稻谷储藏年限判定仪设计

张毅,周小将,陈耀,鲁浩,焦义文

摘要：针对粮食品质检测中存在的问题，选用稻谷作为研究对象，结合近红外光谱技术，建立稻谷脂肪酸值的定量分析模型，实现稻谷品质的精确判定。设计和研制稻谷脂肪酸值快速检测仪器，研发分析软件以解析近红外光谱，实现稻谷脂肪酸值的快速检测。该仪器可以单独作为离线便携式粮食品质检测仪器，也可以作为物联网在线感知系统。

关键词：近红外光谱；脂肪酸值；粮食品质检测；

一、引言

稻谷陈化程度的快速检测仪器市场前景巨大，应用领域广泛，对国家粮食安全起到重大作用，是我国农业信息化的重要组成部分。客户主要为国家事业单位、中储粮、中粮、部队等，行业准入门槛高、产品科技含量高、应用市场需求大。

二、总体设计

主要研究内容包括：

2.1研发近红外稻谷脂肪酸值检测仪器

仪器的结构设计采用便携、稳定的设计理念，使用光谱自动校正系统能够快速实现光谱的校正，为模型构建提供稳定光谱数据，光源系统和光谱收集系统设计紧凑。既能方便携带，同时保证数据准确。

光谱校正与检测系统用于测量过程中背景和参考光校正，保障近红外光谱检测吸光度数据的准确性；

NIR检测系统完成近红外光源的均匀照射和近红外光谱的采集，是稻谷脂肪酸值近红外检测的最主要的系统；

模型构建及结果显示系统完成稻谷脂肪酸分析，并实现人机交互，是完成应用的关键系统。

稻谷脂肪酸值信息处理系统完成控制其它三个系统各项运转，同时控制NIR检测系统的光谱信号采集及分析，是整个装置的核心系统。

2.2建立稻谷脂肪酸值预测模型

利用NIR光谱技术，收集具有脂肪酸值梯度的稻谷样品，采集样品的近红外光谱，分析样品的化学成分，建立稻谷脂肪酸值与近红外光谱的数学模型，采用综合指标对粮食收储中稻谷脂肪酸值进行精确判定。同时增加测试样本集，完善和优化模型，提升稻谷脂肪酸值判定的稳健性和测量精度，进一步拓展到其它参数的检测。

2.3建立稻谷脂肪酸值信息监测与溯源系统

基于近红外稻谷脂肪酸值检测仪器，结合物联网技术，建立稻谷脂肪酸值信息监测与溯源系统，实现对稻谷脂肪酸值的无损快速检测、监测和品质溯源。稻谷脂肪酸值监测与溯源系统具有以下优点：通过物联网技术，减少人为因素，保证分析结果的透明度；统一开发模型并持续升级，减少开发模型成本；所有仪器通过相同信息处理系统，测量结果高度统一；能够实时、实地监管稻谷脂肪酸值和粮情实时变化为决策层提供数据支撑。

粮食信息感知系统由多台近红外稻谷脂肪酸值检测仪集成实现，分布于不同的收粮、储粮网点，用于采集粮食收储环节中的稻谷样品光谱、种类、采集点位置、检测人员等信息。

信息传输系统，用于实现远距离有线或者无线传输来自于不同网点的稻谷脂肪酸值等各类信息，是粮食信息感知系统和稻谷脂肪酸值信息处理系统之间的“桥梁”。

稻谷脂肪酸值信息处理系统是稻谷脂肪酸值信息监测与溯源系统的核心。该系统有三个主要模块。NIR稻谷脂肪酸值检测仪器管理模块：用于管理不同网点的NIR稻谷脂肪酸值检测仪，收集设备采集的样品光谱、种类等信息，为总控与信息显示模块及数据库提供基础数据，同时处理光谱信息，为各网点设备反馈检测结果，提供仪器调试与模型升级服务。稻谷脂肪酸值数据库：用于收集与存储不同网点稻谷脂肪酸值检测仪采集的样品光谱、作物种类等信息。总控与信息处理模块：集成系统模块，并通过调用稻谷脂肪酸值数据库，显示样品时空变化及分布。

三、概要设计

3.1设计思想

仪器的结构设计采用便携、稳定的设计理念，使用光谱自动校正系统能够快速实现光谱的校正，为模型构建提供稳定光谱数据，光源系统和光谱收集系统设计紧凑。既能方便携带，同时保证数据准确。

