CN105823750A - 便携式葡萄糖度近红外检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式葡萄糖度近红外检测装置及其方法，涉及农产品无损检测领域。本方法是：①将待检测的葡萄放到近红外采样模块的检测口上；②打开LED灯开关，采集近红外光谱信息；③选取对应的数学模型，对采集得到的光谱进行处理；④在屏幕上显示对应的糖度值。本发明利用近红外光谱技术，能够完成葡萄糖度的快速无损检测；运用橡胶柔软贴合的特点设计的光谱采集端口采集的光谱信息质量好，信噪比高；模型线性好，检测准确率高；基于嵌入式***，小体积、高可靠、可扩展、易升级；装置构造简单，成本低，能够让光谱技术得到广泛的应用；装置体积小易携带，适用场景多，容易的推广。适用于葡萄糖度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及近红外光谱检测、计算机科学与技术以及农产品无损检测领域，尤其涉及一种便携式葡萄糖度近红外检测装置及其方法。
背景技术
光谱检测技术在无损检测的领域中已经被普遍使用；在果蔬的检测方面，也运用较多。我国葡萄的栽培面积和产量都位居世界前列，它也成为世界上种植最普遍的果树之列的一员。由于其具有极高的经济价值，现已遍及全球的温带和亚热带地区【晁无疾.调整提高转型升级促进我国葡萄产业稳步发展[J].中国果菜,2015,09:12-14.】。虽然我国新鲜葡萄的产量占据世界首位,但是葡萄采摘之后商品化加工处理技术落后，分选分级率低，深加工、商品化效益低，葡萄商品化加工处理的比率仅为10-20%左右。葡萄的储藏保鲜量仅仅占总产量的7-10%，且有采摘后处理不当，每年造成的损失为15-20%，导致我国葡萄产品在国际市场上的竞争力较差而出口量小。至今，几乎所有葡萄的商品化加工处理工作主要是由人工完成的。这样不仅带来效率低下的问题，并且难以达到一个客观而标准化分级要求，更无法适应现代规模化和产业化生产的需要。虽然光谱技术在果蔬的内部品质的研究中取得了一定的成果，但是运用在葡萄上的实例还不多。
葡萄的果粒色泽、果实风味和营养成分的构成与其糖度和各种糖组分构成有很大关系。在国内葡萄糖度的研究并不是很多。多见于其他果蔬的无损检测，如：2006年，刘燕德【刘燕德.水果糖度和酸度的近红外光谱无损检测研究[D].浙江大学,2006.】等人进行了水果糖度和酸度近红外检测的研究。实验找到了水果光谱出现的五个主要吸收峰位置，运用F检验、Coko距离、光谱特征峰异常值、光谱偏最小二乘分解等建立了合理的数学模型。应义斌等【应义斌,刘燕德,傅霞萍.基于小波变换的水果糖度近红外光谱检测研究[J].光谱学与光谱分析,2006,01:63-66.】进行了水果糖度检测的实验研究，并通过对测得的水果糖度数据进行逐步线性回归(SMLR)处理，对已建的数学模型进行校正，提高精确度；还通过降噪处理手段提高实验得到的数据的精确性，减小误差提高模型准确性。
目前生产实践上运用的检测糖度的便携式设备是运用折光原理，检测时需要将待检测的样品榨汁或者溶解然后再通过计算折光度再来换算成想要测量的糖度值，测量过程操作繁琐费时费力，检测场地有限制，运用难以推广。目前还没有能够进行葡萄糖度快速无损检测的便携式装置。经检索，目前国内尚未发现有嵌入式***的葡萄糖度便携式近红外检测装置和方法应用于生产实际。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种便携式葡萄糖度近红外检测装置及其方法。
实现方式：
本发明利用光谱检测部件收集标准样品的光谱信息，并转化成电信号，通过偏最小二乘（pls）和MSC、平滑等算法建立葡萄糖度的检测模型。最后通过获取待测样品光谱信息，调用相关模型，以达到检测葡萄的糖度值的目的；本发明通过利用嵌入式小体积、高可靠、可扩展等优点，设计了一个便携式的无损检测装置。具有能够实现随时随地的对葡萄糖度的检测的能力，并且有检测速度快、准确率高、适用环境、装置价格便宜多等优点，有着重要的现实意义。传统光谱分析需要配带一个具有强大计算功能的PC机而无法实现户外等更多场景的光谱技术的运用，让光谱技术难以普及，并且PC计算能力的冗余，造成资源浪费；基于嵌入式***的葡萄糖度便携式近红外检测装置能够很好的解决这类问题。
