專利名稱：糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)。
技術(shù)背景
根據(jù)《稻谷存儲品質(zhì)判定規(guī)則》GB/T20569-2006、《小麥儲存品質(zhì)判定規(guī)則》GB/ T20571-2006、《玉米儲存品質(zhì)判定規(guī)則》G13/T20570的規(guī)定，糧食中的脂肪酸值是其存儲 品質(zhì)主要指標(biāo)之一。因此，糧庫在糧食生產(chǎn)區(qū)收購這三種主糧時，對其脂肪酸值的測定就顯 得尤其重要，糧食脂肪酸值的測定通常在實驗室中進(jìn)行，通常用滴定法、比色法和色譜分析 法，這些方法檢測的準(zhǔn)確度較高，但時間長、成本高且需要專業(yè)人員操作。近年也有用便攜 式近紅外糧食品質(zhì)快速檢測儀，但便攜式近紅外現(xiàn)場快速檢測是半定性的，測量結(jié)果的準(zhǔn) 確度不高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中對糧食品質(zhì)現(xiàn)場檢測準(zhǔn)確度不高的缺陷。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，該系 統(tǒng)包括無線采集裝置和信息中心；所述無線采集裝置進(jìn)行現(xiàn)場近紅外光譜區(qū)域的光學(xué)吸收 信號采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)將信號傳送給信息中心，信息中心接收無線采集裝置 傳送的信號并進(jìn)行處理；所述信息中心包括評價模型與分析裝置，所述評價模型與分析裝 置接收無線采集裝置傳送的信號后，建立模型，通過建立的模型分析糧食樣品；所述建立模 型為建立糧食數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型試建、模型評價和模型確定；所述分析糧食樣品為 模型選擇、組分分析、后處理和結(jié)果評價分析糧食樣品，得到相應(yīng)的脂肪酸值。
本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計在于，所述無線采集裝置包括近紅外發(fā)光光源、濾光片、菲涅 爾透鏡、樣品池、檢測器、微處理器和GPRS模塊；所述近紅外發(fā)光光源發(fā)出近紅外線依次經(jīng) 過濾光片、菲涅爾透鏡入射樣品池，經(jīng)樣品池透射出的近紅外線通過檢測器轉(zhuǎn)換成方波輸 送至微處理器進(jìn)行處理，處理得到的信號傳送給GPRS模塊，并由GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)傳送給 信息中心。
其中近紅外發(fā)光光源為3X4近紅外發(fā)光二極管陣列，波長為800-1 lOOnm，且每一 支都具有單獨的可調(diào)的恒流電路；檢測器為光傳感器TSL245 ；微處理器選用TMS320C2XXX 系列的DSP芯片；GPRS模塊主要由GPRS MC55芯片構(gòu)成。
本發(fā)明糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)具有以下優(yōu)點1.能夠在產(chǎn)糧區(qū)現(xiàn)場 采集要存儲糧食的品質(zhì)信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)和Internet，對糧食儲存品質(zhì)進(jìn)行在線與實時 評價，可以遠(yuǎn)程實時了解所要存儲糧食的品質(zhì)；2.現(xiàn)場采集裝置，結(jié)構(gòu)簡單，特別是應(yīng)用 TSL245光傳感器使得該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高；3.根據(jù)檢測結(jié)果，在收購現(xiàn)場確定是否 收購所檢測的糧食，以節(jié)約糧食的收購成本。


