王 威，李永玉，彭彥昆，楊延銘，閆 帥，馬劭瑾

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心, 北京 100083

引 言

馬鈴薯因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，種植范圍廣，是我國(guó)僅次于小麥、水稻和玉米的第四大糧食作物[1]，馬鈴薯的市場(chǎng)占比逐年攀升，其加工品質(zhì)備受關(guān)注。馬鈴薯的主要品質(zhì)指標(biāo)有干物質(zhì)含量、淀粉含量等[2]，參差不齊的馬鈴薯品質(zhì)嚴(yán)重制約著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)主食化進(jìn)程，提高馬鈴薯的質(zhì)量快速無(wú)損檢測(cè)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)馬鈴薯內(nèi)部品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行了一些研究[3-6]，包括基于近紅外漫透射光譜的馬鈴薯的黑心病和淀粉含量在線無(wú)損檢測(cè)、基于可見(jiàn)-近紅外高光譜檢測(cè)系統(tǒng)的馬鈴薯干物質(zhì)含量快速無(wú)損檢測(cè)等，大部分成果仍屬于實(shí)驗(yàn)室研究階段，而且多數(shù)體積大、移動(dòng)不便。隨著光譜儀小型化的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了近紅外便攜式儀器用來(lái)檢測(cè)果蔬的內(nèi)部品質(zhì)[7-10]，王凡等[11]等曾研制了便攜式馬鈴薯品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)裝置，在一定程度上為馬鈴薯品質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了可能性，但是光譜儀價(jià)格昂貴，在產(chǎn)地廣泛推廣應(yīng)用有一定的局限性。

本工作根據(jù)馬鈴薯特殊的表皮特征及內(nèi)部質(zhì)地均勻性，以研發(fā)低成本裝置為目的，基于多通道光譜傳感器設(shè)計(jì)一種手持式馬鈴薯多品質(zhì)可見(jiàn)/近紅外局部漫透射檢測(cè)裝置，并建立馬鈴薯內(nèi)部品質(zhì)預(yù)測(cè)模型，編寫實(shí)時(shí)檢測(cè)分析的控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)馬鈴薯內(nèi)部品質(zhì)的一鍵式實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)，為馬鈴薯產(chǎn)銷鏈中加工品質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 工作原理

研發(fā)裝置主要由光譜采集模塊、光源模塊、控制與顯示模塊、供電模塊及外圍電路等組成，如圖1所示?？紤]馬鈴薯特殊的表皮特征及內(nèi)部質(zhì)地均勻性，本研究采用局部漫透射的采集方式。將采集探頭緊貼在馬鈴薯赤道部位的光滑表面，利用多通道光譜傳感器采集馬鈴薯樣本的局部漫透射離散光譜，傳感器將接收的離散光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給儀器內(nèi)置的raspberry 3B+控制器，根據(jù)內(nèi)部植入的馬鈴薯各品質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)模型計(jì)算各品質(zhì)參數(shù)后在屏幕上實(shí)時(shí)顯示結(jié)果并保存。

圖1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 光譜采集模塊

光譜采集模塊作為檢測(cè)裝置的核心部件，對(duì)檢測(cè)結(jié)果起著決定性作用?；谖⑿凸庾V儀研制了便攜式馬鈴薯多品質(zhì)檢測(cè)裝置[11]，但裝置成本相對(duì)較高，在產(chǎn)地廣泛推廣有一定的局限性。本研究選用多通道光譜傳感器采集樣本信息，相比市售光譜儀價(jià)格可降低采集模塊成本約80%。

圖2 馬鈴薯光譜圖(光譜儀)

根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]并基于海洋光學(xué)光譜儀(STS，635～1 125 nm)對(duì)馬鈴薯主要品質(zhì)特征波長(zhǎng)的分布情況進(jìn)行了分析。采集80個(gè)內(nèi)蒙三號(hào)馬鈴薯光譜信息，將馬鈴薯樣品分為60個(gè)校正集和20個(gè)驗(yàn)證集，同時(shí)分別對(duì)原始光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(standard normal variate transformation，SNV)、多元散射校正(MSC)與一階導(dǎo)數(shù)等預(yù)處理，其中SNV預(yù)處理光譜圖與原始光譜圖對(duì)比如圖2(a,b)所示。預(yù)處理后的偏最小二乘(partial least squares regression，PLSR)建模結(jié)果如表1所示。

表1 建模結(jié)果

結(jié)果顯示，由于淀粉含量與干物質(zhì)含量的強(qiáng)相關(guān)性，均在SNV預(yù)處理情況下有較好的效果，根據(jù)SNV建立的馬鈴薯干物質(zhì)含量和淀粉含量的預(yù)測(cè)模型，結(jié)果分別如圖3(a,b)所示。綜合以上結(jié)果使用連續(xù)投影算法(successive projections algorithm，SPA)分別提取SNV預(yù)處理基礎(chǔ)上占比權(quán)重較大的馬鈴薯品質(zhì)相關(guān)特征波長(zhǎng)，每個(gè)品質(zhì)參數(shù)選取前20個(gè)特征波長(zhǎng)，共40個(gè)特征波長(zhǎng)。如圖4所示，其中特征波長(zhǎng)普遍聚集在700，750，800，850和900 nm附近，且700～1 000 nm波段范圍內(nèi)所包含特征波長(zhǎng)數(shù)共29個(gè)，占比72.5%，為多通道光譜傳感器的使用提供了理論支持。