本发明主要针对单个或者单串葡萄的糖度检测。与其他类似研究不同的是，本发明设计了一个基于嵌入式***的葡萄糖度便携式近红外检测装置，可实现一键快速检测得到糖度结果。本发明主要完成以下几项工作：
1、设计和搭建光谱信息采集装置，采集葡萄的近红外光谱信息。主要包括近红外检测采样模块的设计，橡胶贴合式的采样模块的设计，检测器的选择（InGaAs检测器），光源的选择（LED），Arm架构的嵌入式主板的选择（iTOP4412linux2440），设备通讯与连接，设备功能界面UI和按键布局设计；
2、采用合适的光谱预处理算法和信号修正算法，对光谱进行降噪和平滑等处理，提取光谱范围等；选用合适的建模算法，利用标准样品建立预测模型，并完成装置标定。
具体工作主要有：第一，选择糖度存在差异的同品种葡萄并编号，利用光谱仪采集每个葡萄的近红外光谱。第二，将每个葡萄进行榨汁，利用手持折光仪测量每个葡萄的糖度（Brix%），并对应记录。第三，选择建模算法，这是建模是否成功的关键。为了抵消因为葡萄直径大小的不同带来的影响，选择多元信号修正MSC方法进行修正，求二阶导数光谱；第四，选择光谱范围并计算；第五，保存模型，并用标准样品进行检验，完成标定。
3、嵌入***中葡萄糖度检测软件的编写，***是基于Linux的Android***，运用谷歌定制的开发工具eclipse进行编写，编写语言为java；软件设计主要包括界面UI设计和数据处理以及定义实体按键的功能；最后将软件运行于装置，检验检测功能和检测准确度。
本发明的重难点在于：第一，如何将昂贵的光谱设备便携化，降低使用成本，利用光谱技术实现葡萄糖度的无损检测，打破葡萄糖度检测需要破损的现状；第二，将算法移植到成本低廉的嵌入式***中，改善传统光谱分析的高额代价的缺点；第三，用户友好的UI和一键检测设计可以让非科研人员轻松使用装置；降低学习成本，打开设备市场。
具体地说，本发明的技术方案如下：
一、基于嵌入式***的葡萄糖度便携式近红外检测装置（简称装置）
本装置包括工作对象是葡萄，设置有外壳、Arm架构的嵌入式主板、触摸显示屏、LED灯开关、电源按键、start按键、供电电池和近红外采样模块；
其位置和连接关系是：
在外壳的正面右上角开设圆孔安装近红外采样模块，在近红外采样模块下方设置有LED灯开关、电源按键和start按键，在外壳的正面靠左镶嵌触摸显示屏，在外壳的内部设置有Arm架构的嵌入式主板供电电池；
触摸显示屏、LED灯开关、电源按键、start按键、供电电池和近红外采样模块的近红外光源和检测器分别与Arm架构的嵌入式主板电气连接。
二、基于嵌入式***的葡萄糖度便携式近红外检测方法（简称方法）
本方法包括下列步骤：
①将待检测的葡萄放到近红外采样模块的检测口上；
②打开LED灯开关，采集近红外光谱信息；
③选取对应的数学模型，对采集得到的光谱进行处理：
A、将近红外光谱用多元信号修正（MSC）方法进行修正抵消不同葡萄直径带来的影响；
B、对光谱进行平滑处理（smoothing），用来平滑高频噪音，提高信噪比；
C、对光谱进行二阶微分处理，用来消除光谱偏移和飘移，放大和分离重叠信息；
D、选取光谱区域：截取波数在7060-7380cm-1和5180-5500cm-1（经过建模阶段寻找的相关性最高的波数区域）；
E、取各区域的均值；
F、将得到的值代入到数学模型之中，以计算得到预测的糖度值；
④在屏幕上显示对应的糖度值（Brix%）。
本发明的工作原理：
开启装置的总电源，打开检测软件；将待检测葡萄放在近红外采样模块的检测口上，打开LED灯开关，使LED灯照射到葡萄，检测器接收从葡萄中以漫反射方式射出的光，转换成电信号，通过A/D转换接入Arm架构的嵌入式主板，检测软件运用检测得到的数据计算葡萄糖度值，最后显示在显示屏上；从而实现糖度的无损检测和依照糖度进行成熟度判断和分级判断。
本发明具有下列优点和积极效果：
①利用近红外光谱技术，能够完成葡萄糖度的快速无损检测；
②运用橡胶柔软贴合的特点设计的光谱采集端口采集的光谱信息质量好，信噪比高；
③模型线性好，检测准确率高；
④基于嵌入式***，小体积、高可靠、可扩展、易升级；
⑤装置构造简单，成本低，能够让光谱技术得到广泛的应用；
⑥装置体积小易携带，适用场景多，容易的推广。
