基于物聯(lián)網(wǎng)框架下的近紅外果蔬品質(zhì)檢測及溯源系統(tǒng)研究

0 引 言

俗話說 ：民以食為天。在我們?nèi)粘Ｉ畹娘嬍持?，果蔬需求占?jù)較大比例，尤其是盛夏時(shí)節(jié)，各種美味可口的果蔬更是人們汲取營養(yǎng)成分和消暑解渴的最佳選擇，比如西瓜、葡萄、石榴等。但由于市場上果蔬銷售情況魚龍混雜，缺乏有效監(jiān)督和相關(guān)管理政策、法規(guī)的約束，使得市場上銷售的果蔬產(chǎn)品品質(zhì)有優(yōu)有劣，人們經(jīng)常購買到一些內(nèi)部變質(zhì)腐爛、甜度不夠甚至表面含有農(nóng)藥殘留的果蔬，嚴(yán)重欺騙了廣大消費(fèi)者并危害了人們的身體健康，同時(shí)也給果蔬銷售和市場管理帶來了極大的弊端。對于果蔬品質(zhì)檢測而言，廣大老百姓都通過肉眼觀察或憑借經(jīng)驗(yàn)來判斷所購買的果蔬品質(zhì)，由于人們只是片面地觀察果蔬的成色、表面光滑度、紋理和外形等，無法真正了解果蔬內(nèi)部的甜度、營養(yǎng)成分及其產(chǎn)地，因此，僅靠經(jīng)驗(yàn)往往會(huì)與實(shí)際存在較大偏差，極大地打擊了廣大消費(fèi)者購買果蔬的積極性，浪費(fèi)了廣大消費(fèi)者的錢財(cái)。若想準(zhǔn)確了解果蔬品質(zhì)， 可通過儀器檢測。過去檢測果蔬品質(zhì)的方法有多種，比如生物傳感法[1]、圖像檢測法[2] 和液相/ 氣相色譜 [3,4] 等，這些檢測方法各有優(yōu)劣。生物傳感法最常見的是電子舌，主要利用電子傳感系統(tǒng)來模仿人類的舌頭等味覺器官的功能，加之先進(jìn)的計(jì)算程序，對被檢測對象的品質(zhì)進(jìn)行鑒別。但受限于電子傳感器靈敏度和穩(wěn)定度等因素，往往很難對果蔬口感等重點(diǎn)表征信息進(jìn)行準(zhǔn)確分析，且電子舌方便對液態(tài)樣品進(jìn)行檢測，而市面上許多果蔬往往都是非液態(tài)的。圖像檢測法主要通過圖像采集器結(jié)合圖像處理算法，對果蔬表面顏色和外形進(jìn)行圖像識別和分類，但對于果蔬內(nèi)部的甜度和營養(yǎng)成分等則無法判斷。液相和氣相色譜法是一種化學(xué)分析法，該方法通常需要將果蔬切碎、搗爛并提取果汁，然后在果汁中加入某些化學(xué)試劑來測試其有效成分，利用液相和氣相色譜儀進(jìn)行檢測分析。該方法需要對檢測樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，且需要專業(yè)的檢測人員才能完成檢測操作，價(jià)格昂貴，不適合市場上果蔬品質(zhì)的檢測。此外，由于人們對目前市場上銷售的果蔬原產(chǎn)地信息一無所知，大部分都聽銷售果蔬的攤販自行介紹，因此， 難免遇到部分銷售果蔬的攤販將國內(nèi)某省出產(chǎn)的果蔬說成是進(jìn)口果蔬來欺騙廣大消費(fèi)者，謀求不當(dāng)利益。而普通消費(fèi)者花了高價(jià)錢卻無法買到對應(yīng)價(jià)格的果蔬，造成了極大的信息不對稱。尤其較多人遇到所購果蔬品質(zhì)低劣和溯源有誤等欺詐事件時(shí)，往往都忍氣吞聲，或僅與銷售攤販理論，而無法讓其他消費(fèi)者及市場監(jiān)督和管理人員知曉，使得此類欺騙事件層出不窮，導(dǎo)致廣大消費(fèi)者的權(quán)益無法得到保障，銷售市場秩序也無法得到有效整頓。

