基于物联网框架下的近红外果蔬品质检测及溯源系统研究

《物联网技术》杂志
2021-10-15 18:58
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0 引 言

俗话说 :民以食为天。在我们日常生活的饮食中,果蔬需求占据较大比例,尤其是盛夏时节,各种美味可口的果蔬更是人们汲取营养成分和消暑解渴的最佳选择,比如西瓜、葡萄、石榴等。但由于市场上果蔬销售情况鱼龙混杂,缺乏有效监督和相关管理政策、法规的约束,使得市场上销售的果蔬产品品质有优有劣,人们经常购买到一些内部变质腐烂、甜度不够甚至表面含有农药残留的果蔬,严重欺骗了广大消费者并危害了人们的身体健康,同时也给果蔬销售和市场管理带来了极大的弊端。对于果蔬品质检测而言,广大老百姓都通过肉眼观察或凭借经验来判断所购买的果蔬品质,由于人们只是片面地观察果蔬的成色、表面光滑度、纹理和外形等,无法真正了解果蔬内部的甜度、营养成分及其产地,因此,仅靠经验往往会与实际存在较大偏差,极大地打击了广大消费者购买果蔬的积极性,浪费了广大消费者的钱财。若想准确了解果蔬品质, 可通过仪器检测。过去检测果蔬品质的方法有多种,比如生物传感法[1]、图像检测法[2] 和液相/ 气相色谱 [3,4] 等,这些检测方法各有优劣。生物传感法最常见的是电子舌,主要利用电子传感系统来模仿人类的舌头等味觉器官的功能,加之先进的计算程序,对被检测对象的品质进行鉴别。但受限于电子传感器灵敏度和稳定度等因素,往往很难对果蔬口感等重点表征信息进行准确分析,且电子舌方便对液态样品进行检测,而市面上许多果蔬往往都是非液态的。图像检测法主要通过图像采集器结合图像处理算法,对果蔬表面颜色和外形进行图像识别和分类,但对于果蔬内部的甜度和营养成分等则无法判断。液相和气相色谱法是一种化学分析法,该方法通常需要将果蔬切碎、捣烂并提取果汁,然后在果汁中加入某些化学试剂来测试其有效成分,利用液相和气相色谱仪进行检测分析。该方法需要对检测样品进行复杂的预处理,且需要专业的检测人员才能完成检测操作,价格昂贵,不适合市场上果蔬品质的检测。此外,由于人们对目前市场上销售的果蔬原产地信息一无所知,大部分都听销售果蔬的摊贩自行介绍,因此, 难免遇到部分销售果蔬的摊贩将国内某省出产的果蔬说成是进口果蔬来欺骗广大消费者,谋求不当利益。而普通消费者花了高价钱却无法买到对应价格的果蔬,造成了极大的信息不对称。尤其较多人遇到所购果蔬品质低劣和溯源有误等欺诈事件时,往往都忍气吞声,或仅与销售摊贩理论,而无法让其他消费者及市场监督和管理人员知晓,使得此类欺骗事件层出不穷,导致广大消费者的权益无法得到保障,销售市场秩序也无法得到有效整顿。

目前,市场上急需一种检测精度高、方便快捷、性价比高的果蔬品质检测和溯源系统,以完善和根治果蔬销售市场存在的各种问题。因此本文提出了一种借助物联网信息平台 [5], 利用近红外光谱检测果蔬品质的方法[6],同时也可以对所销售果蔬的产地信息进行溯源。一方面可以方便人们清楚了解所购买果蔬的品质和产地,做到随心、放心购买 ;另外一方面, 还可以利用物联网信息平台,对所购果蔬的品质和溯源信息进行信息反馈和发布,做到信息共享,有利于市场监督和管理人员对销售品质不合要求和信息不符果蔬的商贩进行整顿,使不合格的果蔬无处遁形。