圖1為本發(fā)明的糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)組成框圖； 圖2為圖1中無線采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中近紅外發(fā)光二極管的電流調(diào)整電路示意圖； 圖4為本發(fā)明的評價模型與分析裝置的處理過程示意圖； 圖5為本發(fā)明的評價模型與分析裝置的建立模型過程示意圖； 圖6為本發(fā)明的糧食脂肪酸值計算方法流程圖；圖7為某品種水稻脂肪酸值根據(jù)本發(fā)明在特征波段建立的測定模型的預(yù)測散點圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示該快速檢測無線系統(tǒng)包括無線采集裝置和信息中心，無線采集裝置進(jìn) 行現(xiàn)場近紅外光譜區(qū)域的光學(xué)吸收信號采集，并依次通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)將信號傳送 給信息中心；信息中心接收無線采集裝置傳送的信號并進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的脂肪酸值。
無線采集裝置是根據(jù)糧食(稻谷、小麥、玉米)中各種有代表性的有機(jī)成份在近紅 外光譜區(qū)域的光學(xué)吸收特性、各成份的最強(qiáng)吸收波長的不同，吸收強(qiáng)度與糧食有機(jī)含量間 的正比關(guān)系，通過對樣品已知化學(xué)成份含量與其近紅外光譜測定結(jié)果回歸分析，建立起定 標(biāo)方程，即可對同一種相似類型的未知樣品成份含量進(jìn)行估測。由于吸收弱，近紅外光具有 比中紅外和可見光更強(qiáng)的穿透能力，不用稀釋可以直接測定樣品的主要成分，可以透過較 厚的樣品，實現(xiàn)長光程測定。長光程的透射法用近紅外光譜早期在農(nóng)副產(chǎn)品中的應(yīng)用，大多 是通過漫反射技術(shù)實現(xiàn)的。漫反射法為保證足夠的信號強(qiáng)度，需要有效的收集散射光，光路 結(jié)構(gòu)通常較復(fù)雜。為提高采集裝置的可靠性，并降低光路成本，本系統(tǒng)采用短波近紅外區(qū)的 透射法。結(jié)合圖2，無線采集裝置包括3X4近紅外發(fā)光二極管(LED)陣列組成的光源1、濾 光片2、菲涅爾透鏡3、樣品池4、檢測器5、微處理器6和GPRS模塊7。近紅外發(fā)光二極管 發(fā)出波長為SOO-IlOOnm的近紅外線依次經(jīng)過濾光片2、菲涅爾透鏡3入射樣品池4，經(jīng)樣品 池4透射出的近紅外線通過檢測器5轉(zhuǎn)換成方波輸送至微處理器6進(jìn)行處理，處理得到的 信號傳送給GPRS模塊7，并由GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)傳送給信息中心。該無線采集裝置還包括 電源模塊10、連接微處理器6的液晶顯示器8、連接GPRS模塊7的SIM卡插座9，其中電源 模塊10對近紅外發(fā)光二極管陣列、檢測器、微處理器和GPRS模塊供電，液晶顯示器8現(xiàn)場 直觀顯示微處理器對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。
為了保證光源的穩(wěn)定，每一支近紅外LED都有單獨的可調(diào)的恒流電路，使用4-16 譯碼器⑶4515實現(xiàn)對近紅外二極管陣列進(jìn)行通斷控制，在集電極的ULN2003 (反相器)增 加了 LED的電流驅(qū)動能力。結(jié)合圖3，LM336作為電壓基準(zhǔn)R，為其限流電阻，調(diào)節(jié)電位器R2 的一端接在ULN2003的輸出端，另一端與三極管2N222的發(fā)射極連接，通過三極管2N222增 加近紅外的電流驅(qū)動能力，同時近紅外LED上也可以得到穩(wěn)定的電流。
檢測器5選用美國德州儀器(Tl)公司生產(chǎn)的新型紅外線光頻轉(zhuǎn)換器TSL245，它在 一個單片CMOS集成電路上組合了一個硅二極管和一個電流一頻率轉(zhuǎn)換，當(dāng)紅外線照射到 硅光電二極管時，二極管產(chǎn)生與光照度成正比例的導(dǎo)通電流，再由電流一頻率轉(zhuǎn)換器將此4電流轉(zhuǎn)換成一個頻率與它成比例的方波(占空比為50%)，即TSL245輸出的是一個方波，且 頻率與所施加的光照度成精確的正比例關(guān)系，具有良好的線性度；它同時也是一個完全的 可見光截止濾波器，TSL245輸出的方波直接到微處理器DSP的I/O 口。
微處理器6選用美國德州儀器(Tl)公司生產(chǎn)的TMS320C2XXX系列DSP芯片，該芯 片處理能力強(qiáng)，指令周期最短為25ns，運算能力達(dá)40MIPS，片內(nèi)具有較大的閃速存儲器，功 耗低，資源配置靈活。選用該系列DSP芯片運行數(shù)據(jù)預(yù)處理中的小波變換程序，該小波變換 處理從信號本身特性出發(fā)，通過在小波域系數(shù)反應(yīng)的信號特征，來制定處理信號的策略，小 波域體現(xiàn)的信號特征主要包括自相似性、間斷點檢測和信號發(fā)展趨勢；通過小波變換處 理能夠降低檢測誤差，提高檢測精度也就是提高光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量，消除相同成分含量、甚至 同一樣品的糧食近紅外光譜數(shù)據(jù)之間的差異，提高信噪比，改變變化域。
