基于多曲線聯動查詢的核桃粉新鮮度 無接觸檢測技術

◎ 姚紫娟，呂玉祥

（太原理工大學，山西 太原 030000）

食品安全是人們美好生活的根基，食品安全是民生工程，也是群眾支撐工程，它保證了“舌尖上的安全”，使人民“輕松的飲食，健康的飲食”，符合人民群眾對美好生活的向往。核桃粉是一種固體飲料，含有的豐富的蛋白質、磷、鈣以及微量元素鋅、錳和多種維生素，不僅可以補腦有助于提高記憶力，還有提高睡眠質量的功效，對不同年齡段的人有不同的功效，被稱為抗氧化之“王”[1]。然而，天然核桃粉的功效與其品質有關，且因其含有砷、重金屬等多種有害物質，會嚴重危害食用者的健康[2]。

近幾年來，有很多學者對食物中過氧化氫進行了研究，但是對于過氧化氫含量測量往往采用化學與物理方法檢測，如柱前衍生高效液相色譜法[2]、高錳酸鉀法[3]、碘量法[4]、鈦鹽法[4]、分光光度法[5-6]、紅外光譜法[7]、化學發光分析法[8-9]、等。本文根據現有的電子科學技術，從數據采集、建立模型、軟硬件設計等方面設計一款非接觸式核桃粉新鮮度的測量裝置[10-11]。

1 核桃粉新鮮度相關參數與相關模型建立

核桃粉中過氧化物是影響核桃粉新鮮度和營養價值下降的主要因素，過氧化物進一步分解產生醛和酮，通過測定過氧化物含量可以判斷核桃粉當下的氧化程度和繼續氧化的能力，一般新鮮核桃粉的過氧化氫的含量不超過5 mmol·kg-1。而影響過氧化氫含量的主要因素有溫度、時間和濕度。

1.1 過氧化物與溫度時間數據獲取

原料來自于山西某核桃基地提供的天然核桃粉，實驗方法為GB 5009.227—2016過氧化氫檢測，試驗開始前設置好恒溫箱溫度，待箱內溫度穩定后，經過事先設定的時間后取出樣品核桃粉200 g檢測并記錄過氧化氫含量，分別設置不同的恒溫箱溫度，設定值為 （20 ℃、24 ℃、28 ℃、32 ℃、36 ℃和40 ℃），每個溫度都做3次平行實驗。

由圖1可以看出，在相同溫度下，過氧化氫的含量隨著時間的推移而增長，而且明顯看出在放置3～6月時，增長的速率比較快，之后速率明顯趨于平緩，在相同時間、不同溫度下，過氧化氫的含量隨著溫度的增加而增加。

圖1 實驗結果圖

1.2 不同溫度下過氧化物與溫度時間關系曲線建立

借助數學軟件MATLAB對已有數據擬合得到圖2所示函數關系，函數關系表達式為：yi=ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f，函數系數見表1。

圖2 不同溫度下過氧化物與溫度時間擬合函數圖

表1 擬合函數系數表

多曲線聯動查詢法的核心在于通過已有的多條函數關系，對各個函數互相聯動構成一個數據庫，然后通過已有數據庫模型對未知輸出的預測。在本實驗中把時間與H2O2的含量在各個溫度的函數關系構成一個數據庫，在誤差允許的范圍內，認為當下溫度如果接近數據庫中溫度（40 ℃、36 ℃、32 ℃、28 ℃、 24 ℃和20 ℃）的±2 ℃時，H2O2含量的增長率是一樣的。在單片機的內部集成的實時時鐘設置定時器，定時為10 min，對核桃粉的溫度進行測量，例如，當溫度傳感器第一次采回溫度為25 ℃，在下一次溫度采回之前，則選擇y2（T=24 ℃）函數對應的增長率作為此時H2O2含量的增長率，并對H2O2的含量進行累計，計為Δy1，當溫度傳感器第二次采集回的溫度到27 ℃，同理則選擇y3（T=28 ℃）。函數縱坐標Δy1位置對應的增長率作為此時H2O2含量的增長率，同樣對H2O2的含量進行累計，計為Δy2，以此類推第n次傳回計為Δyi。

