摘要：目的 开发设计生鲜猪肉品质无损在线检测系统。方法 通过用可见近红外光谱技术, 基于VC++和Matlab语言, 开发与计算机硬件和Windows XP软件环境兼容的手持式猪肉品质无损实时检测系统。结果 设计出开放式、模块化、集成化的检测系统,可实现光谱数据的多点自动采集、光谱曲线的动态显示、数据的实时处理、样品品质的自动预测等功能，通过一键触发开关可完成从样本多点信息的采集到结果预测与保存的全过程。用该系统对猪肉水分含量进行检测的实验结果表明，系统对参数的检测精度能满足检测要求。结论  该系统软件界面友好,操作方便, 后续可扩展检测其他品质参数, 进一步推广用于企业生产线。

　　关键词：手持式系统；猪肉；品质；可见/近红外光谱；无损检测；系统设计

　　掌握生鲜肉的主要品质特性，有利于对生鲜猪肉进行等级划分和按质论价，进一步规范生鲜猪肉加工销售市场。目前生鲜猪肉生产加工、销售和检测部门对肉品品质的检测评估基本上是采用人工感官评定和理化检测等方法。这些检测方法耗时长、效率低、对样品有不同程度的破坏，且检测结果受操作人员技术水平的影响，存在一定的主观性。另外，这些检测方法只能进行抽样检测，不能适应现代快节奏的生产节拍。因此迫切需要研究能对生鲜肉品质进行快速、无损、在线检测的方法和装备，以满足实际生产的需要。可见近红外光谱分析技术因具有分析效率高、检测速度快、对样品无需预处理和破坏等特点已逐渐应用于农畜产品品质的快速无损检测。包括猪肉分类检测、挥发性盐基氮检测、水分含量检测、细菌总数检测、多品质参数检测、牛肉水分含量检测等。现有研究也证明了该检测技术具有对农畜产品进行快速在线检测的潜力，并开发了一些用于检测的装备。在前期基础研究的基础上，结合社会和企业的实际需求，利用生鲜猪肉眼肌的光谱特征，进行生鲜猪肉品质无损在线检测软硬件系统的研究，旨在开发方便企业加工生产线和销售市场使用的手持式检测装置，为生鲜猪肉品质的实时检测和等级的划分提供技术支持。

　　该检测系统由硬件和软件2部分组成。所构建系统的结构示意图如图1所示。

　　其中硬件主要由计算机、光谱仪、多路复用器、检测探头、卤钨灯光源、控制器、握持手柄和触发开关等组成。软件由上位机软件和下位机软件2部分组成。其中核心部分是光谱数据的多点采集、实时处理、样品信号的自动检测以及结果的实时预测。硬件系统加之开发的配套软件组成一个完整的检测系统。

　　系统工作过程如下，将待检测样品放置于检测平台上，操作人员握持手柄，将检测探头放置在所需检测的样品表面，通过外触发方式手动按下外触发开关，触发光谱仪按照设定的顺序进行光谱信息的多点采集，通过所开发的软件进行数据的接收和处理。每按下一次开关，触发1次光谱仪实时采集光谱信息，信息经处理单元进行在线处理，系统会将待检测参数的检测结果进行实时预测和显示，并将该结果自动保存。

　　检测系统硬件组成如图1所示。

　　光谱信息采集装置主要由光谱仪、光纤多路复用器、卤钨灯光源、光纤探头和计算机(personal computer, PC)等组成。其中光谱仪是系统的核心部件，根据检测对象，选用波长范围为350～1100nm的可见近红外光纤光谱仪，采用线阵CCD探测器，光谱分辨率为2.4nm，采样间隔为0.5nm。

　　为提高检测精度和模型的稳定性，系统中采用FOM-IR 400-2x8型光纤多路复用器和4条光纤探头采集样品上4个不同点的光谱信息。通过该复用器可实现在同一条件下一次完成多个不同部位的光谱信息的采集，有效解决了单个检测探头单点测量精度低、单个检测探头多点重复测量效率低和检测条件不一致等问题。

　　系统所用光源为集成的光纤卤钨灯点光源，为提高到样品表面的光照强度，每条探测光纤分别配置一台卤钨灯。光源有效波长范围为200～2100nm，功率为14W,功率稳定性为±1%。

　　为确保检测时4条光纤探头与样品之间的距离保持一致，系统中设计加工了用于固定安装多条光纤的手持式光纤探头夹具，结构如图2。该夹具中的光纤探头固定沉孔与夹具下端面的距离是2mm。该结构也同时确保光谱信息采集时能自行形成一个暗室，避免外界自然光对光谱信息的影响。另外光纤探头夹具上安装有手柄，如图2所示。手柄上设计安装有触发开关，用于检测时产生外触发动作。通过触发该按钮，控制器就可以接收外触发信号。该触发信号通过单片机的串口模块和计算机主机之间实时通信。每按下一次开关，触发采集1次，通过检测软件进行数据的接收与处理。当松开按钮后，系统还原到初始待触发状态。

　　该检测系统软件以PC为硬件平台，开发环境为Windows XP系统，开发工具采用支持可视化编程、具有灵活的数据库管理功能的VC++6.0语言和具有强大的科学计算能力的Matlab语言进行混合编程。

　　所开发的检测软件的主要任务是对生鲜猪肉样本的光谱数据进行自动采集、在线处理、分析与光谱曲线实时显示，利用已建立的预测模型对样本的相应参数进行实时预测，并可根据需要将所采集和处理的数据自动保存，以期最终实现生鲜猪肉主要品质参数的自动检测。