目前，市場上急需一種檢測精度高、方便快捷、性價(jià)比高的果蔬品質(zhì)檢測和溯源系統(tǒng)，以完善和根治果蔬銷售市場存在的各種問題。因此本文提出了一種借助物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái) [5]， 利用近紅外光譜檢測果蔬品質(zhì)的方法[6]，同時(shí)也可以對所銷售果蔬的產(chǎn)地信息進(jìn)行溯源。一方面可以方便人們清楚了解所購買果蔬的品質(zhì)和產(chǎn)地，做到隨心、放心購買 ；另外一方面， 還可以利用物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)，對所購果蔬的品質(zhì)和溯源信息進(jìn)行信息反饋和發(fā)布，做到信息共享，有利于市場監(jiān)督和管理人員對銷售品質(zhì)不合要求和信息不符果蔬的商販進(jìn)行整頓，使不合格的果蔬無處遁形。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的近紅外果蔬品質(zhì)檢測和溯源系統(tǒng)構(gòu)成

本研究系統(tǒng)主要由果蔬品質(zhì)檢測、果蔬產(chǎn)地溯源和信息發(fā)布及共享平臺(tái)組成，如圖 1 所示。

果蔬品質(zhì)檢測和產(chǎn)地溯源是 2 個(gè)相互獨(dú)立的功能單元，可完成對所購果蔬的品質(zhì)檢測和產(chǎn)地溯源查詢。這 2 個(gè)功能單元以信息發(fā)布和共享物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為依托，將檢測到的果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地信息與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中的信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配和分類識別，一方面可以完成對被測果蔬品質(zhì)的檢測及產(chǎn)地歸屬查詢， 另一方面可以對品質(zhì)和產(chǎn)地信息符合要求的果蔬及賣家給予好評，對所檢果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地信息不符合標(biāo)準(zhǔn)的果蔬及賣家給予差評，并將不符合標(biāo)準(zhǔn)的果蔬及賣家信息通過物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)對外實(shí)時(shí)發(fā)布，謹(jǐn)防其他消費(fèi)者上當(dāng)受騙。同時(shí)也可以讓市場管理人員對銷售不符合標(biāo)準(zhǔn)果蔬的賣家進(jìn)行懲戒、監(jiān)督和管理。借助互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，如電腦、手機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等發(fā)布信息。以互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備為載體，通過設(shè)備外置的USB 接口或以太網(wǎng)接口與果蔬檢測探頭相連，并且在互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備上安裝App 軟件，將果蔬檢測探頭獲取的果蔬光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，通過 App 軟件將實(shí)時(shí)檢測的數(shù)據(jù)與果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地信息平臺(tái)中專家數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分類識別，借助物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)讓單個(gè)消費(fèi)者知道所檢測果蔬是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并通過物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)將廣大消費(fèi)者檢測的各類果蔬光譜數(shù)據(jù)信息補(bǔ)充到專家數(shù)據(jù)庫中，利用廣大消費(fèi)者自測數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)完備、功能強(qiáng)大的大數(shù)據(jù)平臺(tái)。通過云計(jì)算和云服務(wù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以更方便、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對被測果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地信息的精準(zhǔn)檢測。

2 近紅外光譜技術(shù)在果蔬品質(zhì)和溯源中的應(yīng)用

本研究通過對近紅外光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地溯源的檢測。近紅外光譜技術(shù)是光學(xué)無損檢測技術(shù)中一個(gè)非常典型和重要的代表。近紅外光譜技術(shù)的果蔬品質(zhì)和溯源檢測系統(tǒng)如圖 2 所示。

2.1 近紅外光譜檢測技術(shù)

由于果蔬有用成分對近紅外波段的光有特征吸收特性， 在近紅外光譜數(shù)據(jù)中的某個(gè)波長處會(huì)表現(xiàn)出與其他波長不同的波形曲線。本文通過光譜檢測探頭進(jìn)行果蔬光譜檢測。光譜檢測探頭由光源、準(zhǔn)直透鏡、凹面光柵和光譜探測器構(gòu)成， 其原理如圖 3 所示。

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首先具有連續(xù)光譜的光源發(fā)射光束照射被測果蔬，入射光被果蔬表面和內(nèi)部吸收后，通過漫反射作用，光經(jīng)過檢測探頭的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，并經(jīng)凹面光柵對準(zhǔn)直光進(jìn)行光譜衍射產(chǎn)生一條線性光譜帶投射到光譜探測器上，光譜探測器將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號后，依次經(jīng)過信號放大器、USB 數(shù)據(jù)采集卡對果蔬光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采集，然后通過USB 數(shù)據(jù)線輸入到互聯(lián)網(wǎng)用戶終端設(shè)備上，如電腦和手機(jī)等， 并在互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端完成光譜數(shù)據(jù)的對比、分類識別和信息發(fā)布及共享等操作。