GPRS模塊7主要由GPRS MC55芯片構(gòu)成，實現(xiàn)與hternet網(wǎng)連接。GPRS/Internet 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)將GPRS網(wǎng)絡(luò)11的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化成hternet數(shù)據(jù)格式，信息中心可以通過 Internet，實現(xiàn)糧食(稻谷、小麥、玉米)存儲品質(zhì)遠(yuǎn)程無損檢測。
由GPRS模塊7接入Internet，因為在GPRS MC55模塊內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧，由 AT指令控制使應(yīng)用程序很容易接入網(wǎng)絡(luò)。這一方案的優(yōu)點在于它不需應(yīng)用程序，開發(fā)商執(zhí) 行自己的TCP/IP和PPP棧，這樣最小化了將網(wǎng)絡(luò)連接成一個新的或已經(jīng)存在的應(yīng)用程序所 需的成本和時間。
信息中心具有評價模型與分析裝置，結(jié)合圖4，該評價模型與分析裝置通過建立模 型和分析糧食樣品對糧食品質(zhì)進(jìn)行檢測；建立模型過程依次包括建立糧食數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù) 預(yù)處理、模型試建、模型評價和模型確定；分析糧食樣品過程依次包括模型選擇、組分分 析、后處理和結(jié)果評價。
采用偏最小二乘法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法，研究建立近紅外光譜分析應(yīng)用模型 方法，分析數(shù)據(jù)的相關(guān)性、一次和常數(shù)項誤差、光譜噪聲對模型性能的影響，并提出消除其 影響的措施。根據(jù)現(xiàn)場定量分析要求，提出分析數(shù)據(jù)的后處理方法，設(shè)計與研制儀器配套的 被測樣品成分含量近紅外光譜定量分析軟件并開發(fā)核心模塊。結(jié)合圖5，建立模型的具體過 程為將采集的糧食樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定、選擇后建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時將選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢 測、數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到分析數(shù)據(jù)，對比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型試建，對試建的模型 進(jìn)行評價，確定模型，將確定的模型進(jìn)行分析應(yīng)用，在應(yīng)用的過程中不斷進(jìn)行維護(hù)，對模型 確定進(jìn)一步改進(jìn)。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理采用矩陣預(yù)處理，加大建模樣品間的差異。通過無線采 集裝置中DSP的小波變換預(yù)處理和建立模型過程中的矩陣預(yù)處理兩種方法的聯(lián)合使用可 提高建模的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性。
通過分段線性回歸分析建立近紅外光譜的頻率與糧食中的脂肪酸的數(shù)學(xué)模型方 程，如圖6所示，再通過無線采集裝置，對糧食樣品的吸光度信息采集，每得到一個近紅外 光譜的頻率y值，就可以計算出相應(yīng)的糧食脂肪酸值χ。
信號采集模塊得到近紅外光譜的頻率值y 在y<ykl時，運用模型方程x=miy+ni計 算出糧食脂肪酸χ值；在ykl ^ y<yk2時，運用模型方程x=m2y+n2計算出糧食脂肪酸χ值；在 yk2 ( y<yk3時，運用模型方程x=m3y+n3計算出糧食脂肪酸χ值；在yk3 ( y<yk4時，運用模型 方程χ= yk3彡y<yk4計算出糧食脂肪酸χ值；在y > yk4時，運用模型方程x=m5y+n5計算出 糧食脂肪酸χ值。
