◎ 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)，會嚴(yán)重危害食用者的健康[2]。

近幾年來，有很多學(xué)者對食物中過氧化氫進(jìn)行了研究，但是對于過氧化氫含量測量往往采用化學(xué)與物理方法檢測，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)計等方面設(shè)計一款非接觸式核桃粉新鮮度的測量裝置[10-11]。

1 核桃粉新鮮度相關(guān)參數(shù)與相關(guān)模型建立

核桃粉中過氧化物是影響核桃粉新鮮度和營養(yǎng)價值下降的主要因素，過氧化物進(jìn)一步分解產(chǎn)生醛和酮，通過測定過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氧化氫的含量不超過5 mmol·kg-1。而影響過氧化氫含量的主要因素有溫度、時間和濕度。

1.1 過氧化物與溫度時間數(shù)據(jù)獲取

原料來自于山西某核桃基地提供的天然核桃粉，實驗方法為GB 5009.227—2016過氧化氫檢測，試驗開始前設(shè)置好恒溫箱溫度，待箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后，經(jīng)過事先設(shè)定的時間后取出樣品核桃粉200 g檢測并記錄過氧化氫含量，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 ℃），每個溫度都做3次平行實驗。

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

圖1 實驗結(jié)果圖

1.2 不同溫度下過氧化物與溫度時間關(guān)系曲線建立

借助數(shù)學(xué)軟件MATLAB對已有數(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)見表1。

圖2 不同溫度下過氧化物與溫度時間擬合函數(shù)圖

表1 擬合函數(shù)系數(shù)表

多曲線聯(lián)動查詢法的核心在于通過已有的多條函數(shù)關(guān)系，對各個函數(shù)互相聯(lián)動構(gòu)成一個數(shù)據(jù)庫，然后通過已有數(shù)據(jù)庫模型對未知輸出的預(yù)測。在本實驗中把時間與H2O2的含量在各個溫度的函數(shù)關(guān)系構(gòu)成一個數(shù)據(jù)庫，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)庫中溫度（40 ℃、36 ℃、32 ℃、28 ℃、 24 ℃和20 ℃）的±2 ℃時，H2O2含量的增長率是一樣的。在單片機(jī)的內(nèi)部集成的實時時鐘設(shè)置定時器，定時為10 min，對核桃粉的溫度進(jìn)行測量，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)對應(yīng)的增長率作為此時H2O2含量的增長率，并對H2O2的含量進(jìn)行累計，計為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位置對應(yīng)的增長率作為此時H2O2含量的增長率，同樣對H2O2的含量進(jìn)行累計，計為Δy2，以此類推第n次傳回計為Δyi。

輸入單位時間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 濕度對過氧化物的影響

查閱資料得[11]過氧化物在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，存在一個濕度修正系數(shù)K對過氧化物的增長量進(jìn)行修正。則K為：其中P為實際測量濕度值。

1.4 核桃粉新鮮度計算

核桃粉新鮮度可由X值表示，X值按式（1）進(jìn)行計算。

式（1）、（2）中，K為濕度修正系數(shù)；P為實際測量濕度值；Δyi為實時過氧化物的增量；Z為實際過氧化物的含量；0.17為每千克核桃粉過氧化物的標(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、無線傳輸電路和過氧化氫含量顯示電路；上位機(jī)軟件由Keil編寫，主要實現(xiàn)將采集到的溫度、時間數(shù)據(jù)代入所建立的過氧化氫相關(guān)模型，計算得到核桃粉實時新鮮度值通過PC端顯示并通過無線通訊傳遞給用戶。顯示終端主要是將傳遞給用戶的的實時值進(jìn)行顯示、分析并報警，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， 為整個系統(tǒng)的核心，控制設(shè)備各模塊正常運行。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AMS1117芯片把5 V轉(zhuǎn)化為芯片所需要的3.3 V 電壓。無線模塊采用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)點在于能在同1根總線上同時掛多個DS18B20的芯片，可實現(xiàn)空間分布式測溫。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

軟件部分主要實現(xiàn)溫濕度信號采集、導(dǎo)入計算模型、無線傳輸和數(shù)據(jù)存儲。軟件設(shè)計使用美國Keil軟件公司出品的uVision4開發(fā)平臺，通C語言編程對設(shè)備各部分進(jìn)行控制。整個系統(tǒng)實現(xiàn)流程：正常情況下，系統(tǒng)為睡眠模式，通過STM32f103內(nèi)部集成的實時時鐘設(shè)置定時器，定時為10 min，喚醒檢測系統(tǒng)，檢測當(dāng)前環(huán)境溫濕度度數(shù)據(jù)以及獲得精確的放置時間t，結(jié)合建立的新鮮度相關(guān)模型，獲得核桃粉實時新鮮度值。當(dāng)測得核桃粉中的H2O2含量超標(biāo)時，觸動報警裝置。軟件編程流程見圖7。

圖7 軟件流程圖

3 系統(tǒng)驗證

為驗證系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性，通過系統(tǒng)測量不同溫度下隨時間變化的過氧化氫含量，并記錄（見表2）。

表2 實驗室測量值與系統(tǒng)測量值的誤差表

經(jīng)過計算分析，得出系統(tǒng)測量與實驗室國家標(biāo)準(zhǔn)方法測量的數(shù)據(jù)比較，誤差的絕對值在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

跟蹤核桃粉新鮮度與過氧化氫變化情況，發(fā)現(xiàn)過氧化氫含量變化與核桃粉存放期間的溫度、時間、濕度有關(guān)，本文通過實驗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，實時檢測溫濕度，實時記錄時間，利用溫度時間與這兩種物質(zhì)變化關(guān)系的相關(guān)算法，可以實時得出過氧化氫數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了實時得出核桃粉新鮮度的一個系統(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了解任意核桃粉在任何時間里的新鮮程度，為廠家與用戶實時了解產(chǎn)品品質(zhì)提供了技術(shù)支持。