适用于葡萄糖度的检测。
附图说明
图1是本装置的结构示意图（主视）；
图2是本装置的结构方框图；
图3是近红外采样模块的结构示意图；
图4是软件工作流程图。
图中：
0—葡萄；
1—外壳；
2—Arm架构的嵌入式主板；
ARM：AcornRISCMachine，是Acorn有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位***的所有优势。
3—触摸显示屏；
4—LED灯开关；
5—电源按键；
6—start按键；
7—供电电池；
8—近红外采样模块，
8.1—遮光盒，8.2—软质橡胶密封圈，8.3—近红外光源，
8.4—检测器，8.5—A/D转换。
具体实施方式
下面结合附图和实例详细说明：
一、装置
1、总体
如图1、图2，本装置包括工作对象——葡萄0，设置有外壳1、Arm架构的嵌入式主板2、触摸显示屏3、LED灯开关4、电源按键5、start按键6、供电电池7和近红外采样模块8；
其位置和连接关系是：
在外壳1的正面右上角开设圆孔安装近红外采样模块8，在近红外采样模块8下方设置有LED灯开关4、电源按键5和start按键6，在外壳1的正面靠左镶嵌触摸显示屏3，在外壳1的内部设置有Arm架构的嵌入式主板2和供电电池7；
触摸显示屏3、LED灯开关4、电源按键5、start按键6、供电电池7和近红外采样模块8的近红外光源8.3和检测器8.4分别与Arm架构的嵌入式主板2电气连接。
2、功能部件
1）外壳1
外壳1是本装置的支撑体，塑料材质，整体大小为长×宽=11cm×20cm。
设计的的开口有显示器开口、按键开口、开关开口、检测模块开口和其他接口开口（usb充电，网络接口等）。
2）Arm架构的嵌入式主板2
（1）硬件配置
是一种通用外购件，选用迅为iTOP4412；
主要特征是使用了Exynos4412-ARM处理器；320PIN管脚引出；HDMI、MIPI、常用的RJ-45网口、串口、通用总线、GPIO等接口单元；并且有充足的内存空间至少1GBRAM,4GBROM。
（2）软件构建
基于Linux的Android操作***，版本4.0；检测软件编写语言为java，开发工具为谷歌定制eclipse；软件设计主要包括界面UI设计和数据处理以及定义实体按键的功能，并导入建立的预测模型。
如图4，软件工作流程：
①启动程序-501；
②选择品种-502；
③选择对应品种建立数学模型-503
a、选择糖度存在差异的同品种葡萄并编号，利用光谱仪采集每个葡萄的近红外的光谱；
b、将每个葡萄进行榨汁，利用手持折光仪测量每个葡萄的糖度，并对应记录；
c、选择建模算法，这是建模是否成功的关键，为了抵消因为葡萄直径大小的不同带来的影响，选择多元信号修正MSC方法进行修正，求二阶导数光谱；
d、选择光谱范围并计算；
e、保存模型，并用标准样品进行检验，完成标定；
④读取光谱-504
这时需要手动打开LED光源的开关，按下start按键，执行读取操作；然后关闭光源；
⑤MSC方法修正-505
修正和抵消不同葡萄直径带来的影响；
⑥平滑处理（smoothing）-506
平滑高频噪音，提高信噪比；
⑦二阶微分-507
消除光谱偏移和飘移，放大和分离重叠信息；
⑧选取光谱段-508
截取波数在7060-7380cm-1和5180-5500cm-1（经过实验建模得出的波段）；
⑨求均值-509；
⑩计算，显示并存储糖度计算结果-510。
3）触摸显示屏3
一种通用外购件，是一个具有RGB-LCD接口的7寸触控显示屏。
4）LED灯开关4
一种两拨开关，用来控制近红外LED光源灯的开关。
5）电源按键5
一个脉冲式开关按键，用来控制装置的开关机和待机的电源键。
6）start按键6
一个脉冲式开关按键，设置了一个触发程序，可以快速设置参数，实现一键检测功能。
7）供电电池7
一个通用外购件，特点是薄片状的锂电池，容量在2000mA.h以上。
8）近红外采样模块8
如图3，近红外采样模块8由遮光盒8.1、软质橡胶密封圈8.2、近红外光源8.3、检测器8.4和A/D转换8.5组成；
其连接关系是：
如图3，遮光盒8.1用铰链和外壳1连接，可翻转；
在软质橡胶密封圈8.2上镶嵌有近红外光源8.3和检测器8.4镶嵌；
