付 洋 ，馮鑫祥 ，衡 星 ，陳文杰 ，高 昕 ，陳宇峰

（成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730）

0 引言

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)的新冠肺炎疫情剛剛告一段落，世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇脆弱，氣候變化挑戰(zhàn)凸顯，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展面臨的各項(xiàng)任務(wù)異常繁重和艱巨。黨中央認(rèn)為，從容應(yīng)對百年變局和世紀(jì)疫情，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會平穩(wěn)健康發(fā)展，必須著眼國家重大戰(zhàn)略需要，穩(wěn)住農(nóng)業(yè)基本盤，做好“三農(nóng)”工作，接續(xù)全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展、農(nóng)民穩(wěn)定增收、農(nóng)村安定祥和。此外，要牢牢守住確保國家糧食安全和不發(fā)生大面積返貧兩條底線，突出年度性任務(wù)、針對性舉措、實(shí)效性導(dǎo)向。在促進(jìn)鄉(xiāng)村振興上有新進(jìn)展，在發(fā)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化上邁出新步伐。

我國是水果生產(chǎn)大國，水果年產(chǎn)量高，但消費(fèi)市場占比小，主要原因是缺乏水果品質(zhì)檢測分級精選技術(shù)和設(shè)備，導(dǎo)致水果品質(zhì)不穩(wěn)定，加工利用率低，極大地降低了市場競爭力[1-2]。糖度含量是水果品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)[3]，是水果分級銷售的一個(gè)重要因素。目前，國內(nèi)外一些果品糖度檢測裝置主要依靠破壞性采樣來進(jìn)行，不僅工作量大，而且還很難保證測量速度，檢測的方便快捷性也很難得到保障。在水果產(chǎn)品的傳統(tǒng)檢測方法和裝置中，核心儀器均為傳統(tǒng)光譜儀，導(dǎo)致測試系統(tǒng)具有體積龐大、造價(jià)昂貴、不易于廣泛推廣的缺點(diǎn)，而且還會破壞試驗(yàn)樣品、操作過程復(fù)雜、消耗時(shí)間長、有污染、成本高。典型的產(chǎn)品還有數(shù)顯糖度計(jì)，這種數(shù)顯高精度光學(xué)儀器是根據(jù)折射原理設(shè)計(jì)的，可在食品、飲料等行業(yè)中測定液體中糖分，并可通過折射率的測定推算液體的其他物理指標(biāo)，但無法做到糖度的無損檢測[4-6]。針對這一市場痛點(diǎn)，十分有必要尋求一種新型的無損檢測方法。因此，實(shí)現(xiàn)水果糖度的無損測量，不僅可以大幅提高果農(nóng)檢測效率，實(shí)現(xiàn)水果的分級銷售，還能減少不必要的測量成本[7]。

1 系統(tǒng)優(yōu)勢

1.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1）基于Android開發(fā)環(huán)境及糖度測試軟件的開發(fā)，將MATLAB中的算法部署到安卓手機(jī)平臺，自主設(shè)計(jì)檢測軟件。

2）對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及模型的訓(xùn)練，獲得了完美的果糖回歸模式。

3）建立相應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)庫和模型庫，力求拓展在水果分級應(yīng)用中的適用范圍，持續(xù)研究，使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

4）利用糖度檢測結(jié)果，結(jié)合機(jī)器人柔性抓取技術(shù)，將其應(yīng)用在水果多級分揀中。

1.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)與特色

1）采用高敏感特征光譜優(yōu)先采集與分析的思路，無需光譜波長的寬范圍采集，簡化了數(shù)據(jù)預(yù)處理過程。

2）利用安卓手機(jī)研制了一臺體型較小、方便攜帶、操作容易及適用于現(xiàn)場實(shí)時(shí)操作的便攜式水果品質(zhì)無損檢測裝置，并開發(fā)了相應(yīng)的操作軟件。

3）自主設(shè)計(jì)了測試儀工作的光源環(huán)境，它具有對環(huán)境條件要求小、搭建簡單的特點(diǎn)。

4）使用安卓手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對光譜圖像的采集、模型的加載和計(jì)算以及結(jié)果的穩(wěn)定顯示，具有便捷、智能的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

5）實(shí)現(xiàn)了柔性分揀技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包含光路設(shè)計(jì)、光源環(huán)境設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等。其中，光源環(huán)境在水果無損檢測中對檢測結(jié)果有舉足輕重的作用，光源環(huán)境的選擇與檢測結(jié)果的穩(wěn)定性、檢測精度有著直接的關(guān)系[8]。在設(shè)計(jì)過程中，制作了相對穩(wěn)定的暗箱，能在低成本情況下實(shí)現(xiàn)作品更小、更簡便、更美觀、效果更好。同時(shí)，為降低相關(guān)變動對預(yù)計(jì)結(jié)果的沖擊，建立相應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)庫和模型庫，力求拓展在水果分級應(yīng)用中的適用范圍，使測量結(jié)果可以更準(zhǔn)確。硬件設(shè)計(jì)成品圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)成品圖

進(jìn)一步將水果糖度無損檢測和水果多級分揀兩者相結(jié)合，將糖度檢測結(jié)果作為分揀指標(biāo)之一，再結(jié)合水果外觀、大小進(jìn)行多級分揀。目前，根據(jù)市場調(diào)查，水果（以蘋果為例）分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表1、表2所示[9]，水果多級分類圖如圖2所示[10]。

