CN108802060B - 一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统及其方法，涉及农产品无损检测技术领域。本发明是利用单片机控制摄像头模块获取待测鸡蛋的图像，通过图像处理分析从而得到鸡蛋的长短轴数据，通过相应的数学模型来计算出鸡蛋的初始质量和体积；同时，通过称重传感器测得鸡蛋的当前蛋重；最后，将鸡蛋初始密度与当前密度导入公式进行计算，得到此鸡蛋的密度损失率。本发明利用多传感器融合技术，能够完成鸡蛋新鲜度的快速无损检测；运用多个模型逐步进行运算；模型线性好，检测准确率高；基于嵌入式系统，高可靠、可扩展、易升级系统构造简单，成本低，能够得到广泛的应用；系统体积小易携带，适用场景多，容易推广。

Description

一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及农产品无损检测技术领域，尤其涉及一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统及其方法，具体涉及多传感器融合的密度损失率检测技术和上位机软件开发技术。

背景技术

鸡蛋中富含大量的营养元素，深受消费者的喜爱。我国是鸡蛋生产和消费大国，鸡蛋的总产量占据着世界鸡蛋总产量的40%以上。鸡蛋的新鲜度不仅是衡量鸡蛋蛋白质的一个重要指标，而且与消费者的健康息息相关。但是，目前绝大多数鸡蛋新鲜程度的检测主要依靠人工方式，容易受人的主观因素影响，检测效率和准确率不高，无法适应现代规模化和产业化生产的需要。

姜松、漆红等研究了鸡蛋几何尺寸、体积、质量三者之间的关系。结果表明，鸡蛋的几何尺寸和质量都呈正态分布；其得到的结论为可以用估算标准椭球体体积计算方法估算鸡蛋体积。可以用体积估算鸡蛋的质量，鸡蛋质量与鸡蛋估算体积相关性优于与长径、短径、蛋形指数、鸡蛋长径处椭圆面积的三元和一元线性回归。【姜松、漆红、王国江、蒋晓峰，鸡蛋基本特性参数分析与实验[J].农业机械学报,2012,43(4)】。杜丹萌、王风诺等研究了规定时间内鸡蛋新鲜度指标随贮藏时间和温度的变化规律。结果表明，随着储藏时间的增加，鸡蛋的重量损失率随之增高，而哈夫单位、蛋白指数、蛋黄指数随之降低。冷藏条件下储存，各项新鲜度的指标变化较缓，更有利于鸡蛋保存。【杜丹萌、王风诺、王世平，鸡蛋新鲜度随储藏条件变化规律的研究[J].食品科技，2014,39(5)】。

目前，国内外不少学者和专家在鸡蛋新鲜度检测方面都进行了积极探索和研究，但针对于市场化的便携式的检测装置系统仍为空缺，利用传统的检测手段，精度和效率都不高，一些结合现代技术的新型检测方式虽然能够较好地提高鸡蛋新鲜度检测的精度和效率，但因其设计成本较高或者不易操作等问题，不能广泛的被人们在生活中接受和使用。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

利用STM32F407ZGT6单片机控制摄像头模块获取待测鸡蛋的图像，通过图像处理分析从而得到鸡蛋的长短轴数据，通过相应的数学模型来计算出鸡蛋的初始质量和体积，同时，通过称重传感器测得鸡蛋的当前蛋重。最后，将鸡蛋初始密度与当前密度导入公式进行计算，得到此鸡蛋的密度损失率，调用相关模型计算出哈夫单位，以达到检测鸡蛋新鲜度并进行分级的目的；本发明通过利用嵌入式小体积、高可靠、可扩展等优点，设计了一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统。具有能够实现随时随地地对鸡蛋新鲜度检测的能力，并且有检测速度快、准确率高、适用环境和装置价格便宜多等优点，有着重要的现实意义。现有市场上的鸡蛋新鲜度分析装置体积大、价格高，且大多为破坏性检测；本发明具有体积小、快速和无损的优点，能够很好地解决这类问题。

本发明主要针对单个鸡蛋的新鲜度检测。与其他类似研究不同的是，本发明设计了一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统，可实现快速无损检测得到新鲜度结果。本发明主要完成以下几项工作：

1、设计和搭建信息采集系统，采集鸡蛋的当前重量与鸡蛋图像信息。主要包括摄像头模块的设计，称重传感器模块的设计，核心处理器的选择（STM32F407ZGT6），装置与上位机软件的蓝牙通讯，设备功能界面UI设计；