1 基于物联网平台的近红外果蔬品质检测和溯源系统构成

本研究系统主要由果蔬品质检测、果蔬产地溯源和信息发布及共享平台组成,如图 1 所示。

果蔬品质检测和产地溯源是 2 个相互独立的功能单元,可完成对所购果蔬的品质检测和产地溯源查询。这 2 个功能单元以信息发布和共享物联网平台为依托,将检测到的果蔬品质和产地信息与物联网平台中的信息数据库进行匹配和分类识别,一方面可以完成对被测果蔬品质的检测及产地归属查询, 另一方面可以对品质和产地信息符合要求的果蔬及卖家给予好评,对所检果蔬品质和产地信息不符合标准的果蔬及卖家给予差评,并将不符合标准的果蔬及卖家信息通过物联网信息平台对外实时发布,谨防其他消费者上当受骗。同时也可以让市场管理人员对销售不符合标准果蔬的卖家进行惩戒、监督和管理。借助互联网终端设备,如电脑、手机和移动互联网设备等发布信息。以互联网终端设备为载体,通过设备外置的USB 接口或以太网接口与果蔬检测探头相连,并且在互联网终端设备上安装App 软件,将果蔬检测探头获取的果蔬光谱数据导入互联网终端设备,通过 App 软件将实时检测的数据与果蔬品质和产地信息平台中专家数据库中的数据进行对比和分类识别,借助物联网信息平台让单个消费者知道所检测果蔬是否符合标准,并通过物联网信息平台将广大消费者检测的各类果蔬光谱数据信息补充到专家数据库中,利用广大消费者自测数据构成一个数据完备、功能强大的大数据平台。通过云计算和云服务等互联网技术,可以更方便、准确地实现对被测果蔬品质和产地信息的精准检测。

2 近红外光谱技术在果蔬品质和溯源中的应用

本研究通过对近红外光谱技术实现了对果蔬品质和产地溯源的检测。近红外光谱技术是光学无损检测技术中一个非常典型和重要的代表。近红外光谱技术的果蔬品质和溯源检测系统如图 2 所示。

2.1 近红外光谱检测技术

由于果蔬有用成分对近红外波段的光有特征吸收特性, 在近红外光谱数据中的某个波长处会表现出与其他波长不同的波形曲线。本文通过光谱检测探头进行果蔬光谱检测。光谱检测探头由光源、准直透镜、凹面光栅和光谱探测器构成, 其原理如图 3 所示。

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首先具有连续光谱的光源发射光束照射被测果蔬,入射光被果蔬表面和内部吸收后,通过漫反射作用,光经过检测探头的准直透镜准直,并经凹面光栅对准直光进行光谱衍射产生一条线性光谱带投射到光谱探测器上,光谱探测器将光谱数据转换为相应的电压信号后,依次经过信号放大器、USB 数据采集卡对果蔬光谱数据进行高速实时采集,然后通过USB 数据线输入到互联网用户终端设备上,如电脑和手机等, 并在互联网设备终端完成光谱数据的对比、分类识别和信息发布及共享等操作。

2.2 近红外光谱预处理和专家诊断系统

对果蔬品质的检测,主要是对果蔬中含有的果糖、可溶性固形物和各类维生素等进行近红外光谱探测。但果蔬中还含有其他物质成分,如水分、纤维素和果酸等,这些成分尤其是水分将对果蔬中有用成分的光谱检测带来严重干扰,有用成分的光谱数据有可能被其他成分的光谱数据掩盖和重叠,极大地影响果蔬品质和产地溯源近红外光谱检测的准确性、可靠性和稳定性。为解决上述问题,必须对果蔬近红外光谱进行必要的数据预处理,具体包括归一化、滤波、平滑、正交散射校正和去噪等。

果蔬近红外光谱预处理和专家诊断系统示意如图 4 所示。经过预处理的果蔬近红外光谱数据还需通过定性诊断和定量诊断对其做进一步处理。其中,定性诊断将预处理后的光谱与果蔬光谱专家数据库中的光谱进行匹配对比,找出光谱中是否含有表征果蔬品质和产地溯源等特征波长下的特征光谱, 并且通过马氏距离和 K 均值聚类等定性分析方法,对所检测果蔬的近红外光谱数据进行品质优劣等级的定性分类,以及不同产地溯源的归属定性分类。此外,借助特征波长下专家数据库建立的定量标准预测模型,对所检测果蔬中标准品质的有用成分含量比例进行定量判断,从而精确掌握所测果蔬中果糖、可溶性固形物和维生素等成分的含量比例

