便攜式馬鈴薯多品質參數局部透射光譜無損檢測裝置

王 凡 李永玉 彭彥昆 楊炳南 李 龍 尹學清

(1.中國農業(yè)大學工學院，北京 100083； 2.中國農業(yè)機械化科學研究院，北京 100083)

0 引言

馬鈴薯是我國僅次于小麥、水稻和玉米的第四大主要糧食作物。近些年來，隨著我國與周邊國家經貿合作關系的不斷深化，加工特性優(yōu)良的鮮馬鈴薯和薯條、薯片及馬鈴薯淀粉出口將繼續(xù)保持增加態(tài)勢[1]。馬鈴薯內部成分不僅決定其營養(yǎng)價值，而且還會影響加工品質。馬鈴薯中水分占塊莖總質量的70%左右，主要影響油炸過程中的耗油量、加工中蒸發(fā)水所需的能耗及烹飪口感；淀粉占馬鈴薯塊莖總質量的10%～20%，是馬鈴薯最主要的營養(yǎng)成分之一；還原糖占馬鈴薯塊莖總質量的0.1%～5%，它與氨基酸產生的褐變反應會導致馬鈴薯產品色澤灰暗，甚至產生有害物質。馬鈴薯品質參差不齊是制約我國馬鈴薯產業(yè)主食化進程的重要因素之一，馬鈴薯品質快速無損檢測對推進馬鈴薯產業(yè)發(fā)展有著重要意義。

目前，國內外不少學者對馬鈴薯內部品質進行了無損檢測研究，WALSH等[2]、KANG等[3]使用透射光譜分別建立了干物質、比重的近紅外預測模型，相關系數分別為0.79和0.85，HAASE等[4]、SUBEDI等[5]、張小燕等[6]對馬鈴薯干物質、含水率等主要參數進行了預測，相關系數均在0.9以上。但這些研究均屬于檢測方法實驗研究，檢測系統體積大、移動不便，不利于實際推廣和應用。隨著近紅外光譜在農產品品質檢測領域的推廣應用，我國學者設計了各種農產品專用便攜式檢測裝置，如生鮮肉品質檢測裝置[7-8]、作物和水果品質檢測裝置[9-11]等。但是有關馬鈴薯品質檢測便攜式裝置的研究在國內未見報道，隨著我國馬鈴薯主食化產業(yè)的推進，研究適用于馬鈴薯產地的馬鈴薯品質便攜式實時檢測裝置顯得尤為重要。

本文基于可見/近紅外局部透射光譜，根據馬鈴薯大小及形狀特征，設計便攜式馬鈴薯多品質無損檢測裝置，編寫實時檢測分析控制軟件，植入馬鈴薯含水率、淀粉質量分數、還原糖質量分數的預測模型，實現馬鈴薯內部品質的實時無損檢測。

1 無損檢測裝置硬件設計

1.1 無損檢測裝置原理

當近紅外輻射照射到樣品表面時，一部分輻射發(fā)生反射，一部分輻射透過樣品從另一側射出，而另一部分輻射被樣品散射并返回到表面。反射光譜信號強度較好，但受馬鈴薯表皮影響較大[12]，透射光譜能較好地反映內部信息，但因馬鈴薯大小引起的光程差異較大[13-14]?？紤]到馬鈴薯整體質地較為均勻，本研究采用局部透射的檢測方式。整個裝置由光譜采集模塊、光源模塊、控制與顯示模塊等構成，如圖1所示。光源模塊由燈珠與反光杯組成，為整個裝置提供光照；光譜采集模塊由光譜儀和聚焦透鏡組成，該部分將透過樣品的光收集、轉換為電信號并傳輸給ARM處理器，處理器將處理后的光譜和預測值顯示在屏幕上，整個裝置由供電模塊供電。