圖7為某品種水稻脂肪酸值根據(jù)本發(fā)明在特征波段建立的測定模型的預(yù)測散點 圖。從圖中可以看到，數(shù)據(jù)點距離擬合直線集中，準(zhǔn)確率高。
權(quán)利要求
1.一種糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括無線采集裝置和 信息中心；所述無線采集裝置進(jìn)行現(xiàn)場近紅外光譜區(qū)域的光學(xué)吸收信號采集，并通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)將信號傳送給信息中心，信息中心接收無線采集裝置傳送的信號并進(jìn)行處 理；所述信息中心包括評價模型與分析裝置，所述評價模型與分析裝置接收無線采集裝置 傳送的信號后，建立模型，通過建立的模型分析糧食樣品；所述建立模型為建立糧食數(shù)據(jù) 庫、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型試建、模型評價和模型確定；所述分析糧食樣品為模型選擇、組分分 析、后處理和結(jié)果評價分析糧食樣品，得到相應(yīng)的脂肪酸值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，其特征在于所述無線 采集裝置包括近紅外發(fā)光光源(1)、濾光片(2)、菲涅爾透鏡(3)、樣品池(4)、檢測器(5)、微 處理器(6)和GPRS模塊(7)；所述近紅外發(fā)光光源(1)發(fā)出近紅外線依次經(jīng)過濾光片(2)、 菲涅爾透鏡(3)入射樣品池(4)，經(jīng)樣品池(4)透射出的近紅外線通過檢測器(5)轉(zhuǎn)換成方 波輸送至微處理器(6)進(jìn)行處理，處理得到的信號傳送給GPRS模塊(7)，并由GPRS網(wǎng)絡(luò)和 因特網(wǎng)傳送給信息中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，其特征在于所述近紅 外發(fā)光光源為3 X 4近紅外發(fā)光二極管陣列，波長為800-1 lOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，其特征在于所述近紅 外發(fā)光二極管陣列(1)每一支都具有單獨的可調(diào)的恒流電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，其特征在于所述檢測 器(5)為光傳感器TSL245。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，其特征在于所述微處 理器(6)選用TMS320C2XXX系列的DSP芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，其特征在于所述GPRS 模塊(7)主要由GPRS MC55芯片構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種糧食品質(zhì)近紅外快速檢測無線系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括無線采集裝置和信息中心；無線采集裝置進(jìn)行現(xiàn)場近紅外光譜區(qū)域的光學(xué)吸收信號采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)將信號傳送給信息中心，信息中心接收無線采集裝置傳送的信號并進(jìn)行處理；所述信息中心包括評價模型與分析裝置，所述評價模型與分析裝置接收無線采集裝置傳送的信號后，建立模型，通過建立的模型分析糧食樣品；所述建立模型為建立糧食數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型試建、模型評價和模型確定；所述分析糧食樣品為模型選擇、組分分析、后處理和結(jié)果評價分析糧食樣品，得到相應(yīng)的脂肪酸值。通過該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程即時的糧食品質(zhì)檢測，從而節(jié)省糧食的收購成本。
文檔編號G08C17/02GK102042968SQ20101055673
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者伍之昂, 吳明贊, 曹杰, 李秀怡 申請人:南京理工大學(xué), 南京財經(jīng)大學(xué)