2、采用合适的预处理算法和信号修正算法，对获取的鸡蛋图像进行处理，提取长短轴与蛋重数据等；选用相关的建模算法，预测该鸡蛋的新鲜度。

具体工作主要有：

A、将待测鸡蛋水平放置在鸡蛋蛋托装置上，利用摄像头模块采集鸡蛋图像，通过图像处理分析从而获得长短轴数据；

B、将所测的长短轴数据分别导入相应的模型中，求解初始蛋重和体积；

C、利用蛋托下方的称重传感器测得鸡蛋的当前重量；

D、将初始密度和测量的当前密度导入相应的模型中，得出结果，并在上位机软件界面上显示。

3、系统中上位机软件的开发，开发环境采用Qt开发跨平台IDE的Qt Creator，编写语言为C++；软件设计主要包括界面UI设计、数据采集、蓝牙通讯及处理的功能；最后将上位机软件与装置系统通过蓝牙模块通讯显示检测结果，检验检测功能和检测准确度。

本发明的重难点在于：

第一，如何将昂贵的新鲜度检测设备便携化，降低使用成本，利用多传感器融合技术实现鸡蛋新鲜度的无损检测；

第二，将算法移植到成本低廉的单片机系统中，改善传统仪器分析的高额代价的缺点；

第三，友好的用户界面和一键检测设计可以让非科研人员轻松使用装置；降低学习成本，打开设备市场。

具体地说，本发明的技术方案如下：

一、鸡蛋新鲜度快速无损检测系统（简称系统）

本系统包括检测对象——鸡蛋；

设置有外壳、摄像头、支撑台、称重传感器、蛋托、LED光源、温度传感器、触摸显示屏、单片机、PCB板、蓝牙通讯模块；

其位置和连接关系是：

在外壳内，从下到上，依次设置有支撑台、称重传感器、蛋托和鸡蛋；

在外壳上方的控制盒内设置有温度传感器、蓝牙通讯模块和单片机，PCB板与触摸显示屏镶嵌连接在单片机上，在控制盒的上表面设置有方形孔便于触摸显示屏实时显示系统状态，在控制盒的下表面开设圆形孔安装摄像头模块和光源；

蛋托位于摄像头模块的正下方12cm左右；

摄像头模块、称重传感器、温度传感器、蓝牙通讯模块、光源分别通过数据线与单片机的PCB板连接，电源适配器接在PCB板的插口上；

整个系统通过电源适配器接入电源供电；

整个系统通过蓝牙通讯模块与上位机实现无线传输。

二、鸡蛋新鲜度快速无损检测方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①将电源适配器接入电源给系统供电，在LED触摸显示屏上选择常温或者冷藏模式进入待检测状态；

②将待检测鸡蛋水平放置在鸡蛋蛋托上，单片机控制摄像头模块采集鸡蛋图像并进行处理分析得到鸡蛋长短轴数据，通过相应的数学模型计算出鸡蛋的初始质量和体积，从而得到鸡蛋的初始密度；

③称重传感器测出鸡蛋当前质量，结合体积计算出当前密度从而求出密度损失率，进而计算出哈夫单位和剩余货架期；

④根据哈夫单位判别鸡蛋是否新鲜并进行分级，通过蓝牙通讯模块将数据无线传输给上位机，在上位机界面上显示对应的结果。

本发明的工作原理：

将电源适配器接入电源给整个装置供电，在触摸显示屏上选择常温或者冷藏模式进入待检测状态；将待检测鸡蛋水平放置在鸡蛋蛋托上，称重传感器将接受到的压力信号转换成电信号，通过A/D转换接入ARM架构的单片机得到鸡蛋当前质量；单片机控制摄像头模块实时采集鸡蛋的图像，通过图像处理分析得到鸡蛋的长短轴长度，通过相应的数学模型计算出鸡蛋的体积和初始质量，从而得到鸡蛋初始密度；检测软件运用检测得到的数据计算鸡蛋的密度损失率，从而计算出哈夫单位，根据哈夫单位对鸡蛋新鲜度进行判断并分级，最后通过蓝牙通讯模块传输给上位机显示在上位机界面上；从而实现鸡蛋新鲜度的无损检测和分级判断。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用多传感器融合技术，能够完成鸡蛋新鲜度的快速无损检测；

②运用多个模型逐步进行运算；

③模型线性好，检测准确率高；

④基于嵌入式系统，高可靠、可扩展、易升级；

⑤系统构造简单，成本低，能够得到广泛的应用；

⑥系统体积小易携带，适用场景多，容易推广。

附图说明

图1是本系统的结构主视图；

图2是本系统的结构立体图；

图3是软件的工作流程图。

图中：

1—外壳；

2—摄像头模块，

3—鸡蛋；

4—支撑台；

5—称重传感器；

6—蛋托；

7—LED光源；

8—温度传感器；

9—触摸显示屏；

10—单片机；

11—PCB板；

12—蓝牙通讯模块；

13—电源适配器；

A—控制盒；B—方形孔；C—圆形孔。

具体实施方式

下面结合附图和实例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1、2，本系统包括检测对象——鸡蛋3；

