基于物聯網的煎炸油品質在線檢測系統設計

霍慧清，歐 文，莫宏波，馬晶晶

(1.中國科學院物聯網研究發展中心，江蘇 無錫 214135；2.中國科學院大學,北京 100049；3.中國科學院微電子研究所，北京 100029；4.無錫中科恒源信息科技有限公司，江蘇 無錫 214016)

0 引言

2010年3月的“地溝油”事件將具有中國傳統特色的油炸食品推上風口浪尖。油炸雖然可以殺滅食品中的細菌、延長食品保存期、改善食品的風味、增強食品營養成分的消化性[1]，但是油脂在長時間高溫加熱時會與空氣中的氧氣、水分等發生一系列化學和物理變化[2]，生成一系列對人體有害的物質，嚴重危害人體健康。目前國內外有許多快速檢測的設備，但是還沒有成熟的在線系統用于油脂加熱過程中的有害物質檢測。因此煎炸油品質在線檢測系統的建立對消費者、食品加工廠和政府監管部門都具有重要意義。

1 系統總體設計

系統的總體框架如圖1所示。從功能上系統主要分為兩個系統：傳感器系統(即數據采集模塊)和處理系統(即數據處理和傳輸模塊)。

圖1 系統結構框圖

食用油煎炸過程中的數據采集工作主要由氣體傳感器、叉指式電容傳感器和溫濕度傳感器完成。傳感器在食品加工廠采集數據，然后將采集到的信號通過數據處理模塊進行處理，再由傳輸模塊將整理好的數據包傳輸到物聯網云平臺中。檢測軟件模塊實時獲取云平臺中的數據，并進行分析處理，便于食藥監、環保局等政府機構對整個食品加工過程進行監督管理。

上述兩個部分完成了煎炸油信息從食品加工線到監管部門的傳輸，構成一個完整的煎炸油品質檢測的系統構架。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器簡介

目前國內外用于檢測煎炸油品質的方法主要有化學分析法、光譜法、色譜法、物理分析法等[3-5]。這些方法用到的檢測設備價格高昂、維修費用不菲，雖然結果比較準確，但是由于檢測時間長、操作復雜等原因，并不適合用于在線檢測。經過調研，考慮到可操作性、可靠性方面的問題，最終選擇了以下幾種傳感器用于數據采集。

2.1.1氣體傳感器

隨著加熱時間的延長，油中的醇類、烷烴氨氧化物等揮發性成分的含量均有升高，這使得油煙成為檢測煎炸油品質的重要指標之一。本設備使用的是日本FIGARO公司生產的TGS2600[6]半導體空氣質量傳感器，它能夠靈敏地感知空氣中的CH4、CO、C4H10等氣體，具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩定性好等特性。

該氣體傳感器由傳感器基板、氣敏元件和傳感器蓋帽組成。在檢測氣體時，傳感器的傳導率隨著空氣中待測氣體濃度的變化而變化。在待測氣體不存在的狀態下，附著在金屬氧化物表面的會捕捉電子，呈現出高阻狀態；若有目標氣體存在，則會與產生燃燒反應，導致自由電子數增加，電阻值降低。用測量電路可將電阻值的變化轉化成對應于氣體濃度變化的輸出信號。圖2所示為氣體傳感器測量電路。

圖2 氣體傳感器測量電路

圖2中，VC為電路電壓；VH為加熱器解熱電壓，為傳感器提供一個最佳感應溫度；RS為傳感器金屬氧化物表面產生的電阻值；RL為輸出電壓；VOUT為輸出電壓。

2.1.2叉指式電容傳感器

食用植物油屬于電介質，其在長時間加熱過程中，極性組分的含量不斷增加，脂肪酸組成變化，不飽和程度降低，導致植物油內各類物質所帶電荷數目及電荷空間分布的變化，其電場的分布和強度亦隨之變化。

在電場存在的情況下，食用油極性組分中極化分子的偶極矩沿電場方向排布，產生了一個與原來電場方向相反的電場，使原電場遭到削弱。電場的變化會直接影響電容器的電容值[7]。

對于平行板電容器，其真空時電容值C0計算公式為：

(1)

