基于物聯(lián)網框架下的近紅外果蔬品質檢測及溯源系統(tǒng)研究

廖勝+任重

摘 要：文中以物聯(lián)網技術為平臺，構建了一套適用于當下人們對果蔬品質進行檢測及清楚了解所購果蔬溯源情況的農產品品質檢測及溯源系統(tǒng)。為了檢測果蔬中的糖分、可溶性固形物和維生素等有效成分，系統(tǒng)采用近紅外光譜無損檢測方法、果蔬近紅外光譜專家數(shù)據(jù)庫構建和定性定量分析方法，不僅可以讓消費者準確了解所購買果蔬的品質和溯源情況，還能借助物聯(lián)網信息平臺實現(xiàn)對果蔬生產銷售等環(huán)節(jié)的有效監(jiān)督和管理。

關鍵詞：物聯(lián)網；果蔬；近紅外光譜；品質檢測；溯源

中圖分類號：TP391；TN929 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

俗話說：民以食為天。在我們日常生活的飲食中，果蔬需求占據(jù)較大比例，尤其是盛夏時節(jié)，各種美味可口的果蔬更是人們汲取營養(yǎng)成分和消暑解渴的最佳選擇，比如西瓜、葡萄、石榴等。但由于市場上果蔬銷售情況魚龍混雜，缺乏有效監(jiān)督和相關管理政策、法規(guī)的約束，使得市場上銷售的果蔬產品品質有優(yōu)有劣，人們經常購買到一些內部變質腐爛、甜度不夠甚至表面含有農藥殘留的果蔬，嚴重欺騙了廣大消費者并危害了人們的身體健康，同時也給果蔬銷售和市場管理帶來了極大的弊端。對于果蔬品質檢測而言，廣大老百姓都通過肉眼觀察或憑借經驗來判斷所購買的果蔬品質，由于人們只是片面地觀察果蔬的成色、表面光滑度、紋理和外形等，無法真正了解果蔬內部的甜度、營養(yǎng)成分及其產地，因此，僅靠經驗往往會與實際存在較大偏差，極大地打擊了廣大消費者購買果蔬的積極性，浪費了廣大消費者的錢財。若想準確了解果蔬品質，可通過儀器檢測。過去檢測果蔬品質的方法有多種，比如生物傳感法[1]、圖像檢測法[2]和液相/氣相色譜[3，4]等，這些檢測方法各有優(yōu)劣。生物傳感法最常見的是電子舌，主要利用電子傳感系統(tǒng)來模仿人類的舌頭等味覺器官的功能，加之先進的計算程序，對被檢測對象的品質進行鑒別。但受限于電子傳感器靈敏度和穩(wěn)定度等因素，往往很難對果蔬口感等重點表征信息進行準確分析，且電子舌方便對液態(tài)樣品進行檢測，而市面上許多果蔬往往都是非液態(tài)的。圖像檢測法主要通過圖像采集器結合圖像處理算法，對果蔬表面顏色和外形進行圖像識別和分類，但對于果蔬內部的甜度和營養(yǎng)成分等則無法判斷。液相和氣相色譜法是一種化學分析法，該方法通常需要將果蔬切碎、搗爛并提取果汁，然后在果汁中加入某些化學試劑來測試其有效成分，利用液相和氣相色譜儀進行檢測分析。該方法需要對檢測樣品進行復雜的預處理，且需要專業(yè)的檢測人員才能完成檢測操作，價格昂貴，不適合市場上果蔬品質的檢測。此外，由于人們對目前市場上銷售的果蔬原產地信息一無所知，大部分都聽銷售果蔬的攤販自行介紹，因此，難免遇到部分銷售果蔬的攤販將國內某省出產的果蔬說成是進口果蔬來欺騙廣大消費者，謀求不當利益。而普通消費者花了高價錢卻無法買到對應價格的果蔬，造成了極大的信息不對稱。尤其較多人遇到所購果蔬品質低劣和溯源有誤等欺詐事件時，往往都忍氣吞聲，或僅與銷售攤販理論，而無法讓其他消費者及市場監(jiān)督和管理人員知曉，使得此類欺騙事件層出不窮，導致廣大消費者的權益無法得到保障，銷售市場秩序也無法得到有效整頓。