輸入單位時間t，溫度T℃，H2O2的含量增量Δyi，y（Ti，t）為不同溫度下的擬合函數，他們之間存在關系式為：

1.3 濕度對過氧化物的影響

查閱資料得[11]過氧化物在50%濕度情況下生成速率最為顯著。所以根據濕度影響系數模擬，存在一個濕度修正系數K對過氧化物的增長量進行修正。則K為：其中P為實際測量濕度值。

1.4 核桃粉新鮮度計算

核桃粉新鮮度可由X值表示，X值按式（1）進行計算。

式（1）、（2）中，K為濕度修正系數；P為實際測量濕度值；Δyi為實時過氧化物的增量；Z為實際過氧化物的含量；0.17為每千克核桃粉過氧化物的標定含量。核桃粉的新鮮度與X的值呈正相關。

2 裝置設計方案

系統由硬件電路、上位機軟件和顯示終端三部分構成。硬件電路部分主要包括電源電路STM32f103、溫濕度采集電路、RTC電路、無線傳輸電路和過氧化氫含量顯示電路；上位機軟件由Keil編寫，主要實現將采集到的溫度、時間數據代入所建立的過氧化氫相關模型，計算得到核桃粉實時新鮮度值通過PC端顯示并通過無線通訊傳遞給用戶。顯示終端主要是將傳遞給用戶的的實時值進行顯示、分析并報警，系統結構圖如圖3所示。

圖3 系統結構圖

2.1 硬件電路

圖4為硬件框圖，主控芯片采用STM32F103RET6， 為整個系統的核心，控制設備各模塊正常運行。供電電路采用充放電模塊使外接電源輸出穩定的5 V電壓，再通過AMS1117芯片把5 V轉化為芯片所需要的3.3 V 電壓。無線模塊采用A7139-S433，是一款低成本高效率工作于1 GHz以內的收發模塊。顯示電路使用OLCD屏。溫度采集模塊采用DS18B20芯片，優點在于能在同1根總線上同時掛多個DS18B20的芯片，可實現空間分布式測溫。系統裝置如圖5，終端顯示如圖6。

圖4 硬件框圖

圖5 系統裝置圖

圖6 終端顯示圖

2.2 軟件設計

軟件部分主要實現溫濕度信號采集、導入計算模型、無線傳輸和數據存儲。軟件設計使用美國Keil軟件公司出品的uVision4開發平臺，通C語言編程對設備各部分進行控制。整個系統實現流程：正常情況下，系統為睡眠模式，通過STM32f103內部集成的實時時鐘設置定時器，定時為10 min，喚醒檢測系統，檢測當前環境溫濕度度數據以及獲得精確的放置時間t，結合建立的新鮮度相關模型，獲得核桃粉實時新鮮度值。當測得核桃粉中的H2O2含量超標時，觸動報警裝置。軟件編程流程見圖7。

圖7 軟件流程圖

3 系統驗證

為驗證系統的可行性和準確性，通過系統測量不同溫度下隨時間變化的過氧化氫含量，并記錄（見表2）。

表2 實驗室測量值與系統測量值的誤差表

經過計算分析，得出系統測量與實驗室國家標準方法測量的數據比較，誤差的絕對值在3%以內，在誤差允許的范圍內，即系統的精度符合要求。

4 結語

跟蹤核桃粉新鮮度與過氧化氫變化情況，發現過氧化氫含量變化與核桃粉存放期間的溫度、時間、濕度有關，本文通過實驗得到三者之間的相互關系后，再利用現有電子技術發展成果，研制相關電路，實時檢測溫濕度，實時記錄時間，利用溫度時間與這兩種物質變化關系的相關算法，可以實時得出過氧化氫數據，從而實現了實時得出核桃粉新鮮度的一個系統。結合各種網絡顯示系統，生產廠家與用戶都能隨時了解任意核桃粉在任何時間里的新鮮程度，為廠家與用戶實時了解產品品質提供了技術支持。