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織成分進行分析，因其高效性、無損性而被廣泛應用于食品行業(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，本項目設計了一個基于智能手機的食品質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通過程序控制手機屏幕的顏色來改變激發(fā)光波長，并利用手機的前置相機采集紅色（R）、綠色（G）及藍色（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，因其主要化學成分不同，對R、G、B3種光的吸收與反射也就不同，同時手機的R、G、B 3種光本身都具有一定的帶寬，因此本項目所設計的系統(tǒng)具有可靠的理論依據(jù)和一定的實用價值。本研究也通過實驗驗證了系統(tǒng)的實用性和準確性。

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

中圖分類號：TP391. 4 文獻標識碼：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健康中國、增進人民福祉的重要內(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準，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格限制。食品添加劑的超量使用會對人類健康產(chǎn)生嚴重威脅，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)，如毛細管電泳技術(shù)、高效液相色譜。

光譜儀是分析物質(zhì)化學組成及物理結(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備中，廣泛地應用到多個領(lǐng)域[1]。隨著MEMS技術(shù)、先進加工技術(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)光線的獨特光學特征識別，由此確定材料的化學成分組成。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)取得了一定的進展，但仍需更多的理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。由于應用行業(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)展狀況，提出對光譜儀軟件的應用加入儀器的遠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=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程為儀器的使用者提供及時準確的服務，真正意義上做到數(shù)據(jù)共享、資源共享和人才共享[5]。

通常應用在食品檢測領(lǐng)域的光譜儀體積大、價格昂貴。應用“分析儀器+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”模型，以智能手機為基礎的光學儀器開發(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，其化學成分不同[7]，對R、G、B3種光的吸收與反射也不同，加上手機的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)具有一定的實用價值。

1 系統(tǒng)設計

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

部分設計代碼如下：

（1）打開手機相冊獲取圖片后截取圖片[10]。

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

（3）將各點像素值相加然后除以點數(shù)，得到平均RGB值[12]。

2 實驗及討論

2.1 常見色素水溶液實驗

實驗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，進行5次，檢測其像素值變化。見圖2所示。進行7組實驗后[14]，求得各組數(shù)據(jù)的平均值以減小實驗誤差?？梢娫谟行┤庋鄄惶帽鎰e的情況下，RGB像素值可以很明顯反應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芬達飲料和色素實驗

取10mL的芬達飲料[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的響應很好，而對于G的響應較差[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準，像素值在一定范圍類的飲料為安全飲料[18]。

2.3芒果成熟度實驗

實驗選取了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）。進行5次實驗以減小誤差[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。

由于智能手機自身的內(nèi)存小，處理能力有限，還需要進一步改進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)需要進一步擴展，以獲得更加準確且具有特征性的數(shù)值[21]。

3 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，基于智能手機的檢測方法飛速進步是必然的趨勢，手機檢測將走進人們的生活。此外，智能手機的更新?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、光學傳感器、手機性能、手機屏幕?？梢?，基于智能手機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，在其應用價值和應用范圍上有著重大的意義[22]。

參考文獻

[1] 史建政.便攜式手機光譜儀的研制及其軟件開發(fā)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2015.

[2] 楊悅城，基于LABVIEW的便攜式光譜信號采集與處理系統(tǒng)[D].福州：福建師范大學，2012.

[3] 劉康.微型光譜儀關(guān)鍵技術(shù)及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[4] 田立楠.智能手機三原色光譜解析法在分析化學中的應用研究[D].保定：河北大學，2015.

[5] 劉廈，劉惕，李楠，等.智能手機應用于便攜式檢測技術(shù)的研究進展[J]分析試驗室，2017（1）：120-124.

[6] 黃小花RGB與CMYK色彩模式[J]信息通信，2012 （6）：21-22.

[7] 李永祥，李美齡，李貞景，等.源于不同數(shù)據(jù)庫的食源性有機分子紅外光譜比較[J].農(nóng)業(yè)工程，2013 （6）：86-90.

[8] 劉躍.基于手機的光譜儀數(shù)據(jù)傳輸及處理[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2017.

[9] 郭娟.智能手機可讀條形碼式樣的有機磷農(nóng)殘定量檢測[D].太原：太原理工大學，2015.

[10] 史建政.便攜式手機光譜儀的研制及其軟件開發(fā)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2015.

[11] 耿德春.基于Android平臺近紅外光譜儀控制及工作狀態(tài)監(jiān)測的開發(fā)研究[D].南京：江蘇大學，2016.

[12] 陳通.Android系統(tǒng)的微型近紅外光譜儀開發(fā)及在食品質(zhì)量檢測中的應用[D].南京：江蘇大學，2016.

[13] 樊書祥，黃文倩，張保華，等.便攜式蘋果糖度光譜檢測儀的設計與試驗[J].紅外與激光工程，2014，43 （Sl）：219224.

[14] 李俊峰基于RGB色彩空間自然場景統(tǒng)計的無參考圖像質(zhì)量評價[J].自動化學報，2015，41（9）：1601-1615.

[15] 龔文靜.基于Android平臺的保健食品移動監(jiān)管系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南昌：南昌航空大學，2015.

[16] 王野，基于Android的二維碼食品藥品回溯系統(tǒng)[D].長春：吉林大學，2015

[17] 喬爽，基于Android的食品配料表識別系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學，2014

[18] 傅乘風.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食品可追溯系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[D].廈門：廈門大學，2014.

[19]

Choodum A.， Parabun K.， Klawach M， et al. Real time quantitative colourimetric test for methamphetamine detection using digital and mobile phone technology[J]. Forensic Science International.2014， 235：8 13.

[20] Kehoe E.， Penn R. L. Introducing Colorimetric Analysis with Camera Phones and Digital Cameras： An Activity for High School or General Chemistry[Jl. Journal of Chemcal Education. 2013， 90： 1191-1195.

[21]

Stark E.Luchter K.IbidEMl.New York：Marcel Dekker Publishers. 1985.

[22] Hetmaniok E， Slota D， Zielonka A.Using the swarm intelligence algorithms in solution of The two- dimensionall nverse

Stefan

problem[J]. Computers & Mathematics with Applications， 2015.