根據(jù)馬鈴薯品質(zhì)相關(guān)特征波長(zhǎng)，選擇有效波長(zhǎng)范圍為700～1 000 nm的美國(guó)海洋光學(xué)公司的PixelSensor多通道光譜傳感器。該傳感器使用芯片濾光技術(shù)將7個(gè)波段(700，750，800，850，900，950和1 000 nm)同時(shí)感應(yīng)的光電二極管集成到9 mm×9 mm的光學(xué)器件上并將光學(xué)傳感器集成到OEM開(kāi)發(fā)板上，有效減小了采集裝置的體積與重量。開(kāi)發(fā)板可通過(guò)USB進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)傳輸，為低成本馬鈴薯多品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)保證。

為提高信號(hào)強(qiáng)度減小儀器體積，采用自制的大直徑耦合透鏡作為采集探頭，主要由套筒、擋圈、平凸透鏡和底座構(gòu)成，如圖5(a)所示。耦合透鏡外徑為12 mm，平凸透鏡被螺紋擋圈固定在套筒中，如圖5(b)所示，光譜信息經(jīng)過(guò)探頭內(nèi)部的平凸透鏡并被聚焦在多通道光譜傳感器采光部位。這樣的探頭設(shè)計(jì)顯著提升了信號(hào)強(qiáng)度，如圖5(c)所示。

1.3 光源模塊

鹵素?zé)舨ㄩL(zhǎng)范圍為360～2 500 nm，包含可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)域，波長(zhǎng)范圍滿足裝置使用需求，同時(shí)性能穩(wěn)定。馬鈴薯塊莖表皮灼傷溫度在50 ℃附近[14]，為避免馬鈴薯表面發(fā)生灼傷，光源溫度控制在50 ℃以下，為盡量使透射光強(qiáng)度為最大，通過(guò)不同功率光源的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選用2.1 W超高亮鹵素?zé)?美國(guó)WelchAllyn公司)作為裝置光源，如圖6(a,b)所示。

圖3 模型結(jié)果散點(diǎn)圖

圖4 特征波長(zhǎng)分布直觀圖

1.4 控制與顯示模塊

為了更好地完成實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)并保證使用功能滿足實(shí)際需求，選擇raspberry 3B+作為檢測(cè)裝置的微型控制器，raspberry3B+的處理速度與工作環(huán)境都與采集需要所適配，同時(shí)其搭載的處理器可以有效縮減程序運(yùn)行時(shí)間，可高速高效地完成工作。通過(guò)raspberry3B+自身引腳連接3.2寸電阻式觸摸顯示屏作為顯示模塊，顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制模塊的人機(jī)交互和信息顯示。外圍電路包括電壓轉(zhuǎn)換裝置、散熱片等。其中電壓轉(zhuǎn)換裝置主要用于光源與raspberry 3B+的合理供電，散熱片可對(duì)raspberry 3B+控制器進(jìn)行散熱，避免高溫造成的意外事故。USB接口主要用于光譜數(shù)據(jù)的通訊與傳輸。

圖5 耦合透鏡示意圖

1.5 供電模塊

為保證裝置適應(yīng)工作環(huán)境且便于攜帶與操作，特選用可充電式電池為裝置供電。光譜儀、控制器、顯示器的輸入電壓為5 V，光源的輸入電壓為3 V，選用輸出電壓為7.4 V的可充電鋰電池，電池通過(guò)并聯(lián)電路分別經(jīng)穩(wěn)壓板向控制器部分以及光源部分供電。經(jīng)計(jì)算選擇電量為3 A·h的鋰電池，可保證裝置工作時(shí)間達(dá)到2 h以上。

1.6 整機(jī)設(shè)計(jì)

在保證裝置各模塊正常運(yùn)行的條件下，將裝置內(nèi)部空間合理利用，有效減小了整機(jī)的外觀尺寸與重量。同時(shí)將裝置外殼接縫處及手握處進(jìn)行了圓角處理，便于使用人員手持操作。檢測(cè)裝置的整體尺寸為140 mm×80 mm×70 mm，質(zhì)量為340 g，硬件設(shè)計(jì)如圖7(a,b)所示。

圖6 光源模塊功率選擇

1.7 材料

選用100個(gè)市售內(nèi)蒙三號(hào)馬鈴薯，在4 ℃冷藏保存。為消除溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，采集光譜前將馬鈴薯在室溫環(huán)境中放置24 h以上。

