便携式大米多品质参数无损检测仪设计与试验

刘亚超 李永玉 彭彦昆 韩东海 丁继刚 王 绮

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.中国农业大学食品科学与营养工程学院， 北京 100083)

0 引言

大米中淀粉和蛋白质约占90%。淀粉分为直链淀粉和支链淀粉，直链淀粉含量与大米硬度、凝聚性、胶黏性、回弹性呈显著相关[1-6]；而蛋白质含量影响米粒的蒸煮吸水性，与感官品质呈显著负相关[7-9]。直链淀粉含量和蛋白质含量是大米食用品质的重要评价指标。

国内外基于近红外光谱的大米直链淀粉、蛋白质含量快速检测相关研究较多，建立了大米直链淀粉、蛋白质含量无损检测预测模型[10-15]，也有研究人员基于漫透射光谱建立了相关的预测模型[16-17]，但均未涉及实际应用装置。近些年来，应用近红外光谱技术预测农产品品质的便携式无损检测装置的研究一直是热点之一[18-23]，但鲜有大米多品质检测装置的相关报道。国内研究人员以多个特征波长下的LED作为光源、光敏电阻作为探测器研发了便携式大米蛋白质检测装置[24-25]，携带方便，但检测误差较大。日本有基于近红外光谱的台式大米品质检测装置[9]，但价格昂贵，体积相对较大，不方便携带，无法实现现场实时监测。

本文基于近红外漫透射光补偿光谱分析技术，设计便携式大米多品质参数无损检测仪，编写实时检测及控制软件，以籼米为研究对象建立含水率、直链淀粉和蛋白质含量预测模型，将其植入便携式检测仪，实现大米品质的实时无损检测，并对检测仪器的稳定性和精准性进行试验验证。

1 检测仪硬件设计

1.1 原理

近红外光谱的检测方式主要有漫反射和漫透射，大米中的直链淀粉、蛋白质等主要吸收波段位于长波近红外区域[6,11,16]，而长波近红外穿透力较弱，因此谷物检测多数采用漫反射检测方式，而大米颗粒中营养成分相对分布不均匀，采用漫透射检测方式更能反映内部信息[22,26]。本文基于漫透射原理选用900～1 700 nm波段，用光补偿方法改善长波近红外穿透力弱而引起的信噪比低等问题。大米多品质参数无损检测仪主要由光谱采集单元、光源单元、控制与显示单元构成，如图1所示。自行设计的环形光源发出来的光从底部均匀照射在固定厚度的大米样品上，透过大米样品的漫透射光部分直接通过聚焦准直透镜进入光谱仪，未被采集到的光照射到补偿杯上，经补偿杯反射再次返回样品表面，经样品表面漫反射后可以再次被光谱仪采集。通过聚焦准直透镜和光补偿杯的配合，有效弥补了长波近红外穿透力弱而导致的信号弱的不足，提高了信噪比。采集的光谱数据由USB串口线传输至微型处理器，处理器对光谱数据进行预处理，并将处理后的光谱数据代入预测模型，最后将采集的样品光谱和预测值显示在屏幕上。

图1 检测仪系统结构图Fig.1 Structure diagram of detector system

1.2 硬件部分

图2 便携式大米多品质参数无损检测仪Fig.2 Portable multi-quality nondestructive rice detector1.光谱仪 2.单片机 3.按键 4.Windows处理器 5.开关 6.电池 7.灯珠 8.灯杯 9.物料盒 10.光补偿杯 11.透镜

基于对光谱采集单元、光源单元、控制与显示单元内部硬件布置以及后期装置维护等因素的综合考虑，整机采用模块设计思想，分别将光源单元、光谱采集单元、控制与显示单元分别置于3个独立的壳体中，将3个单元通过壳体与壳体间装配槽巧妙连接在一起，并形成检测暗室，保证光谱仪采集的样品信息不受外部干扰。如图2所示，大米多品质参数检测仪尺寸为207 mm×90 mm×148 mm，单手即可完成操作。

