測量數(shù)據(jù)。采集設(shè)備握手通信主要實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)和采集設(shè)備之間的相互信任通信。測量數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊是在傳感器數(shù)據(jù)測量的基礎(chǔ)上進行濾波處理，保證數(shù)據(jù)測量的精確性。設(shè)備狀態(tài)查詢主要完成設(shè)備各個外設(shè)模塊的自檢，保證各個單元無故障運行。硬件驅(qū)動模塊提供系統(tǒng)外設(shè)的硬件屏蔽，保證軟件處理的簡潔、高效。

3.2 處理系統(tǒng)軟件

處理系統(tǒng)軟件是部署在ARM處理器上的相關(guān)工作軟件。其軟件組成框圖如圖7所示。

圖7 處理系統(tǒng)軟件組成框圖

處理系統(tǒng)嵌入軟件工作在Linux操作系統(tǒng)上，軟件通過調(diào)用各種硬件驅(qū)動模塊來操作各硬件設(shè)備，屏蔽硬件信息；傳感器數(shù)據(jù)獲取部分是采集軟件驅(qū)動相應(yīng)RS485接口到各傳感器系統(tǒng)采集測量數(shù)據(jù)；上位機握手通信實現(xiàn)處理系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)、處理系統(tǒng)與終端設(shè)備之間的相互信任通信；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是嵌入式軟件與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信；測量數(shù)據(jù)處理是嵌入式軟件對采集到的測量數(shù)據(jù)進行初步處理并等待服務(wù)器收集；設(shè)備狀態(tài)查詢是嵌入式軟件對各連接設(shè)備的狀態(tài)檢查并及時告警問題設(shè)備，從而保證系統(tǒng)的正常運行。

4 對比實驗及系統(tǒng)測試

為了測試檢測系統(tǒng)的有效性，進行如下實驗。

實驗材料：大豆油，生薯條，油浴鍋，棕櫚油，燒杯，手持漏斗，極性組分檢測儀，油煙檢測儀，樣品保存管，計時器等。

實驗設(shè)置：大豆油煎炸馬鈴薯；分別設(shè)置150 ℃、165 ℃、180 ℃三組實驗；每組實驗設(shè)置空白0(煎炸空白油)、空白1(煎炸薯條)兩個樣本；每個溫度下大豆油均煎炸40小時，每天8小時，連續(xù)煎炸5天。

實驗步驟：(1)第一天實驗用兩個2 L燒杯分別量取1.2 L的大豆油；(2)將上述裝有大豆油的燒杯放入裝有棕櫚油的油浴鍋中，棕櫚油油面與燒杯中大豆油油面相同；(3)加熱油浴鍋，將溫度設(shè)置成165 ℃(180 ℃)，等待大豆油加熱；(4)當(dāng)油浴鍋實測溫度達到預(yù)設(shè)值時開始計時，并按油、薯條質(zhì)量比10∶1的比值放入生薯條進行煎炸，煎炸時間5 min；(5)每隔1小時用極性組分檢測儀、油煙檢測儀測量當(dāng)前煎炸油的指標(biāo)；(6)每隔2小時炸一次薯條；(7)每隔8小時取一次油樣，即每天空白0、1均兩個油樣；(8)樣品低溫保存在冰箱里。后面4天實驗每天重復(fù)步驟(3)～(8)。

整個實驗及設(shè)備驗證分析表明，極性組分含量的平均測量時間為20 s，其中設(shè)備響應(yīng)時間約為15 s，穩(wěn)定5 s后進行讀數(shù)。極性組分含量檢測設(shè)備在不同煎炸時間和煎炸溫度下均能正常工作，測量誤差小于3%。油煙濃度的平均測量時間為10 s，設(shè)備能測量在不同煎炸環(huán)境下的油煙濃度。溫濕度測量技術(shù)相對成熟，實驗數(shù)據(jù)與實際溫濕度誤差小于2%。部分實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 180 ℃極性組分對比實驗結(jié)果

圖8中兩條虛線為利用國標(biāo)法柱層析法測得的極性組分含量范圍，實線為儀器測得的極性組分含量，從圖中可以看到雖然儀器測得的數(shù)據(jù)波動性較大，但極性組分隨煎炸時間的變化規(guī)律與實驗室測得的規(guī)律基本一致，數(shù)據(jù)也與國標(biāo)法測得的數(shù)據(jù)范圍相近。

180 ℃油煙濃度測量數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 180 ℃油煙濃度測量數(shù)據(jù)

由圖9可知，隨著煎炸時間的增加，油煙濃度基本呈上升趨勢。在多次實驗獲得大量數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)可以與極性組分測量數(shù)據(jù)聯(lián)合共同對煎炸油品質(zhì)進行評價。

5 結(jié)束語

本文主要講述了測量煎炸油品質(zhì)的幾個傳感器的工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煎炸油品質(zhì)在線檢測系統(tǒng)。經(jīng)過大量的實驗測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠采集并顯示煎炸油信息，如溫度、極性組分、油煙濃度等。實驗數(shù)據(jù)能夠通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機，上位機軟件也能夠遠程實時獲取煎炸油品質(zhì)信息，能較好地滿足煎炸油品質(zhì)檢測的要求。