检测器8.4、A/D转换8.5和Arm架构的嵌入式主板2依次连接，实现数模转换和通讯。
（1）遮光盒8.1
内部为黑色的塑料方盒，大小为：长×宽×高=4×4×3cm；与外壳1通过转动铰链连接；用于对检测要求苛刻的情况下进行遮光。
（2）软质橡胶密封圈8.2
呈半球形结构；
用于贴服葡萄0的外表面，阻止环境光的干扰，起到密封作用。
（3）近红外光源8.3
选用近红外分光LED，波长：900-2700nm。
（4）检测器8.4
是一种光谱收集装置，主要部件是InGaAs/InAs光电二极管，将光信号转换成电信号。
（5）A/D转换8.5
是一种普通的数模转换结构。
二、检测结果
本实验的试验样品为新疆红提葡萄，共计60颗，均采购于华中农业大学中百超市，通过上述的便携式葡萄糖度近红外检测装置及其方法进行预测，交叉验证均方差仅有0.00596。
Claims (4)
1.一种便携式葡萄糖度近红外检测装置，包括工作对象是葡萄（0）；
其特征在于：
设置有外壳（1）、Arm架构的嵌入式主板（2）、触摸显示屏（3）、LED灯开关（4）、电源按键（5）、start按键（6）、供电电池（7）和近红外采样模块（8）；
其位置和连接关系是：
在外壳（1）的正面右上角开设圆孔安装近红外采样模块（8），在近红外采样模块（8）下方设置有LED灯开关（4）、电源按键（5）和start按键（6），在外壳（1）的正面靠左镶嵌触摸显示屏（3），在外壳（1）的内部设置有Arm架构的嵌入式主板（2）和供电电池（7）；
触摸显示屏（3）、LED灯开关（4）、电源按键（5）、start按键（6）、供电电池（7）和近红外采样模块（8）的近红外光源（8.3）和检测器（8.4）分别与Arm架构的嵌入式主板（2）电气连接。
2.按权利要求1所述的一种便携式葡萄糖度近红外检测装置，其特征在于：
所述的Arm架构的嵌入式主板（2）其软件工作流程：
①启动程序（501）；
②选择品种（502）；
③选择对应品种建立数学模型（503）
a、选择糖度存在差异的同品种葡萄并编号，利用光谱仪采集每个葡萄的近红外的光谱；
b、将每个葡萄进行榨汁，利用手持折光仪测量每个葡萄的糖度，并对应记录；
c、选择建模算法，这是建模是否成功的关键，为了抵消因为葡萄直径大小的不同带来的影响，选择多元信号修正MSC方法进行修正，求二阶导数光谱；
d、选择光谱范围并计算；
e、保存模型，并用标准样品进行检验，完成标定；
④读取光谱（504）
这时需要手动打开LED光源的开关，按下start按键，执行读取操作；然后关闭光源；
⑤MSC方法修正（505）
修正和抵消不同葡萄直径带来的影响；
⑥平滑处理（506）
平滑高频噪音，提高信噪比；
⑦二阶微分（507）
消除光谱偏移和飘移，放大和分离重叠信息；
⑧选取光谱段（508）
截取波数在7060-7380cm-1和5180-5500cm-1；
⑨求均值（509）；
⑩计算，显示并存储糖度计算结果（510）。
3.按权利要求1所述的一种便携式葡萄糖度近红外检测装置，其特征在于：
所述的近红外采样模块（8）由遮光盒（8.1）、软质橡胶密封圈（8.2）、近红外光源（8.3）、检测器（8.4）和A/D转换（8.5）组成；
遮光盒（8.1）用铰链和外壳（1）连接，可翻转；
在软质橡胶密封圈（8.2）上镶嵌有近红外光源（8.3）和检测器（8.4）；
检测器（8.4）、A/D转换（8.5）和Arm架构的嵌入式主板（2）依次连接，实现数模转换和通讯。
4.按权利要求1-3所述便携式葡萄糖度近红外检测装置的检测方法，其特征在于包括下列步骤：
①将待检测的葡萄放到近红外采样模块的检测口上；
②打开LED灯开关，采集近红外光谱信息；
③选取对应的数学模型，对采集得到的光谱进行处理：
A、将近红外光谱用多元信号修正方法进行修正抵消不同葡萄直径带来的影响；
B、对光谱进行平滑处理，用来平滑高频噪音，提高信噪比；
C、对光谱进行二阶微分处理，用来消除光谱偏移和飘移，放大和分离重叠信息；
D、选取光谱区域：截取波数在7060-7380cm-1和5180-5500cm-1；
E、取各区域的均值；
F、将得到的值代入到数学模型之中，以计算得到预测的糖度值；
④在屏幕上显示对应的糖度值。
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