蘋果無損糖度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

鄧芷惠，蘇彩珍，吳玉婷，楊 敏

（梧州學(xué)院，廣西梧州 543002）

基于近紅外光譜分析技術(shù)，對(duì)水果進(jìn)行無損糖度檢測以確定水果品質(zhì)的研究一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。近紅外光譜分析技術(shù)現(xiàn)階段主要應(yīng)用于蘋果、梨、芒果、橘子及哈密瓜等水果的品質(zhì)檢測。由于光譜技術(shù)研究的不斷精進(jìn)，檢測系統(tǒng)向在線式、小型式、便捷式方向發(fā)展。從近年來國內(nèi)外水果糖度檢測儀的發(fā)展走勢可知，在相關(guān)技術(shù)、銷售份額等方面國外已經(jīng)存在較為成熟的研究和應(yīng)用。我國雖然起步晚，但起點(diǎn)高，其中相關(guān)技術(shù)的研究及發(fā)展機(jī)遇還是相當(dāng)大的[1]。我國作為世界上最大的水果種植大國，通過科技手段改善農(nóng)業(yè)問題能給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大效益[2]。

本研究設(shè)計(jì)了一款可通過智能手機(jī)攝像頭分析光譜得到蘋果糖度的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)主要由發(fā)光收光模塊，光譜成像模塊及手機(jī)攝像頭調(diào)用的App 組成。其利用收集蘋果漫反射的近紅外光得到光譜，手機(jī)CMOS 接收光譜后進(jìn)行分析并和數(shù)據(jù)庫比對(duì)得出蘋果的糖度。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化組合，成本低廉，制作難度低，使用便捷，同時(shí)保證了準(zhǔn)確性，可實(shí)際應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植和采購銷售當(dāng)中。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

該檢測系統(tǒng)硬件部分主要由發(fā)光收光模塊、成像模塊和手機(jī)CMOS 模塊組成。在系統(tǒng)的整體外形上考慮到便攜和易拼裝的因素，采用了一個(gè)20 cm×20 cm 的正方體結(jié)構(gòu)作為各模塊的整合容納空間，將發(fā)光收光模塊、光譜成像模塊整合到一起，極大地縮小了體積。在外壁上選擇了耐熱低廉的隔熱硬木板，使用黑色醋酸絕緣吸光膠帶進(jìn)行內(nèi)壁的避光處理。裝置整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

發(fā)光收光模塊是在檢測糖度試驗(yàn)中不可或缺的一環(huán)，恰當(dāng)?shù)墓庠催x擇可以使系統(tǒng)性能更加良好，關(guān)系到整個(gè)檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定情況和結(jié)構(gòu)精密程度。檢測中，在能夠反映水果特征峰的波長段內(nèi)，光源必須要保持良好的穩(wěn)定性，同時(shí)光源所能涵蓋的波長范圍也決定著儀器對(duì)波長的檢測范圍。由于本系統(tǒng)針對(duì)蘋果，采用漫反射的檢測方法，在光源的選擇上采用發(fā)光強(qiáng)度高、功率小、性能穩(wěn)定性好的額定電壓為12 V，額定功率為15 W 的鹵鎢燈，其光譜范圍可覆蓋380～2 500 nm，價(jià)格便宜且壽命長。在聚集光源的工具選擇上采用焦距為23 mm，直徑為44 mm 的凸透鏡。發(fā)光模塊結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 發(fā)光模塊結(jié)構(gòu)圖