2.2 近紅外光譜預(yù)處理和專家診斷系統(tǒng)

對果蔬品質(zhì)的檢測，主要是對果蔬中含有的果糖、可溶性固形物和各類維生素等進(jìn)行近紅外光譜探測。但果蔬中還含有其他物質(zhì)成分，如水分、纖維素和果酸等，這些成分尤其是水分將對果蔬中有用成分的光譜檢測帶來嚴(yán)重干擾，有用成分的光譜數(shù)據(jù)有可能被其他成分的光譜數(shù)據(jù)掩蓋和重疊，極大地影響果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地溯源近紅外光譜檢測的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。為解決上述問題，必須對果蔬近紅外光譜進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理，具體包括歸一化、濾波、平滑、正交散射校正和去噪等。

果蔬近紅外光譜預(yù)處理和專家診斷系統(tǒng)示意如圖 4 所示。經(jīng)過預(yù)處理的果蔬近紅外光譜數(shù)據(jù)還需通過定性診斷和定量診斷對其做進(jìn)一步處理。其中，定性診斷將預(yù)處理后的光譜與果蔬光譜專家數(shù)據(jù)庫中的光譜進(jìn)行匹配對比，找出光譜中是否含有表征果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地溯源等特征波長下的特征光譜， 并且通過馬氏距離和 K 均值聚類等定性分析方法，對所檢測果蔬的近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行品質(zhì)優(yōu)劣等級的定性分類，以及不同產(chǎn)地溯源的歸屬定性分類。此外，借助特征波長下專家數(shù)據(jù)庫建立的定量標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測模型，對所檢測果蔬中標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)的有用成分含量比例進(jìn)行定量判斷，從而精確掌握所測果蔬中果糖、可溶性固形物和維生素等成分的含量比例

3基于物聯(lián)網(wǎng)果蔬品質(zhì)和溯源檢測系統(tǒng)的運(yùn)作方式

本研究是在目前果蔬銷售市場中廣大消費(fèi)者與果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地等信息不對稱，導(dǎo)致果蔬銷售、監(jiān)督和管理不到位， 在廣大消費(fèi)者健康和消費(fèi)權(quán)益無法得到保障的前提下，所構(gòu)建的一套基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地溯源檢測系統(tǒng)。本檢測系統(tǒng)有望推向市場，對維護(hù)廣大消費(fèi)者權(quán)益和保障果蔬銷售市場健康有序發(fā)展大有裨益。但一個(gè)良好的產(chǎn)品只有擁有一套行之有效的運(yùn)作、營銷和盈利模式才能更好、更快地投入市場，并得到廣大消費(fèi)者和公司管理部門的認(rèn)可，最終使得該產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展壯大。本研究所采用的運(yùn)作方式具體包括如下幾種：

檢測設(shè)備的銷售

首先，本研究所構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的近紅外果蔬品質(zhì)和溯源檢測系統(tǒng)，得到了一定技術(shù)支持和研發(fā)經(jīng)費(fèi)的保障， 成功研制出一套果蔬品質(zhì)和溯源檢測儀器，即果蔬光譜檢測探頭。將光譜檢測和數(shù)據(jù)預(yù)處理等硬件集成在一個(gè)小型探頭上組成一個(gè)探測模塊，在一定的通訊協(xié)議下，通過 USB 數(shù)據(jù)線與互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端（如智能手機(jī)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)和通訊。然后， 利用手機(jī)中安卓操作系統(tǒng)下的App 檢測軟件（自行開發(fā)）實(shí)現(xiàn)果蔬近紅外光譜數(shù)據(jù)的傳輸、定性和定量檢測。利用手機(jī)中的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等，對所檢測的果蔬品質(zhì)和產(chǎn)地信息進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布、信息共享和專家大數(shù)據(jù)庫完善等。該檢測設(shè)備研發(fā)成功并經(jīng)過樣機(jī)測試和國家相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證后，就可以投入市場進(jìn)行銷售。