圖1 硬件系統結構圖Fig.1 Schematic diagram of hardware system

1.2 無損檢測裝置硬件設計

1.2.1光譜采集模塊

光譜儀是本設備的核心部件，它的優(yōu)劣很大程度上決定著裝置的精度和穩(wěn)定性。本研究通過多種光譜儀的體積、原理、結構、分辨率、波段范圍等對比分析，根據預實驗并參照文獻 [15-18]，選擇了波長范圍為650～1 100 nm的海洋光學公司生產的STS光譜儀。它是基于CMOS(互補金屬氧化物半導體)傳感器的微型光譜儀，在結構上采用交叉式Czerny-Turner 結構[19]，擁有較小體積(40 mm×42 mm×24 mm)，具有較高的信噪比(1 500以上)和分辨率(1.5 nm)。

圖2 耦合透鏡示意圖Fig.2 Diagrams of coupling lens1.聚焦透鏡 2.螺紋扣環(huán) 3.螺紋準直筒

在大部分近紅外光譜檢測系統中，光譜儀與樣品之間由光纖連接[20-23]，但研究證明光在光纖中傳導時會損失一部分能量，這會導致積分時間的增加，而且光纖脆性較大，為保證其最小彎折半徑，往往需要更大的操作空間。光譜儀雖然可以不通過光纖直接接收光信號，但光譜儀接口暴露會導致灰塵進入，且光譜儀體積較大，直接作為探頭，布置較為困難?；谝陨峡紤]，本研究選擇海洋光學74-DA型耦合透鏡作為檢測探頭。耦合透鏡結構示意圖如圖2a、2b所示，聚焦透鏡由兩個帶螺紋的扣環(huán)固定在螺紋準直筒內，為了驗證耦合透鏡的效果，使用3種不同連接方式，以100 ms為積分時間采集白參比的光譜，結果如圖2c所示。3種不同方式采集的光譜曲線形狀大致相似，但使用聚焦透鏡可以明顯提升光譜信號強度。

1.2.2光源模塊

鹵素燈是近紅外光譜檢測中常用的光源，其發(fā)射波長涵蓋200～2 500 nm，為了選擇合適功率的光源，分別測試了0.5、1.0、1.5、2.2 W的燈珠在100 ms下的樣品光譜響應。如圖3a所示，功率小于1 W的光源發(fā)光較弱，樣品光強占光譜儀滿量程光強(14 000 cd)不足40%，信噪比差，容易受到光譜儀噪聲的干擾，當光源功率為2.2 W時，因光源與樣品距離較近，樣品表皮出現略微灼傷。本文采用了1.5 W(3 V、0.5 A)998070-1型超高亮鹵素燈(美國Welch Allyn公司)加反光杯的集成化設計，如圖3b所示。

圖3 光源模塊示意圖Fig.3 Schematic of light source1.光譜儀 2.耦合透鏡 3.樣品 4.反光杯 5.燈珠

1.2.3控制與顯示終端

控制單元不僅要實現對光譜儀的控制，還要對采集的數據進行計算處理并傳輸到顯示終端，因此控制單元需要較快的運行速度和合適的外接接口。本研究選擇Raspberry Pi 3b作為控制單元，它是一款基于ARM的微型計算機主板，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有4個USB、1個100 MB以太網接口和HDMI高清視頻輸出接口，可以實現大量數據流暢運算，但其尺寸只有85 mm×56 mm×17 mm，滿足設備小型化的需求。

根據控制單元，選擇了與之匹配的樹莓派3.2英寸電阻屏(3.2inch RPi LCD (B)，85 mm×56 mm×17 mm)，該屏幕分辨率為320像素×240像素，與樹莓派之間通過I/O接口相連，除了顯示功能，該屏幕附帶4顆按鈕，在本設備中利用其中3顆按鈕分別作為黑參考、白參考和樣品光譜的采集外觸發(fā)。

1.2.4供電模塊

為了滿足現場檢測的需求，需要配備可充電式電池。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5 V的可充電鋰電池，一路直接為控制器供電，另一路經穩(wěn)壓板(LTC3780為芯片)轉換為3 V電壓后為鹵素燈供電。經計算選擇電量為6 A·h的鋰電池，可保證裝置續(xù)航時間達到3 h以上。