表1 蘋果大小分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

表2 蘋果糖度分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

圖2 水果多級分類圖

將蘋果進(jìn)行上述分類后，可將蘋果分為不同等級進(jìn)行分揀包裝，則可以滿足不同消費(fèi)者的糖度、大小要求。比如，高糖特大果、高糖大果、中糖特大果等精品果還能作為地區(qū)特色產(chǎn)品進(jìn)行銷售，可提高蘋果質(zhì)量，收獲口碑，提高區(qū)域知名度，以點(diǎn)帶面，帶動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動鄉(xiāng)村振興[11-12]。此外，按糖度無損檢測結(jié)果柔性分揀后所剩余的低糖果或小果不易于直接銷售，可通過深加工制成果干、果脯、水果罐頭、果味飲品等再進(jìn)行銷售，提高產(chǎn)品附加值，增加果農(nóng)收入[13]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了讓檢測結(jié)果和糖度數(shù)值可視化，自主開發(fā)了一款基于安卓手機(jī)的蘋果糖度無損檢測App，將MATLAB中的算法部署到安卓手機(jī)平臺，實(shí)現(xiàn)包括調(diào)取系統(tǒng)相冊圖片，獲取攝像頭權(quán)限、拍照，圖片預(yù)處理，如彩色圖像轉(zhuǎn)灰度圖、中值濾波處理等功能[14-15]。最核心的功能是蘋果的糖度測量，并展示糖度計(jì)算結(jié)果。本軟件設(shè)計(jì)的幾個(gè)重要步驟如下。

1）做好開發(fā)前的基礎(chǔ)性配置，比如在清單文件中獲取手機(jī)攝像頭的權(quán)限以及對內(nèi)存卡的讀寫權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)聲明。

2）界面設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)相應(yīng)的歡迎界面以及主程序界面。初步設(shè)計(jì)的交互界面如圖3所示，糖度測量過程中的交互界面如圖4所示。

圖3 初步設(shè)計(jì)的交互界面

圖4 糖度測量過程中的交互界面

3）程序算法模塊的集成：拍攝圖片后提取蘋果對應(yīng)的特征參量，設(shè)置相應(yīng)的特征參量的回歸系數(shù)數(shù)組，將最后得到的數(shù)據(jù)在糖度值文本框中顯示。

4）改善軟件交互界面、優(yōu)化圖像處理過程，在不同安卓版本下進(jìn)行調(diào)試，提高運(yùn)算速率并充分利用運(yùn)行內(nèi)存。

調(diào)試結(jié)束后，可以將應(yīng)用軟件安裝在手機(jī)上，并且可以拍攝蘋果紅外光譜圖像，從而對糖度值進(jìn)行預(yù)測，并顯示出與標(biāo)準(zhǔn)值誤差較小的預(yù)測值。

3 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

3.1 測試手段與方法

1）使用圖像處理技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)對水果糖度的檢測。

2）使用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術(shù)，完成對糖度檢測信息的記錄工作。

3）通過FACTORY IO提供的仿真技術(shù)搭建分揀工藝流程。

4）搭建實(shí)物，啟動檢測與分揀全過程。

3.2 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果

3.2.1試驗(yàn)材料

選取80個(gè)無外部機(jī)械損傷和缺陷的紅富士蘋果，其中果徑小于75 mm的蘋果20個(gè)，75 mm~85 mm（即75 mm≤果徑﹤85 mm）的蘋果20個(gè)，85 mm~95 mm（即85 mm≤果徑﹤95 mm）的蘋果20個(gè)，果徑大于或等于95 mm的蘋果20個(gè)，用濕巾將蘋果表面的灰塵和水果蠟擦盡，避免水果因表面的異物、顏色等問題對光譜采集造成誤差。

3.2.2測試數(shù)據(jù)

將蘋果在擦拭風(fēng)干后采集近紅外光譜，每個(gè)蘋果在不同方向上采集，每采樣一次將蘋果順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°再進(jìn)行采樣，每個(gè)蘋果共4次，4次光譜平均值作為蘋果的真實(shí)光譜數(shù)據(jù)，在一定程度上可以減少表皮顆粒不平、顏色不統(tǒng)一造成的誤差；再交由手機(jī)軟件將光譜信息轉(zhuǎn)化為糖度數(shù)值，進(jìn)行可視化顯示。蘋果糖度值測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 蘋果糖度值

分析測試數(shù)據(jù)可知，檢測儀具有較高的精度，經(jīng)過多次測量，無損檢測誤差在0.64%~8.37%之間，能夠較好地與模型擬合。

4 總結(jié)與展望

1）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用近紅外光譜無損測量糖度的技術(shù)在蘋果上可以得到體現(xiàn)，智能手機(jī)與簡易硬件設(shè)備再結(jié)合的水果多級柔性分揀技術(shù)也預(yù)示了本技術(shù)存在的商業(yè)價(jià)值和社會價(jià)值。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本模型能夠與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，具有較高的精度，能夠很好地實(shí)現(xiàn)蘋果糖度無損檢測。

2）試驗(yàn)中所采用的水果均為無外部機(jī)械損傷和缺陷、無病害的水果，而針對內(nèi)部有損害或表面有破損的蘋果糖度檢測模型還需要進(jìn)一步研究。

3）測試對象僅為蘋果、梨等薄皮水果，對于其他類型水果尚未進(jìn)行充分研究。