數(shù)據(jù)分析費(fèi)

除進(jìn)行上述檢測設(shè)備的硬件和App 軟件平臺(tái)的開發(fā)和銷售之外，還需要構(gòu)建后臺(tái)專家大數(shù)據(jù)庫，此類專家數(shù)據(jù)庫需要事先對不同類別、不同等級和不同產(chǎn)地的果蔬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)近紅外光譜的采集和預(yù)處理操作。且定期維護(hù)、完善數(shù)據(jù)庫，需要花費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力。因此，在方便消費(fèi)者利用專家數(shù)據(jù)庫對所檢測果蔬進(jìn)行定性和定量判斷的同時(shí)，需保證本產(chǎn)品的盈利能力，即需要對廣大消費(fèi)者收取一定的數(shù)據(jù)分析費(fèi)用?？梢圆扇∫蝗艘毁~戶制度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電子付款功能（類似支付寶、微信和QQ 掃描支付）與賬戶充值功能。

互聯(lián)網(wǎng)終端信息費(fèi)和流量費(fèi)

由于本產(chǎn)品只有構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備上才能實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、信息共享和專家數(shù)據(jù)庫完善等操作，而這些操作都需要利用互聯(lián)網(wǎng)通訊業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)流量，因此，本產(chǎn)品可以聯(lián)合移動(dòng)、聯(lián)通和電信等互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商，對該部分互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)收取相關(guān)費(fèi)用。

果蔬物聯(lián)網(wǎng)線上賣場收費(fèi)

本產(chǎn)品通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)操作，賣家可以開網(wǎng)店，效仿淘寶、天貓和京東等網(wǎng)上購物運(yùn)營模式，方便消費(fèi)者網(wǎng)絡(luò)購物，并利用物流提供送貨上門服務(wù)。因此，賣家若想在該互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上銷售自己的果蔬產(chǎn)品，就必須繳納相應(yīng)的網(wǎng)店費(fèi)用、平臺(tái)維護(hù)費(fèi)和營業(yè)額提成等。

相關(guān)賣家互聯(lián)網(wǎng)廣告費(fèi)

相關(guān)賣家可以利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)推銷自己正在銷售的果蔬產(chǎn)品和未來即將購進(jìn)的果蔬產(chǎn)品，因此，互聯(lián)網(wǎng)銷售平臺(tái)可以向有意開展廣告業(yè)務(wù)的賣家收取相應(yīng)的廣告業(yè)務(wù)費(fèi)。

對不達(dá)標(biāo)賣家進(jìn)行罰款

對于廣大消費(fèi)者所反饋的檢測不達(dá)標(biāo)的果蔬產(chǎn)品，由國家工商管理部門和食品檢驗(yàn)檢疫部門對銷售此類商品的賣家進(jìn)行相應(yīng)的處罰（包括經(jīng)濟(jì)處罰）。

國家工商管理部門和財(cái)政部門等政策性扶持

本產(chǎn)品除了可保障廣大消費(fèi)者權(quán)益外，還有利于國家工商管理部門和食品檢驗(yàn)檢疫部門對果蔬銷售市場的管理，符合國家食品安全檢驗(yàn)檢疫相關(guān)政策，是件利國利民的好事。因此，可爭取國家工商管理部門和財(cái)政部門等政策性的扶持費(fèi)用。

4 結(jié) 語

果蔬是我們?nèi)粘１夭豢缮俚氖称分?，它的品質(zhì)合格與否影響著人們的健康和廣大消費(fèi)者的合法權(quán)益。而目前果蔬銷售市場缺乏有效的管理和監(jiān)督方法，使得果蔬銷售市場混亂， 嚴(yán)重破壞了健康有序的市場和廣大老百姓的消費(fèi)積極性。為了徹底解決上述問題，本研究構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的近紅外果蔬品質(zhì)和溯源檢測系統(tǒng)，利用近紅外光譜檢測技術(shù)，較好地克服了傳統(tǒng)檢測方法的不足，在具有一定技術(shù)門檻的前提下， 實(shí)現(xiàn)技術(shù)壁壘保證。同時(shí)，本研究利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了果蔬檢測數(shù)據(jù)發(fā)布、信息共享和果蔬光譜數(shù)據(jù)庫的完備等操作， 預(yù)計(jì)將會(huì)是未來果蔬銷售方式的發(fā)展趨勢。