1.2.5整機設計

基于對光源單元、光譜采集單元、開發(fā)板以及穩(wěn)壓板大小的綜合考慮，將開發(fā)板沿殼體的長度方向橫向設置，然后將光譜采集單元和光源豎向設置，電源和光源之間設置穩(wěn)壓板，在整機右側設置電池，達到最大限度節(jié)省空間的目的。便攜式馬鈴薯多品質無損設備如圖4所示，該裝置整機尺寸11 cm×6.5 cm×9.5 cm，可單手操作。

圖4 便攜式馬鈴薯多品質無損檢測設備Fig.4 Images of potato hand-held equipment1.ARM處理器-屏幕 2.充電接口 3.開關 4.光譜儀 5.耦合透鏡 6.反光杯 7.燈珠 8.穩(wěn)壓板 9.電池 10.按鈕

1.2.6黑白參考盒設計

光譜儀的工作狀態(tài)及電源性能等均會影響近紅外光譜的穩(wěn)定性，為消除這些外部因素對檢測結果的影響，采集光譜時一般先進行黑白參考的校正。因便攜式裝置無支架、暗箱等，設計了黑白參考校正盒，如圖5a所示。校正盒分為盒體和盒蓋，盒體頂面設置通孔，通孔的形狀恰好與探頭外輪廓相匹配形成暗室，盒蓋防止灰塵落入并起保護作用。參考盒的內部底面設置材料為聚四氟乙烯的白板，如圖5b所示。

圖5 參考盒結構圖Fig.5 Structure diagrams of reference box

2 馬鈴薯多品質參數預測模型

2.1 材料與方法

圖6 馬鈴薯局部透射光譜Fig.6 Partial transmission spectrum of potato

選用由中國農業(yè)科學院花卉蔬菜研究所(北京)提供的大西洋品種馬鈴薯樣品85個，其中65個用于建模，20個用于驗證。采摘后送往實驗室4℃條件下冷藏待用，采集光譜前將馬鈴薯塊莖洗凈置于室溫(20℃)中放置24 h(相對濕度60%)以消除溫度對實驗的影響。

2.2 光譜采集及標準理化值測定

利用自行設計的便攜式馬鈴薯多品質檢測裝置采集所有馬鈴薯樣品的局部透射光譜。采集前將裝置預熱10 min，采集黑、白參考并保存，每個馬鈴薯樣品避開芽眼和缺陷在赤道上間隔90°取4個采集點，4點的平均光譜作為該樣品的原始光譜，并換算成馬鈴薯樣品局部透射率，公式為

式中T——馬鈴薯樣品的局部透過率，%

I——馬鈴薯樣品的局部透過光譜強度，cd

D——黑參考光譜強度，cd

R——白參考光譜強度，cd

光譜采集完成后，分別用直接干燥法[23]、酸解法[24]和滴定法[25]測定馬鈴薯樣品的含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數。

2.3 光譜預處理和預測模型建立

馬鈴薯樣品的原始光譜先用五點S-G卷積平滑(Savitzky-Golay smooth, SG)進行平滑處理，因實際檢測過程中存在樣品表皮散射及光程的變化，對SG平滑后的光譜進行標準正態(tài)變量變換(Standard normal variable transformation, SNV)，原始光譜曲線、SG平滑預處理及SNV處理后的光譜曲線如圖6所示。

圖7 測量值和預測值對比Fig.7 Comparison charts of measurements and predictions

基于SG-SNV預處理后的光譜曲線分別建立了馬鈴薯含水率、淀粉質量分數、還原糖質量分數的偏最小二乘預測模型(Partial least squares regression, PLSR)，模型結果如圖7所示。含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數的校正集相關系數Rc分別為0.937 9、0.913 7和0.937 1，校正集均方根誤差(Root mean square error of calibration, RMSEc)分別為0.316 1%、0.309 0%和0.034 8%；驗證集相關系數Rv分別為0.927 8、0.914 6和0.933 8，驗證集均方根誤差(Root mean square error of validation, RMSEv)分別為0.325 3%、0.344 9%和0.041 6%?；谧孕性O計的馬鈴薯多品質無損檢測裝置所建立的馬鈴薯含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數3個參數的預測模型，其預測精度與相關的近紅外漫透射光譜研究[2-3]有所提升，能滿足實際現場檢測需求。