3基于物联网果蔬品质和溯源检测系统的运作方式

本研究是在目前果蔬销售市场中广大消费者与果蔬品质和产地等信息不对称,导致果蔬销售、监督和管理不到位, 在广大消费者健康和消费权益无法得到保障的前提下,所构建的一套基于物联网平台的果蔬品质和产地溯源检测系统。本检测系统有望推向市场,对维护广大消费者权益和保障果蔬销售市场健康有序发展大有裨益。但一个良好的产品只有拥有一套行之有效的运作、营销和盈利模式才能更好、更快地投入市场,并得到广大消费者和公司管理部门的认可,最终使得该产品进一步发展壮大。本研究所采用的运作方式具体包括如下几种:

检测设备的销售

首先,本研究所构建的基于物联网平台的近红外果蔬品质和溯源检测系统,得到了一定技术支持和研发经费的保障, 成功研制出一套果蔬品质和溯源检测仪器,即果蔬光谱检测探头。将光谱检测和数据预处理等硬件集成在一个小型探头上组成一个探测模块,在一定的通讯协议下,通过 USB 数据线与互联网设备终端(如智能手机)实现数据互联和通讯。然后, 利用手机中安卓操作系统下的App 检测软件(自行开发)实现果蔬近红外光谱数据的传输、定性和定量检测。利用手机中的移动网络或互联网等,对所检测的果蔬品质和产地信息进行实时发布、信息共享和专家大数据库完善等。该检测设备研发成功并经过样机测试和国家相关认证机构认证后,就可以投入市场进行销售。

数据分析费

除进行上述检测设备的硬件和App 软件平台的开发和销售之外,还需要构建后台专家大数据库,此类专家数据库需要事先对不同类别、不同等级和不同产地的果蔬进行标准近红外光谱的采集和预处理操作。且定期维护、完善数据库,需要花费巨大的人力、物力和财力。因此,在方便消费者利用专家数据库对所检测果蔬进行定性和定量判断的同时,需保证本产品的盈利能力,即需要对广大消费者收取一定的数据分析费用。可以采取一人一账户制度,实现实时电子付款功能(类似支付宝、微信和QQ 扫描支付)与账户充值功能。

互联网终端信息费和流量费

由于本产品只有构建在互联网终端设备上才能实现信息发布、信息共享和专家数据库完善等操作,而这些操作都需要利用互联网通讯业务和互联网流量,因此,本产品可以联合移动、联通和电信等互联网运营商,对该部分互联网业务收取相关费用。

果蔬物联网线上卖场收费

本产品通过互联网平台操作,卖家可以开网店,效仿淘宝、天猫和京东等网上购物运营模式,方便消费者网络购物,并利用物流提供送货上门服务。因此,卖家若想在该互联网平台上销售自己的果蔬产品,就必须缴纳相应的网店费用、平台维护费和营业额提成等。

相关卖家互联网广告费

相关卖家可以利用互联网平台推销自己正在销售的果蔬产品和未来即将购进的果蔬产品,因此,互联网销售平台可以向有意开展广告业务的卖家收取相应的广告业务费。

对不达标卖家进行罚款

对于广大消费者所反馈的检测不达标的果蔬产品,由国家工商管理部门和食品检验检疫部门对销售此类商品的卖家进行相应的处罚(包括经济处罚)。

国家工商管理部门和财政部门等政策性扶持

本产品除了可保障广大消费者权益外,还有利于国家工商管理部门和食品检验检疫部门对果蔬销售市场的管理,符合国家食品安全检验检疫相关政策,是件利国利民的好事。因此,可争取国家工商管理部门和财政部门等政策性的扶持费用。

4 结 语

果蔬是我们日常必不可少的食品之一,它的品质合格与否影响着人们的健康和广大消费者的合法权益。而目前果蔬销售市场缺乏有效的管理和监督方法,使得果蔬销售市场混乱, 严重破坏了健康有序的市场和广大老百姓的消费积极性。为了彻底解决上述问题,本研究构建的基于物联网平台的近红外果蔬品质和溯源检测系统,利用近红外光谱检测技术,较好地克服了传统检测方法的不足,在具有一定技术门槛的前提下, 实现技术壁垒保证。同时,本研究利用互联网平台,实现了果蔬检测数据发布、信息共享和果蔬光谱数据库的完备等操作, 预计将会是未来果蔬销售方式的发展趋势。


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