目前，市場上急需一種檢測精度高、方便快捷、性價比高的果蔬品質檢測和溯源系統(tǒng)，以完善和根治果蔬銷售市場存在的各種問題。因此本文提出了一種借助物聯(lián)網信息平臺[5]，利用近紅外光譜檢測果蔬品質的方法[6]，同時也可以對所銷售果蔬的產地信息進行溯源。一方面可以方便人們清楚了解所購買果蔬的品質和產地，做到隨心、放心購買；另外一方面，還可以利用物聯(lián)網信息平臺，對所購果蔬的品質和溯源信息進行信息反饋和發(fā)布，做到信息共享，有利于市場監(jiān)督和管理人員對銷售品質不合要求和信息不符果蔬的商販進行整頓，使不合格的果蔬無處遁形。

1 基于物聯(lián)網平臺的近紅外果蔬品質檢測和溯源系統(tǒng)構成

本研究系統(tǒng)主要由果蔬品質檢測、果蔬產地溯源和信息發(fā)布及共享平臺組成，如圖1所示。

果蔬品質檢測和產地溯源是2個相互獨立的功能單元，可完成對所購果蔬的品質檢測和產地溯源查詢。這2個功能單元以信息發(fā)布和共享物聯(lián)網平臺為依托，將檢測到的果蔬品質和產地信息與物聯(lián)網平臺中的信息數(shù)據(jù)庫進行匹配和分類識別，一方面可以完成對被測果蔬品質的檢測及產地歸屬查詢，另一方面可以對品質和產地信息符合要求的果蔬及賣家給予好評，對所檢果蔬品質和產地信息不符合標準的果蔬及賣家給予差評，并將不符合標準的果蔬及賣家信息通過物聯(lián)網信息平臺對外實時發(fā)布，謹防其他消費者上當受騙。同時也可以讓市場管理人員對銷售不符合標準果蔬的賣家進行懲戒、監(jiān)督和管理。借助互聯(lián)網終端設備，如電腦、手機和移動互聯(lián)網設備等發(fā)布信息。以互聯(lián)網終端設備為載體，通過設備外置的USB接口或以太網接口與果蔬檢測探頭相連，并且在互聯(lián)網終端設備上安裝App軟件，將果蔬檢測探頭獲取的果蔬光譜數(shù)據(jù)導入互聯(lián)網終端設備，通過App軟件將實時檢測的數(shù)據(jù)與果蔬品質和產地信息平臺中專家數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比和分類識別，借助物聯(lián)網信息平臺讓單個消費者知道所檢測果蔬是否符合標準，并通過物聯(lián)網信息平臺將廣大消費者檢測的各類果蔬光譜數(shù)據(jù)信息補充到專家數(shù)據(jù)庫中，利用廣大消費者自測數(shù)據(jù)構成一個數(shù)據(jù)完備、功能強大的大數(shù)據(jù)平臺。通過云計算和云服務等互聯(lián)網技術，可以更方便、準確地實現(xiàn)對被測果蔬品質和產地信息的精準檢測。

2 近紅外光譜技術在果蔬品質和溯源中的應用

本研究通過對近紅外光譜技術實現(xiàn)了對果蔬品質和產地溯源的檢測。近紅外光譜技術是光學無損檢測技術中一個非常典型和重要的代表。近紅外光譜技術的果蔬品質和溯源檢測系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 近紅外光譜檢測技術

由于果蔬有用成分對近紅外波段的光有特征吸收特性，在近紅外光譜數(shù)據(jù)中的某個波長處會表現(xiàn)出與其他波長不同的波形曲線。本文通過光譜檢測探頭進行果蔬光譜檢測。光譜檢測探頭由光源、準直透鏡、凹面光柵和光譜探測器構成，其原理如圖3所示。endprint