1.8 方法

光譜采集：采集前將儀器光源打開(kāi)預(yù)熱15 min，采集黑白參考并保存，每個(gè)馬鈴薯在赤道部位光滑部分分別采集4次，平均光譜作為該馬鈴薯的原始光譜。

理化值測(cè)定：分別采用GB 8858—88(水分烘干法)、碘顯色法[15]測(cè)定馬鈴薯樣品的干物質(zhì)含量、淀粉含量。

利用SPXY算法按照3∶1比例，將內(nèi)蒙三號(hào)100個(gè)馬鈴薯樣品劃分為校正集和預(yù)測(cè)集，其干物質(zhì)、淀粉的理化值分布情況如表2所示。

基于研發(fā)裝置采集了100個(gè)內(nèi)蒙三號(hào)馬鈴薯樣品離散光譜，如圖8所示。光譜傳感器在光譜分析過(guò)程中過(guò)濾了冗雜信息，減少了噪聲，建立預(yù)測(cè)模型沒(méi)有對(duì)采集光譜進(jìn)行光譜預(yù)處理。

基于采集的100個(gè)內(nèi)蒙三號(hào)馬鈴薯離散光譜，建立了馬鈴薯干物質(zhì)、淀粉的偏最小二乘預(yù)測(cè)模型，模型結(jié)果散點(diǎn)圖分別如圖9(a,b)所示。馬鈴薯的干物質(zhì)、淀粉含量預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證集的均方根誤差分別為1.050 6%和1.029 2%，基本滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。研發(fā)裝置成本低，廣泛推廣應(yīng)用有巨大的優(yōu)勢(shì)。

圖7 實(shí)物圖

表2 馬鈴薯樣本利用SPXY算法劃分樣本集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖8 離散光譜曲線

圖9 模型結(jié)果散點(diǎn)圖

2 結(jié)果與討論

基于raspberry 3B+控制器內(nèi)置Qt開(kāi)發(fā)工具，采用C語(yǔ)言編寫了裝置實(shí)時(shí)分析控制軟件，可一鍵式完成光譜信息采集與存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果以及顯示和保存結(jié)果等功能，軟件檢測(cè)流程如圖11所示。將上述所建PLSR數(shù)學(xué)模型載入raspberry3B+的計(jì)算模塊并保存，采集光譜前點(diǎn)擊設(shè)備自檢對(duì)芯片進(jìn)行校正，校正完成后將探頭對(duì)準(zhǔn)樣本馬鈴薯赤道部位的光滑表面采集光譜信息，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)動(dòng)計(jì)算模塊的數(shù)學(xué)模型結(jié)合所采光譜信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，馬鈴薯各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果及光譜曲線在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。人機(jī)交互頁(yè)面如圖10所示。

選取20個(gè)內(nèi)蒙3號(hào)馬鈴薯樣品，對(duì)手持式馬鈴薯多品質(zhì)傳感器檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性和精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。利用手持式馬鈴薯多品質(zhì)傳感器檢測(cè)裝置對(duì)每個(gè)樣本的干物質(zhì)含量和淀粉含量分別檢測(cè)4次，通過(guò)4次預(yù)測(cè)結(jié)果的變異系數(shù)來(lái)表征裝置的穩(wěn)定性，計(jì)算得干物質(zhì)含量和淀粉含量的平均變異系數(shù)分別為0.020 2和0.027 2。將馬鈴薯品質(zhì)的裝置預(yù)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)理化值進(jìn)行殘差分析驗(yàn)證裝置的精度。如圖12(a,b)所示，干物質(zhì)含量和淀粉含量的最大殘差絕對(duì)值分別為1.63%和1.73%，結(jié)果表明，研發(fā)的手持式馬鈴薯多品質(zhì)傳感器檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性與精度均可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)需求。

圖11 檢測(cè)程序流程圖

圖12 干物質(zhì)和淀粉含量驗(yàn)證殘差圖

3 結(jié) 論

根據(jù)馬鈴薯特殊的表皮特征及內(nèi)部質(zhì)地均勻性，基于多通道光譜傳感器設(shè)計(jì)了一種手持式馬鈴薯多品質(zhì)可見(jiàn)/近紅外局部漫透射檢測(cè)裝置。該裝置包括光源模塊、光譜采集模塊、控制模塊、供電模塊、顯示模塊，整個(gè)裝置尺寸為140 mm×80 mm×70 mm，重量?jī)H340 g，實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬鈴薯內(nèi)部品質(zhì)的一鍵式實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)。

基于該裝置建立了馬鈴薯干物質(zhì)含量和淀粉含量預(yù)測(cè)模型，其校正集和驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)分別為0.842 2和0.803 0，均方根誤差分別為1.05%和1.02%。同時(shí)，對(duì)手持式馬鈴薯多品質(zhì)傳感器檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性和精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，研發(fā)的手持式馬鈴薯多品質(zhì)傳感器檢測(cè)裝置可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)需求。