1.2.1光谱采集单元

光谱采集单元由聚焦准直透镜、光补偿杯及光谱仪组成，光谱仪直接与聚焦准直透镜相连，聚焦准直透镜上固定了环形光补偿杯，如图3所示。根据淀粉、蛋白质等吸收波段，通过预实验及多种光谱仪的分辨率、体积、结构等比较分析，选择了波长范围为900～1 700 nm的德国Insion公司生产的NIR-NT型近红外光谱仪，体积较小(尺寸为67 mm×36 mm×22 mm)。

图3 漫透射光补偿系统Fig.3 Diffuse transmission light compensation system1.光谱仪 2.聚焦准直透镜 3.光补偿杯 4.物料盒 5.环形光源

多数近红外检测系统通过光纤将信号传输到光谱仪，但光信号在光纤传输中会损失一部分能量，而且光纤脆性较大，其最小弯曲半径仍较大，无法满足

便携式设备狭小空间要求。本文选用聚焦准直透镜作为光谱仪检测探头，不仅保证了光信号传输效率，而且防止灰尘进入光谱仪，保证光谱仪稳定性。光谱仪-光纤、光谱仪、光谱仪-聚焦准直透镜3种不同采集方式，在积分时间为10 ms条件下采集白参考的光谱信号强度如图4所示,说明使用聚焦准直透镜可有效提高光谱信号强度。

图4 不同采集方式下的光谱信号强度Fig.4 Spectral signal intensity by different acquisition methods

长波近红外穿透力相对较弱，采集的光谱信噪比较低，本文设计了一种漫透射光补偿采集系统，如图3所示。透过大米样品的漫透射光部分直接通过聚焦准直透镜传输到光谱仪，未被采集到的光会照射到补偿杯上，经补偿杯反射再次返回样品表面，经样品表面漫反射后可以再次被光谱仪采集。光补偿前、后采集同种样品的卷积求导SGD(2,3,7)预处理光谱曲线如图5所示，结果显示漫透射光补偿采集系统有效降低了采集光谱噪声。

图5 预处理光谱曲线SGD(2,3,7)Fig.5 Pretreatment spectral curves SGD (2,3,7)

1.2.2光源单元

光源单元主要由卤钨灯珠和灯杯组成，灯杯上部紧靠在圆柱形物料盒(高12 mm)自动形成暗室。经多种灯源比较分析选用D1R卤素仪型灯珠(12V/2W),其发射波长可以涵盖900～1 800 nm，光源的响应光谱曲线如图6所示。光源单元有6个D1R卤素仪型灯珠，其中5个组成环形光源，1个位于所述环形灯源的中心，如图7所示。

图6 光源响应光谱Fig.6 Light source response spectrum

图7 环形光源Fig.7 Ring light source

1.2.3温控单元

图8 不同温度下光谱仪采集同一样品的光谱Fig.8 Spectrometers collected spectra of the same sample at different temperatures

光谱仪有适宜的工作温度，温度过高光谱仪信噪比低，尤其是长波段近红外光谱仪极易受到温度影响。光谱仪在不同温度下采集的同一样品光谱曲线如图8所示，随着光谱仪温度的升高，1 450～1 690 nm波段内噪声逐渐增加。为保证光谱仪工作稳定性，在光谱仪上加装DS18B20型温度传感器，温度超过32℃时小型单片机启动散热装置开始散热，当温度低于32℃时散热装置停止工作。

1.2.4供电单元

考虑光源和处理器工作电压(5 V)相差过大，为保证整个检测仪工作稳定，分别给光源和处理器两模块单独供电，为光源配备12 V稳压可充电电池组，容量为6 000 mA·h，尺寸为110 mm×60 mm，内置在检测仪内部，可为光源持续供电7 h以上。另外，配备5 V/4 A电源适配器(尺寸为82 mm×48 mm)专为处理器供电，同时配置容量为15 000 mA·h的5 V稳压充电电池组，持续为处理器供电5 h以上，便于户外检测。