首先具有連續(xù)光譜的光源發(fā)射光束照射被測果蔬，入射光被果蔬表面和內部吸收后，通過漫反射作用，光經過檢測探頭的準直透鏡準直，并經凹面光柵對準直光進行光譜衍射產生一條線性光譜帶投射到光譜探測器上，光譜探測器將光譜數(shù)據(jù)轉換為相應的電壓信號后，依次經過信號放大器、USB數(shù)據(jù)采集卡對果蔬光譜數(shù)據(jù)進行高速實時采集，然后通過USB數(shù)據(jù)線輸入到互聯(lián)網用戶終端設備上，如電腦和手機等，并在互聯(lián)網設備終端完成光譜數(shù)據(jù)的對比、分類識別和信息發(fā)布及共享等操作。

2.2 近紅外光譜預處理和專家診斷系統(tǒng)

對果蔬品質的檢測，主要是對果蔬中含有的果糖、可溶性固形物和各類維生素等進行近紅外光譜探測。但果蔬中還含有其他物質成分，如水分、纖維素和果酸等，這些成分尤其是水分將對果蔬中有用成分的光譜檢測帶來嚴重干擾，有用成分的光譜數(shù)據(jù)有可能被其他成分的光譜數(shù)據(jù)掩蓋和重疊，極大地影響果蔬品質和產地溯源近紅外光譜檢測的準確性、可靠性和穩(wěn)定性。為解決上述問題，必須對果蔬近紅外光譜進行必要的數(shù)據(jù)預處理，具體包括歸一化、濾波、平滑、正交散射校正和去噪等。

果蔬近紅外光譜預處理和專家診斷系統(tǒng)示意如圖4所示。經過預處理的果蔬近紅外光譜數(shù)據(jù)還需通過定性診斷和定量診斷對其做進一步處理。其中，定性診斷將預處理后的光譜與果蔬光譜專家數(shù)據(jù)庫中的光譜進行匹配對比，找出光譜中是否含有表征果蔬品質和產地溯源等特征波長下的特征光譜，并且通過馬氏距離和K均值聚類等定性分析方法，對所檢測果蔬的近紅外光譜數(shù)據(jù)進行品質優(yōu)劣等級的定性分類，以及不同產地溯源的歸屬定性分類。此外，借助特征波長下專家數(shù)據(jù)庫建立的定量標準預測模型，對所檢測果蔬中標準品質的有用成分含量比例進行定量判斷，從而精確掌握所測果蔬中果糖、可溶性固形物和維生素等成分的含量比例。

3 基于物聯(lián)網果蔬品質和溯源檢測系統(tǒng)的運作方式

本研究是在目前果蔬銷售市場中廣大消費者與果蔬品質和產地等信息不對稱，導致果蔬銷售、監(jiān)督和管理不到位，在廣大消費者健康和消費權益無法得到保障的前提下，所構建的一套基于物聯(lián)網平臺的果蔬品質和產地溯源檢測系統(tǒng)。本檢測系統(tǒng)有望推向市場，對維護廣大消費者權益和保障果蔬銷售市場健康有序發(fā)展大有裨益。但一個良好的產品只有擁有一套行之有效的運作、營銷和盈利模式才能更好、更快地投入市場，并得到廣大消費者和公司管理部門的認可，最終使得該產品進一步發(fā)展壯大。本研究所采用的運作方式具體包括如下幾種：

（1）檢測設備的銷售

首先，本研究所構建的基于物聯(lián)網平臺的近紅外果蔬品質和溯源檢測系統(tǒng)，得到了一定技術支持和研發(fā)經費的保障，成功研制出一套果蔬品質和溯源檢測儀器，即果蔬光譜檢測探頭。將光譜檢測和數(shù)據(jù)預處理等硬件集成在一個小型探頭上組成一個探測模塊，在一定的通訊協(xié)議下，通過USB數(shù)據(jù)線與互聯(lián)網設備終端（如智能手機）實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)和通訊。然后，利用手機中安卓操作系統(tǒng)下的App檢測軟件（自行開發(fā)）實現(xiàn)果蔬近紅外光譜數(shù)據(jù)的傳輸、定性和定量檢測。利用手機中的移動網絡或互聯(lián)網等，對所檢測的果蔬品質和產地信息進行實時發(fā)布、信息共享和專家大數(shù)據(jù)庫完善等。該檢測設備研發(fā)成功并經過樣機測試和國家相關認證機構認證后，就可以投入市場進行銷售。