　　根据软件功能需求分析构建了如图3所示的软件功能结构模块。该系统软件可根据检测需要对光谱仪和光纤多路复用器的相关参数进行设置，对系统黑白参考进行校正。完成对样品光谱数据的实时采集、显示和预处理。并可根据需要将采集和处理的数据自动保存。结合前期实验及预测模型的建立，软件中光谱数据用归一化方法(standard normal variate，SNV)预处理，建模采用偏最小二乘回归(partial least squares regression，PLSR)建模。最后将所建的预测模型植入系统软件, 可以实时预测所要检测的品质参数，并通过显示模块实时显示。数据的管理与存储也是系统不可或缺的部分，通过数据库管理模块可实现数据的管理和查询。

　　检测系统上位机程序主要完成参数设置、光谱信息采集与显示、光谱数据的处理、品质参数的预测与显示、人机交互、文件编辑和管理等功能。检测系统下位机程序主要完成系统样品信号的检测、光谱仪触发控制等。软件用VC++6.0实现界面设计、光谱数据的采集、端口操作和数据管理等功能模块，用Matlab语言完成较为复杂的数据预处理、建模及参数预测等部分功能模块。

　　软件有2种操作模式: 软件操作模式和外触发模式。当采用软件操作模式时，通过点击软件界面内对应的按钮实现相应的功能；当采用外触发模式时，按下手柄上的开关按钮，通过一键触发开关可完成从样本多点信息的采集到结果预测与保存的全过程。结合一键触发的硬件系统，该软件的外触发控制模块可接收处理外部触发信号。

图3 检测系统功能框图

　　系统采用VC++6.0的MFC基础类库开发，所有模块都通过主程序进行调用和整合，通过友好的人机交互界面进行操作。

　　所设计的人机交互界面如图4所示。

图4 检测系统操作界面

　　整个界面分为4大部分，分别是操作功能按钮区域、光谱曲线显示区域、光谱数据及信息显示区域、预测结果显示区域。系统界面友好，操作方便。

　　用所研制的手持式检测系统对生鲜猪肉的品质参数进行实时检测，以验证该系统的检测应用效果。实验过程中采用一键触发模式对样本进行在线检测。

　　实验分为2部分，首先将不同品质的生鲜猪肉样本通过该检测系统进行品质参数模型的建立与预测。然后通过该检测系统和所建立的模型对独立的样本集进行在线预测,用于验证系统和预测模型的检测精度和稳定性。

　　实验所用样本为当天屠宰的不同新鲜猪胴体上的眼肌，剔除脂肪或结缔组织， 将肉样尺寸修整为约3cm厚的肉块，用自封袋包装存储于4℃冰箱。采集光谱时将肉样在室温下静置约30min，用滤纸沾拭样品表面的水分，以避免表面残留水分对光谱曲线的影响。用75个样品建立预测模型，22个样品用于模型和系统验证。

　　系统参数设置如下：光谱仪的积分时间为2.17 ms、平均次数为20次、平滑次数为3次；光纤多路复用器采用第1至第4共4个通道；光纤探头与样品表面之间的距离为2mm。

　　采集完光谱数据后，立即进行样本水分含量标准值的检测。水分标准值的测定参照国标GB 5009.3-2010(食品中水分的测定)，测量的水分含量用于对照。

　　首先采集了其中的建模用的样本集的75个样品的光谱数据，截取了光谱中信噪比较高的380～1080nm波段进行分析, 采用Matlab7.6软件进行分析处理建模，对原始光谱分别进行多元散射校正(multiplicative scatter correction，MSC)预处理和(standard normal variate, SNV)预处理，结合偏最小二乘(partial least squares regression，PLSR)建模，水分含量的建模预测结果见表1。

表1 水分含量在线模型预测结果

　　水分含量的预测结果表明, 经SNV预处理后结合PLSR建模，预测结果较好，校正集相关系数Rc、预测集相关系数Rv分别为0.891和0.870，校正集标准偏差RMSEC、预测集标准偏差RMSEP分别为0.571和0.653。因此该系统将经SNV预处理后的预测模型作为系统的输入模型。

　　在相同的实验条件下，用独立验证集的22个样品进行在线验证。首先将上述预测模型植入所开发的软件系统，然后通过该系统在线采集光谱、在线处理和在线预测，通过系统自动记录所预测的水分含量的预测值。然后迅速通过理化方法进行水分含量理化标准值的测定。独立验证样本集的22个样本的光谱曲线和经SNV预处理后的光谱曲线如图5(a)、(b)所示。

　　(a) 原始光谱曲线,       (b) SNV后的光谱曲线

　　将系统的预测结果与理化标准值进行比对，其在线预测的相关系数如表2所示。

表2  独立样本集在线预测结果

　　基于可见近红外光谱技术构建了手持式生鲜猪肉品质参数实时检测系统硬件、开发了配套的系统软件。文中阐述了硬件实时检测系统的基本结构、各部分的工作原理和检测过程。介绍了在线检测软件的开发过程和流程。通过一键触发开关可完成从样本多点信息的采集到结果预测与保存的全过程。用该系统对猪肉水分含量进行了在线试验检测。该系统软件界面友好，操作方便，后续可扩展检测其他品质参数, 进一步推广用于企业生产线。