1.2.5校正参考设计

光谱仪的工作时间、光源以及电源性能等均会影响光谱的稳定性，为消除这些外部因素对检测结果的影响，一般需要进行黑白参考的校正。如图9所示，圆柱形校正参考盒直径(43 mm)与高度(12 mm)均与物料盒相同，校正参考盒上端先嵌入聚四氟乙烯白板，再在盒体上下端分别嵌入1.5 mm石英玻璃固定。

图9 校正参考盒结构Fig.9 Calibration of reference box structure1、4.石英玻璃 2.聚四氟乙烯白板 3.参考盒

1.2.6控制与显示单元

控制与显示单元需要完成光谱数据的采集、数据处理，并将最终的预测结果传输到显示终端，因此控制与显示单元需要较快的运算速度和多个适配接口。本检测仪选择了UP board Intel x86平台开发板，它是基于64位Windows系统的微型计算机主板，采用X5-Z8350(4 GB内存，1.92 GHz主频)处理器，拥有4个USB 2.0接口和一个HDMI接口，尺寸为85.60 mm×56.5 mm×15 mm，满足设备小型化需求，并且兼容树莓派(Raspberry Pi,Rpi)拓展，拥有与树莓派相同定义的40 pin引脚。显示模块选择了5寸高清液晶触摸屏，屏幕分辨率为800像素×600像素，开发板HDMI接口通过HDMI信号线与显示屏相连，并将最后的预测结果显示在屏幕。

2 大米多品质参数预测模型

2.1 试验材料

黄冈市农业科学院提供的44种和市售的8种共52种籼稻，其中42个样品用于建模，剩余10个样品用于外部验证，籼稻使用精米机进行脱壳处理，脱壳后的大米样品放置室温(20℃)下贮藏24 h消除温度影响后作为待测样品。

2.2 试验方法

2.2.1光谱采集

利用自行设计的便携式大米多品质参数检测仪采集样品的近红外光谱，采集前将装置预热30 min，先采集校正参考并保存。每个品种分别选取5个子样品，将选取的子样品装填物料盒，旋转物料盒采集4条光谱，每个品种共采集20条光谱求平均值作为该样品的原始光谱。采集的光谱为原始能量光谱，经换算每个样品的吸光度为

(1)

式中A——样品吸光度

L——白参考的光谱强度，cd

D——黑参考的光谱强度，cd

S——样品的光谱强度，cd

2.2.2标准理化值测定

光谱采集完成后，分别用干燥法[27]、分光光度法[28]、凯氏定氮法[29]测定大米样品的含水率、直链淀粉含量和蛋白质含量的标准理化值。

2.3 光谱预处理和模型建立

大米样品的吸光度光谱采用Savitzky-Golay卷积求导法(SG-D)进行预处理，SG-D卷积求导法可以一次性完成平滑和求导，有效消除基线和其他背景的干扰，分辨重叠峰提高分辨率和灵敏度。42个大米品种的吸光度原始曲线和SG-D一阶卷积求导及SG-D二阶卷积求导预处理后的光谱曲线如图10所示。

基于SG-D预处理后的光谱曲线分别建立含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的偏最小二乘预测模型(Partial least squares，PLS)，结果如图11所示。含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的校正集相关系数分别为0.980 3、0.977 0和0.932 3，校正集均方根误差分别为0.279 1%、0.727 4%和0.204 5%；验证集相关系数分别为0.979 3、0.957 1和0.924 9，验证集均方根误差分别为0.300 9%、1.106 7%和0.212 7%。