（2） 數(shù)據(jù)分析費

除進行上述檢測設備的硬件和App軟件平臺的開發(fā)和銷售之外，還需要構建后臺專家大數(shù)據(jù)庫，此類專家數(shù)據(jù)庫需要事先對不同類別、不同等級和不同產地的果蔬進行標準近紅外光譜的采集和預處理操作。且定期維護、完善數(shù)據(jù)庫，需要花費巨大的人力、物力和財力。因此，在方便消費者利用專家數(shù)據(jù)庫對所檢測果蔬進行定性和定量判斷的同時，需保證本產品的盈利能力，即需要對廣大消費者收取一定的數(shù)據(jù)分析費用。可以采取一人一賬戶制度，實現(xiàn)實時電子付款功能（類似支付寶、微信和QQ掃描支付）與賬戶充值功能。

（3） 互聯(lián)網終端信息費和流量費

由于本產品只有構建在互聯(lián)網終端設備上才能實現(xiàn)信息發(fā)布、信息共享和專家數(shù)據(jù)庫完善等操作，而這些操作都需要利用互聯(lián)網通訊業(yè)務和互聯(lián)網流量，因此，本產品可以聯(lián)合移動、聯(lián)通和電信等互聯(lián)網運營商，對該部分互聯(lián)網業(yè)務收取相關費用。

（4） 果蔬物聯(lián)網線上賣場收費

本產品通過互聯(lián)網平臺操作，賣家可以開網店，效仿淘寶、天貓和京東等網上購物運營模式，方便消費者網絡購物，并利用物流提供送貨上門服務。因此，賣家若想在該互聯(lián)網平臺上銷售自己的果蔬產品，就必須繳納相應的網店費用、平臺維護費和營業(yè)額提成等。

（5）相關賣家互聯(lián)網廣告費

相關賣家可以利用互聯(lián)網平臺推銷自己正在銷售的果蔬產品和未來即將購進的果蔬產品，因此，互聯(lián)網銷售平臺可以向有意開展廣告業(yè)務的賣家收取相應的廣告業(yè)務費。

（6）對不達標賣家進行罰款

對于廣大消費者所反饋的檢測不達標的果蔬產品，由國家工商管理部門和食品檢驗檢疫部門對銷售此類商品的賣家進行相應的處罰（包括經濟處罰）。

（7）國家工商管理部門和財政部門等政策性扶持

本產品除了可保障廣大消費者權益外，還有利于國家工商管理部門和食品檢驗檢疫部門對果蔬銷售市場的管理，符合國家食品安全檢驗檢疫相關政策，是件利國利民的好事。因此，可爭取國家工商管理部門和財政部門等政策性的扶持費用。

4 結 語

果蔬是我們日常必不可少的食品之一，它的品質合格與否影響著人們的健康和廣大消費者的合法權益。而目前果蔬銷售市場缺乏有效的管理和監(jiān)督方法，使得果蔬銷售市場混亂，嚴重破壞了健康有序的市場和廣大老百姓的消費積極性。為了徹底解決上述問題，本研究構建的基于物聯(lián)網平臺的近紅外果蔬品質和溯源檢測系統(tǒng)，利用近紅外光譜檢測技術，較好地克服了傳統(tǒng)檢測方法的不足，在具有一定技術門檻的前提下，實現(xiàn)技術壁壘保證。同時，本研究利用互聯(lián)網平臺，實現(xiàn)了果蔬檢測數(shù)據(jù)發(fā)布、信息共享和果蔬光譜數(shù)據(jù)庫的完備等操作，預計將會是未來果蔬銷售方式的發(fā)展趨勢。

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