3.2设计方案

（1）稻谷脂肪酸值检测仪

①近红外稻谷脂肪酸值检测仪器设计

仪器的结构设计采用便携、稳定的设计理念，使用光谱自动校正系统能够快速实现光谱的校正，为模型构建提供稳定光谱数据，光源系统和光谱收集系统设计紧凑。既能方便携带，同时保证数据准确。

NIR水稻脂肪酸值检测仪的总体结构设备由四个子系统组成：光谱校正系统、NIR检测系统、水稻脂肪酸值信息处理系统和模型构建与结果显示系统。各系统的主要功能如下：

光谱校正与检测系统用于测量过程中背景和参考光校正，保障近红外光谱检测吸光度数据的准确性；

NIR检测系统完成近红外光源的均匀照射和近红外光谱的采集，是稻谷脂肪酸值近红外检测的最主要的系统；

模型构建及结果显示系统完成稻谷脂肪酸分析，并实现人机交互，是完成应用的关键系统。

稻谷脂肪酸值信息处理系统完成控制其它三个系统各项运转，同时控制NIR检测系统的光谱信号采集及分析，是整个装置的核心系统。

②建立稻谷脂肪酸值预测模型建设

利用NIR光谱技术，收集具有脂肪酸值梯度的稻谷样品，采集样品的近红外光谱，分析样品的化学成分，建立稻谷脂肪酸值与近红外光谱的数学模型，采用综合指标对粮食收储中稻谷脂肪酸值进行精确判定。同时增加测试样本集，完善和优化模型，提升稻谷脂肪酸值判定的稳健性和测量精度，进一步拓展到其它参数的检测。

（2）稻谷脂肪酸值信息监测溯源系统

基于近红外稻谷脂肪酸值检测仪器，结合物联网技术，建立稻谷脂肪酸值信息监测与溯源系统，实现对稻谷脂肪酸值的无损快速检测、监测和品质溯源。稻谷脂肪酸值监测与溯源系统具有以下优点：通过物联网技术，减少人为因素，保证分析结果的透明度；统一开发模型并持续升级，减少开发模型成本；所有仪器通过相同信息处理系统，测量结果高度统一；能够实时、实地监管稻谷脂肪酸值和粮情实时变化为决策层提供数据支撑。

稻谷脂肪酸值信息监测与溯源系统主要包括三个子系统：稻谷脂肪酸值信息感知子系统、信息传输子系统和稻谷脂肪酸值信息处理子系统。

图2稻谷脂肪酸值信息监测与溯源系统

粮食信息感知系统由多台近红外稻谷脂肪酸值检测仪集成实现，分布于不同的收粮、储粮网点，用于采集粮食收储环节中的稻谷样品光谱、种类、采集点位置、检测人员等信息。

信息传输系统，用于实现远距离有线或者无线传输来自于不同网点的稻谷脂肪酸值等各类信息，是粮食信息感知系统和稻谷脂肪酸值信息处理系统之间的“桥梁”。

稻谷脂肪酸值信息处理系统是稻谷脂肪酸值信息监测与溯源系统的核心。该系统有三个主要模块。NIR稻谷脂肪酸值检测仪器管理模块：用于管理不同网点的NIR稻谷脂肪酸值检测仪，收集设备采集的样品光谱、种类等信息，为总控与信息显示模块及数据库提供基础数据，同时处理光谱信息，为各网点设备反馈检测结果，提供仪器调试与模型升级服务。稻谷脂肪酸值数据库：用于收集与存储不同网点稻谷脂肪酸值检测仪采集的样品光谱、作物种类等信息。总控与信息处理模块：集成系统模块，并通过调用稻谷脂肪酸值数据库，显示样品时空变化及分布。

四、结束语

脂肪酸值是影响稻谷年限的关键指标，本设计瞄准稻谷脂肪酸值检测中存在的问题，利用近红外（NIR）光谱分析技术，建立稻谷脂肪酸值的定量分析模型，实现稻谷脂肪酸值的精确判定。设计和研制稻谷脂肪酸值快速检测仪器，开发分析软件以获得稻谷脂肪酸值信息，实现稻谷脂肪酸值的快速检测。该仪器可以单独作为离线便携式稻谷脂肪酸值检测仪器，也可以作为粮食自动化之间系统在线感知的重要组成部分。

参考文献：

[1] GB50174-2008《电子信息系统设计规范》

[2] GJB9001B《质量管理体系要求》

[3] GA 216.1－1999《计算机信息系统安全》

[4] 储藏稻谷品质指标的变化及其差异性. 周显青;张玉荣.农业工程学报,2008