成像模塊決定著成像質(zhì)量，影響光譜成像。在接收光中存在透視式、反射式以及漫反射式3 種光譜收集方式，光路見圖3。反射式的光譜測量要求探頭與測量樣品存在間隔距離，增加了光路的消耗；透射式的光譜采集需要進(jìn)入的光穿透被測物，導(dǎo)致了光路的增加，并且無法保證果核的存在是否會(huì)增加檢測誤差；反射式和透射式這兩種采集方式都存在由于光路增加而引起的近紅外光譜的損耗，所以都需要提供大量的入射光來補(bǔ)償，才能得到足夠強(qiáng)度的近紅外光譜。漫反射光是指光進(jìn)入蘋果樣品內(nèi)部后，發(fā)生了散射、折射、衍射和吸收后又返回光照蘋果樣品的表面。漫反射光同樣可以反映蘋果樣品的結(jié)構(gòu)和組織等信息，可以用來定量分析。它具有分析速度快、測定組分多、非破壞測試等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于蘋果品質(zhì)的定量分析中[1]。所以，漫反射是更加合理和有效的反射方法。

圖3 反射、透射及漫反射光路圖

在考慮外界影響因素的損耗下，采用MMA（聚甲基丙烯酸甲酯聚合物）軟質(zhì)通體傳感光纖作為接收光強(qiáng)的光纖傳感器，具有運(yùn)輸快速、光損失效率小等優(yōu)點(diǎn)，很好地完成了漫反射的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在收光光纖后安裝一個(gè)自制光譜儀，它的作用是光譜成像。內(nèi)部光譜儀結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 內(nèi)部光譜儀結(jié)構(gòu)圖

在測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在20 cm×20 cm 的正方體空間上方放置了由吸光黑色海綿填充的圓柱式光纖傳感器作為放置檢測樣品的檢測臺(tái)。每次測量開始前需要先放置一個(gè)反射燈罩檢測鹵鎢燈光譜，再放置待測蘋果樣品進(jìn)行近紅外光譜檢測。在該測量儀器的側(cè)方，對(duì)應(yīng)的是光譜儀成像圖像，將智能手機(jī)的攝像頭對(duì)準(zhǔn)成像口，利用手機(jī)CMOS 接收光譜圖像在軟件部分進(jìn)行分析。放置樣品檢測臺(tái)見圖5。

圖5 放置樣品檢測臺(tái)

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)同時(shí)需要硬件與軟件共同工作，要求在軟件的編寫中錄入數(shù)量較大、品種較多的蘋果光譜數(shù)據(jù)庫，以便于在檢測中得到更加精確的糖度數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)通過搭建軟件工程對(duì)蘋果光譜進(jìn)行分析研究。主成分分析法算法（Principal Component Analysis，PCA）是一種使用最廣泛的數(shù)據(jù)壓縮算法[3]。在PCA 中，數(shù)據(jù)只能夠通過其本身來轉(zhuǎn)換不同的坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系時(shí)，以方差最大的方向作為坐標(biāo)軸。第一個(gè)新坐標(biāo)軸選擇的是原始數(shù)據(jù)中方差最大的方向，第二個(gè)新坐標(biāo)軸選擇的是與第一個(gè)新坐標(biāo)軸正交且方差次大的方向。重復(fù)該過程，重復(fù)次數(shù)為原始數(shù)據(jù)的特征維數(shù)，通過這種方式獲得新的坐標(biāo)系。可見，大部分方差都包含在前面幾個(gè)坐標(biāo)軸中，后面的坐標(biāo)軸所含的方差幾乎為0。因此可以忽略余下的坐標(biāo)軸，只保留前面的幾個(gè)含有絕大部分方差的坐標(biāo)軸。事實(shí)上，這樣也就相當(dāng)于只保留包含絕大部分方差的維度特征，而忽略包含方差幾乎為0 的維度特征，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)特征的降維處理[4]。進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)收集等處理后準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、有效地將蘋果樣品反射回來的光譜信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳遞至結(jié)合既定的數(shù)字模型進(jìn)行分析處理，從而完成對(duì)蘋果糖度的檢測，最終測量數(shù)值將在手機(jī)軟件中相應(yīng)模塊進(jìn)行顯示。鹵鎢燈光譜標(biāo)定降維過程見圖6。

