基于可见/近红外光谱的苹果内部多品质参数一体化便携式检测设备研发

作     者：全朋坤 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张海辉

授予年度：2019年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 083203[工学-农产品加工及贮藏工程] 

主      题：苹果 多品质参数 窄带LED光源 特征波长 可见近红外光谱 

摘      要：目前消费者对苹果的需求从“数量型逐渐向“质量型转变,人们更加注重苹果的内部品质,衡量苹果内部品质的主要指标有糖度值、酸度值、硬度值。近红外光谱检测具有不破坏、易操作和效率高等特点,已在水果品质领域得到广泛应用,然而目前近红外光谱技术大多采用宽波段检测方法,存在应用成本高、能耗大、光谱信息冗余和分析过程复杂等问题。本文提出了一种光电二极管和特征窄带LED相结合的检测方式,研发了基于可见/近红外光谱检测技术的苹果多品质一体化无损检测设备。实现了苹果内部品质的快速无损检测。对指导苹果采收、出库时间和销售价格等具有重要意义,有助于促进苹果产业的健康发展,本文研究内容和结论如下:(1)构建漫反射检测平台并提取特征波长。基于光谱仪构建的苹果内部品质漫反射光谱采集平台,采集样本的漫反射光谱信息,利用理化特性测定苹果的糖度和酸度,利用质构仪测定硬度。首先利用蒙特卡罗采样法检测异常数据并剔除,之后利用竞争自适应加权算法、移动窗口算法、蒙诺卡罗无信息消除算法和随机蛙跳算法分别提取了与苹果内部品质三个指标(糖度值、酸度值、硬度值)的特征波长,最终优选了与三个指标最相关的10个特征波长,分别为420、445、480、510、600、690、730、900、970、1035 nm。(2)基于漫反射光谱原理的检测设备硬件设计。利用10个特征窄带LED和光电传感器相结合的检测方法,以树莓派3b+为核心处理器,设计了漫反射检测光路、窄带LED环形光源、检测探头、光源驱动、光谱采集、设备外形、用户交互、二维码存储和打印功能、控制电路等硬件系统。(3)基于Linux系统的检测设备软件设计。设计研发控制程序、品质信息的二维码存储、云平台记录以及人机交互界面。根据嵌入式软件系统开发要求,构建基于Linux操作系统的软硬件开发平台,16进制编码的苹果品质信息,TTL电平实现品质信息的传输,HTTP协议的品质信息云平台记录,以及基于QT设计的用户交互界面,最终完成系统的软件设计。(4)构建苹果内部品质预测模型,进而对嵌入的苹果内部品质模型进行验证和测试。利用设备采集的光谱信息以及测定的品质信息,构建基于MLR的苹果内部品质预测模型,并将其移植到树莓派。最后,对设备进行检测精度和稳定性验证与测试。结果表明,苹果内部品质三个指标的决定系数分别为0.8085、0.7592和0.7651,均方根误差分别为0.5875Brix、0.0389%和0.4125 kg/cm,最大变异系数分别为0.0112、0.0115和0.0061,可以满足正常的检测要求,且设备的稳定性较好。设备功耗测试显示,可在最大功耗下持续工作7.5小时,满足使用者正常的用量需求。