其中：ε0為真空介電常數(8.85×1012F/m),d為兩極板間距，S為極板面積。

放于煎炸油中平行板電容器的電容值C為：

(2)

其相對介電常數εr公式為：

(3)

煎炸油極性組分含量和相對介電常數有明顯的相關性，因此利用叉指式電容傳感器，通過測量煎炸油中電容值的變化，可得到介電常數的變化。

介電常數與極性組分間的對應關系常通過大量實驗標定得到。李徐[8]以樣本煎炸油實驗室柱層析法測得的極性組分含量作為自變量x，以電容傳感器測得的介電常數作為因變量，得到介電常數和極性組分含量之間的標定方程為：

εr=0.013 7x+3.129 7(R2=0.886 7)

其中，R2是指標定方程給出的自變量、因變量間的關系與其實際關系的相關性。R2值越大表示標定方程越接近介電常數與極性組分的實際關系。

叉指式電極如圖3所示。

圖3 叉指式電極

2.1.3溫度傳感器

通常食用油的沸點都在200 ℃以上，并且考慮到溫度傳感器不能長時間與煎炸油接觸，所以選擇非接觸式紅外溫度傳感器IRTP。該系列紅外傳感器已應用于汽車檢測以及微波爐、HVAC(混成自動電壓控制)等行業，性價比較高。

2.2 硬件電路設計

硬件系統包括傳感器系統和處理系統兩部分。

2.2.1傳感器系統

傳感器系統[9-10]采用STM32處理器，主要原因是該處理器功耗較低，且帶有各類接口(如UART、ADC等)。傳感器系統的具體硬件結構圖如4所示。

圖4 傳感器系統硬件結構圖

傳感器系統的主要功能是通過傳感器接口接收傳感器的各項數據，通過RS485接口發送到數據處理系統，本地主要保證測量傳感器數據的精度，不做任何數據處理。RS485主要用于長距離的串口通信，根據CPU的串口集成情況，采用MAXIM的RS485芯片將UART芯片轉換為485接口信號，完成與傳感器的連接，并實現測量數據的傳輸。

2.2.2處理系統

處理系統[11]采用嵌入式ARM處理器作為核心單元；采用NAND Flash和DDR2 SDRAM芯片進行存儲資源擴展；采用WiFi接口將傳感器系統采集的數據傳輸到計算機終端或顯示終端。硬件結構如圖5所示。

處理系統的主要功能是通過RS485接口接收傳感器設備的測量數據，然后通過WiFi模塊將傳感器數據發送到服務器或者顯示終端。同時該系統具有數據處理能力。RS485主要用于長距離的串口通信。為實現測量數據的無線傳輸，本采集設備集成了WiFi通信模塊，采用RTL8188EU完成WiFi擴展，該WiFi模塊采用USB接口與AM3352完成連接通信，通過操作系統和驅動實現硬件屏蔽，基于Socket通信完成業務數據的傳輸。

3 系統軟件設計

根據硬件組成情況，系統的軟件包括傳感器系統、處理系統、計算機終端、服務器以及PC等顯示終端上的各類工作軟件[12-13]。

3.1 傳感器系統軟件

傳感器系統采用STM32處理器，軟件主要完成傳感器數據的測量、處理和發送。傳感器系統軟件組成框圖如圖6所示。

圖6 傳感器系統軟件組成框圖

STM32處理器上沒有操作系統支持,但是提供了大量的驅動模塊，軟件程序可以直接通過驅動操作相應的外設，進而獲取到傳感器測量數據，從而進行數據預處理，并且通過RS485 發送到采集設備上進行下一步處理。

RS485驅動主要完成串口通信的數據處理，包括數據幀組織、拆解以及差分信號處理。接口協議處理模塊主要是將RS485上傳遞的數據包解析和封裝，從而實現固定格式數據包的處理，方便下一級軟件模塊的處理。傳感器數據測量是通過UART、SPI、IIC接口獲取傳感器的實時測量數據。采集設備握手通信主要實現傳感器系統和采集設備之間的相互信任通信。測量數據預處理模塊是在傳感器數據測量的基礎上進行濾波處理，保證數據測量的精確性。設備狀態查詢主要完成設備各個外設模塊的自檢，保證各個單元無故障運行。硬件驅動模塊提供系統外設的硬件屏蔽，保證軟件處理的簡潔、高效。