圖6 鹵鎢燈光譜標(biāo)定降維過程

選擇一定數(shù)量的、具有代表性的樣本，通過控制變量的方式在保證單一方式要求下進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集。本研究中主要采用了市面上比較有明顯特征的蘋果品種（紅富士、黃元帥和冰糖心），對(duì)蘋果樣品的光譜進(jìn)行采集整理。經(jīng)過PCA 算法預(yù)處理[5]后與標(biāo)準(zhǔn)糖度儀采集到的糖度值進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，建立兩組量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即數(shù)學(xué)模型，通過Python程序語言建立蘋果的糖度預(yù)測數(shù)學(xué)模型，再由該數(shù)學(xué)關(guān)系從光譜數(shù)據(jù)對(duì)比出待測量的預(yù)估值。

檢測蘋果糖度的App 是自主開發(fā)的Apple Camera，它是通過Android Studio、JDK8 開發(fā)工具及Windows10 操作系統(tǒng)開發(fā)的一款手機(jī)可下載安裝使用的App。①創(chuàng)建一個(gè)Camera Demo-master 項(xiàng)目，搭建糖度測儀的界面布局，導(dǎo)入界面圖片，在布局文件中設(shè)置兩個(gè)Image View 控件用于接收蘋果光譜圖像，1 個(gè)Button 用于計(jì)算水果的糖度，1 個(gè)Text View 控件用于顯示計(jì)算的糖度結(jié)果。②在糖度攝像界面設(shè)計(jì)選擇Item 布局，在布局文件中分別設(shè)置4個(gè)Text View 控件用于顯示拍攝水果時(shí)需提供的拍攝條件，設(shè)置2 個(gè)Text View 控件用于拍攝水果時(shí)選擇相應(yīng)的曝光和焦距。使用該軟件的步驟為先安裝至手機(jī)系統(tǒng)；打開后先調(diào)節(jié)相應(yīng)的相機(jī)焦距和曝光時(shí)長，依次點(diǎn)擊主頁左右兩個(gè)相機(jī)拍攝鹵鎢燈和蘋果的光譜。③點(diǎn)擊計(jì)算按鈕即可得到糖度值。由于智能手機(jī)的攝像頭安裝了濾光片，在很大程度上手機(jī)無法接收到近紅外光。但研究發(fā)現(xiàn)，越老舊的手機(jī)攝像頭可捕捉到的近紅外光越清晰，且不同型號(hào)的手機(jī)中使用的手機(jī)鏡頭和處理模式都存在差異。在本系統(tǒng)中使用手機(jī)型號(hào)為RealmeV3（RMX2200）的智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過增加曝光時(shí)間和調(diào)節(jié)焦距改善接收光譜。App 主頁面見圖7。

圖7 App 主頁面

2 系統(tǒng)測量結(jié)果分析

在對(duì)該設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測試時(shí)，對(duì)同一個(gè)蘋果的同一部位進(jìn)行對(duì)比測量，對(duì)比儀器使用的是市面上的愛拓PAL-1 數(shù)顯測糖儀。由于時(shí)間及資金等因素的影響，該對(duì)比試驗(yàn)一共檢測了3 個(gè)品種共500個(gè)蘋果，一個(gè)蘋果分3 個(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)行糖度測量，再計(jì)算出平均糖度。如圖8、表1所示，設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測的糖度與市面儀器檢測的糖度的曲線相差不大，通過誤差公式可求得誤差在0.80%～26.32%，準(zhǔn)確度較高。

圖8 紅富士蘋果糖度對(duì)比

表1 誤差計(jì)算結(jié)果表（糖度單位：°Bx）

3 結(jié)論

在經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)利用近紅外光譜無損測量糖度的技術(shù)在蘋果上可以得到體現(xiàn)，智能手機(jī)與簡易硬件設(shè)備的結(jié)合也預(yù)示了該技術(shù)存在的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。目前試驗(yàn)中所采用的水果均為健康、無病害的水果，而針對(duì)內(nèi)部有損害或表面有破損的蘋果接收波長的分析還需要進(jìn)一步研究。