图10 大米漫透射光补偿光谱Fig.10 Diffuse transmission light compensation spectra of rice

图11 测量值和预测值散点图Fig.11 Scatter plots of measured and predicted values

3 嵌入式应用软件

图12 大米多品质参数检测软件界面及流程图Fig.12 Rice multi-quality parameter tester software and workflow

如图12a所示，基于MFC程序开发软件，使用C/C++语言编写了大米多品质参数检测仪实时分析控制软件程序。软件主要由3个模块组成：光谱仪控制模块、数据处理模块及显示模块。光谱仪控制模块是向光谱仪发送采集光谱指令并将采集到的光谱数据传输到数据处理模块；数据处理模块是对采集到的光谱数据进行吸光度转换和相应预处理，并将得到的预处理数据带入预先植入模型获取大米含水率、直链淀粉和蛋白质含量的预测结果；显示模块是将获取的大米各品质信息显示在屏幕上。如图12b所示，便携式大米多品质参数检测仪工作前先对光谱仪进行黑白校正并保存数据，将待测大米样品放入圆柱形物料盒置于检测区域，点击光谱采集按钮自动进行光谱采集、光谱预处理和待测样品品质参数检测，待测样品的光谱数据和检测结果将实时显示在屏幕上。

4 试验验证

选取没有参与建模的10个籼米品种，对所设计的便携式大米品质无损检测仪进行了检测精度和稳定性验证。10种籼米样品每个样品采集3次，以3次大米含水率、直链淀粉和蛋白质质量分数的预测结果变异系数衡量装置的稳定性，再用大米含水率、直链淀粉和蛋白质质量分数预测结果和标准理化值对比分析验证便携式大米品质无损检测仪检测精度。大米样品的含水率、直链淀粉和蛋白质质量分数的预测值和标准理化值的相关系数分别为0.972 7、0.940 9和0.901 5，预测均方根误差为0.363 2%、1.318 1%和0.243 0%，平均偏差分别为1.506 6%、2.013 4%和0.379 4%，其散点图如图13所示。每个样品重复预测3次，含水率、直链淀粉和蛋白质质量分数预测结果最大变异系数分别为0.024、0.079和0.034。结果表明，便携式大米多品质参数无损检测仪预测精度和稳定性均满足实时检测要求。

图13 检测仪测试结果散点图Fig.13 Scatter plot of test results of detector

5 结论

(1)设计了便携式大米多品质参数无损检测仪，包括光谱采集单元、光源单元、控制与显示单元、供电单元、专用参考校正盒等，光谱采集单元通过光补偿杯和聚焦准直透镜有效提高了采集光谱的信噪比。整个装置尺寸为207 mm×90 mm×148 mm，携带方便，避免了现有分析仪器体积大的弊端。

(2)建立了大米含水率、直链淀粉和蛋白质含量的预测模型，原始光谱卷积求导预处理后建立的籼米含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的偏最小二乘预测模型，校正集相关系数分别为0.980 3、0.977 0、0.932 3，均方根误差分别为0.279 1%、0.727 4%、0.204 5%；验证集相关系数分别为0.979 3、0.957 1、0.924 9，均方根误差分别为0.300 9%、1.106 7%、0.212 7%。

(3)基于MFC软件开发工具，采用C/C++语言编写了实时检测及控制软件，并将籼米含水率、直链淀粉和蛋白质质量分数的偏最小二乘预测模型植入便携式检测仪，实现了大米品质参数无损检测一键式操作。

(4)试验验证了便携式大米品质无损检测仪的检测精度和稳定性。结果表明，预测的大米含水率、直链淀粉质量分数、蛋白质质量分数的最大变异系数分别为0.024、0.079、0.034；大米样品的含水率、直链淀粉质量分数和蛋白质质量分数的预测值和标准理化值的相关系数分别为0.972 7、0.940 9、0.901 5，预测均方根误差分别为0.363 2%、1.318 1%、0.243 0%。这表明自行设计的检测仪可以实现大米含水率、直链淀粉和蛋白质质量分数实时无损检测。