3.2 處理系統軟件

處理系統軟件是部署在ARM處理器上的相關工作軟件。其軟件組成框圖如圖7所示。

圖7 處理系統軟件組成框圖

處理系統嵌入軟件工作在Linux操作系統上，軟件通過調用各種硬件驅動模塊來操作各硬件設備，屏蔽硬件信息；傳感器數據獲取部分是采集軟件驅動相應RS485接口到各傳感器系統采集測量數據；上位機握手通信實現處理系統與傳感器系統、處理系統與終端設備之間的相互信任通信；網絡數據傳輸是嵌入式軟件與服務器的網絡通信；測量數據處理是嵌入式軟件對采集到的測量數據進行初步處理并等待服務器收集；設備狀態查詢是嵌入式軟件對各連接設備的狀態檢查并及時告警問題設備，從而保證系統的正常運行。

4 對比實驗及系統測試

為了測試檢測系統的有效性，進行如下實驗。

實驗材料：大豆油，生薯條，油浴鍋，棕櫚油，燒杯，手持漏斗，極性組分檢測儀，油煙檢測儀，樣品保存管，計時器等。

實驗設置：大豆油煎炸馬鈴薯；分別設置150 ℃、165 ℃、180 ℃三組實驗；每組實驗設置空白0(煎炸空白油)、空白1(煎炸薯條)兩個樣本；每個溫度下大豆油均煎炸40小時，每天8小時，連續煎炸5天。

實驗步驟：(1)第一天實驗用兩個2 L燒杯分別量取1.2 L的大豆油；(2)將上述裝有大豆油的燒杯放入裝有棕櫚油的油浴鍋中，棕櫚油油面與燒杯中大豆油油面相同；(3)加熱油浴鍋，將溫度設置成165 ℃(180 ℃)，等待大豆油加熱；(4)當油浴鍋實測溫度達到預設值時開始計時，并按油、薯條質量比10∶1的比值放入生薯條進行煎炸，煎炸時間5 min；(5)每隔1小時用極性組分檢測儀、油煙檢測儀測量當前煎炸油的指標；(6)每隔2小時炸一次薯條；(7)每隔8小時取一次油樣，即每天空白0、1均兩個油樣；(8)樣品低溫保存在冰箱里。后面4天實驗每天重復步驟(3)～(8)。

整個實驗及設備驗證分析表明，極性組分含量的平均測量時間為20 s，其中設備響應時間約為15 s，穩定5 s后進行讀數。極性組分含量檢測設備在不同煎炸時間和煎炸溫度下均能正常工作，測量誤差小于3%。油煙濃度的平均測量時間為10 s，設備能測量在不同煎炸環境下的油煙濃度。溫濕度測量技術相對成熟，實驗數據與實際溫濕度誤差小于2%。部分實驗結果如圖8所示。

圖8 180 ℃極性組分對比實驗結果

圖8中兩條虛線為利用國標法柱層析法測得的極性組分含量范圍，實線為儀器測得的極性組分含量，從圖中可以看到雖然儀器測得的數據波動性較大，但極性組分隨煎炸時間的變化規律與實驗室測得的規律基本一致，數據也與國標法測得的數據范圍相近。

180 ℃油煙濃度測量數據如圖9所示。

圖9 180 ℃油煙濃度測量數據

由圖9可知，隨著煎炸時間的增加，油煙濃度基本呈上升趨勢。在多次實驗獲得大量數據后，該數據可以與極性組分測量數據聯合共同對煎炸油品質進行評價。

5 結束語

本文主要講述了測量煎炸油品質的幾個傳感器的工作原理，在此基礎上設計并實現了基于物聯網技術的煎炸油品質在線檢測系統。經過大量的實驗測試，結果表明該系統能夠采集并顯示煎炸油信息，如溫度、極性組分、油煙濃度等。實驗數據能夠通過WiFi網絡傳送至上位機，上位機軟件也能夠遠程實時獲取煎炸油品質信息，能較好地滿足煎炸油品質檢測的要求。