3 實時分析控制軟件

圖9 裝置測試結果散點圖Fig.9 Model result of external prediction

基于QT開發(fā)工具，采用C/C++語言編寫了檢測裝置實時分析控制軟件，軟件采用模塊化思想，分為光譜儀控制模塊、光譜處理模塊和結果顯示模塊，光譜儀控制模塊對光譜儀采集參數(如積分時間、平均次數等)進行設置并采集光譜數據；光譜處理模塊自動對光譜數據進行透過率的轉換和預處理，并通過內置的模型預測樣品含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數；結果顯示模塊將預處理后的光譜和品質預測值顯示在屏幕上。軟件工作流程如圖8所示。采集樣品光譜前，先點擊“Dark”和“White”按鈕分別對光譜儀進行黑白校正并保存校正結果。探頭對準樣品，采集樣品的局部透射光譜，自動進行SG平滑和SNV預處理并分別代入植入模型進行馬鈴薯各品質參數的預測，樣品光譜曲線和檢測結果實時顯示在LCD屏幕。

圖8 便攜式裝置軟件工作流程圖Fig.8 Working flow chart of software in hard-held device

4 無損檢測裝置性能實驗

選取與建模樣本無關的大西洋品種馬鈴薯樣品20個，對便攜式馬鈴薯多品質無損檢測裝置的穩(wěn)定性和預測精度進行了驗證。利用檢測裝置預測馬鈴薯樣品含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數，每個樣品采集4次，以4次的變異系數衡量儀器的穩(wěn)定性，再用化學分析方法檢測馬鈴薯3個品質參數的標準理化值，并進行對比分析，裝置預測值與標準理化值散點圖如圖9所示。馬鈴薯樣品的含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數的預測值與標準理化值的相關系數Rp分別為0.914 1、0.912 2和0.914 0，預測均方根誤差分別為0.352 7%、0.340 4%和0.040 0%，平均偏差(Average deviation, AD)分別為0.295 1%、0.253 6%和0.031 6%。每個樣品重復采集4次光譜，分別預測含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數，其最大變異系數分別為0.006 7、0.012 4和0.123 1。結果表明，便攜式馬鈴薯多品質無損檢測裝置穩(wěn)定性和檢測精度均能滿足現場實時檢測要求。

5 結論

(1)基于可見/近紅外局部透射光譜，根據馬鈴薯大小及形狀特征，設計了便攜式馬鈴薯多品質無損檢測硬件裝置，包括光譜采集模塊、光源模塊、控制與顯示模塊、供電模塊，并設計了專用黑白參考校正盒。整個裝置尺寸為11 cm×6.5 cm×9.5 cm，易于攜帶。

(2)基于便攜式馬鈴薯多品質無損檢測裝置，建立了馬鈴薯多品質預測模型。采集馬鈴薯650～1 100 nm的可見/近紅外局部透射光譜，對原始光譜進行SG平滑和SNV處理后，建立了馬鈴薯含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數的偏最小二乘預測模型。馬鈴薯含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數預測模型驗證集相關系數分別為0.927 8、0.914 6和0.933 8，驗證集均方根誤差分別為0.325 3%、0.344 9%和0.041 6%。

(3)基于QT開發(fā)工具，采用C/C++語言編寫了裝置實時分析控制軟件。將所建馬鈴薯含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數預測模型植入到硬件裝置中，實現了馬鈴薯多品質參數實時無損檢測一鍵式操作。

(4)驗證了便攜式馬鈴薯多品質無損檢測裝置的檢測精度。馬鈴薯樣品含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數的裝置預測值與標準理化值的相關系數分別為0.914 1、0.912 2和0.914 0，均方根誤差分別為0.352 7%、0.340 4%和0.040 0%，平均偏差分別為0.295 1%、0.253 6%和0.031 6%，重復采樣最大變異系數分別為0.006 7、0.012 4和0.123 1。結果表明，該裝置可以實現馬鈴薯含水率、淀粉質量分數和還原糖質量分數的實時無損檢測。