设置有外壳1、摄像头2、支撑台4、称重传感器5、蛋托6、LED光源7、温度传感器8、触摸显示屏9、单片机10、PCB板11、蓝牙通讯模块12；

其位置和连接关系是：

在外壳1内，从下到上，依次设置有支撑台4、称重传感器5、蛋托6和鸡蛋3；

在外壳1上方的控制盒A内设置有温度传感器8、蓝牙通讯模块12和单片机10，PCB板11与触摸显示屏9镶嵌连接在单片机10上，在控制盒A的上表面设置有方形孔B便于触摸显示屏9实时显示系统状态，在控制盒A的下表面开设圆形孔C安装摄像头模块2和光源7；

蛋托6位于摄像头模块2的正下方12cm左右；

摄像头模块2、称重传感器5、温度传感器8、蓝牙通讯模块12、光源7分别通过数据线与单片机10的PCB板11连接，电源适配器13接在PCB板11的插口上；

整个系统通过电源适配器13接入电源供电；

整个系统通过蓝牙通讯模块12与上位机实现无线传输。

2、功能部件

1）外壳1

外壳1是本系统的支撑体，塑料材质，整体大小为长×宽×高=14cm×14cm×23cm。

设计的开口有触摸显示屏开口、摄像头开口和其他接口开口（数据线、电源线等）。

2）摄像头模块2

采用野火OV7725型号摄像头，30W像素并自带FIFO，能够很好地对图像分辨率进行调节。

摄像头模块主要用于采集鸡蛋3的图像信息，然后对采集的图像数据进行分析处理，主要包括二值化、长度计算和体积计算等算法。

3）鸡蛋3

鸡蛋3为本系统的检测对象。

4）支撑台4

一种通用外购件，用来调节蛋托高度。

5）称重传感器5

一种通用外购件，是一个电阻应变式称重传感器。

6）蛋托6

一个塑料制品，正下方设置有称重传感器5。

7）LED光源7

一种通用外购件，便于在采集鸡蛋图像信息时进行补光处理。

8）温度传感器8

一种通用外购件，采用Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820。

9）触摸显示屏9

一种通用外购件，主要采用ALIENTEK 2.8寸TFTLCD屏，该显示屏支持65K显示，显示分辨率为320×240，接口为16位的80并口，屏幕驱动芯片采用ILI9341，同时该显示屏支持触摸功能，属于电阻式触摸屏，具有精度高、价格便宜、抗干扰能力强、稳定性好等优点。

10）核心处理器单片机10

单片机10是本系统的核心处理器。

（1）硬件配置

是一种通用外购件，选型为STM32F407ZGT6；

主要特征是使用了ARM Cortex-M4处理器；内部有192K SRAM，FSMC最快支持33M；同时该单片机板载有多模块接口，包括SD卡、2.8寸TFT接口、JTAG接口、NRF24L01接口等，非常适合做主机，物联网应用开发。

（2）软件构建

软件在KEIL5编译环境中编写，编写语言为C；软件设计主要包括鸡蛋图像采集分析处理，鸡蛋当前质量采集，温度采集，新鲜度评估，与上位机通讯等；

如图3，软件工作流程：

A、系统初始化-301；

B、模式选择（常温模式或冷藏模式）-302，

C1，

C11、获取鸡蛋图像-303；

C12、计算初始密度-304

对鸡蛋的图像处理并分析得到长短轴数据，进入已建立的长轴L、短轴B和初始质量M₀的数学模型1,计算出鸡蛋的初始质量M₀；

通过长短轴数据，进入已建立的长轴L、短轴B和体积V的数学模型2，计算出鸡蛋的体积V；

根据公式ρ=m/v，计算出鸡蛋的初始密度ρ₀；

C2，

C21、获取当前质量-305

通过称重传感器获取鸡蛋的当前质量M₁；

C22、计算当前密度-306

D、结合体积V和当前质量M₁计算出鸡蛋的当前密度ρ₁；

计算密度损失率-307

将鸡蛋的当前密度ρ₁与计算出的初始密度ρ₀导入单片机中进行数学运算，得到鸡蛋的密度损失率Δρ；

E、判断并显示结果-308

将得到的鸡蛋密度损失率Δρ导入已建立的密度损失率Δρ与哈夫单位HU的模型计算出哈夫单位，根据哈夫单位判断此鸡蛋的新鲜度，并在上位机界面上实时显示结果；

将得到的鸡蛋密度损失率Δρ导入已建立的密度损失率Δρ与鸡蛋已储存时间D的模型，计算出鸡蛋已储存时间，并在上位机界面上显示；

再根据鸡蛋剩余货架期d与已储存时间D的关系：

室温模式：d=30-D；

冷藏模式：d=150-D，计出出鸡蛋剩余货架期d并在上位机界面上显示。

11）PCB板11

一个自主设计电路板，用来实现电压的转换和简化线路连接。

12）蓝牙串口通讯模块12

一种通用外购件，采用HC-05蓝牙模块，用于实现对数据的无线传输。

13）电源适配器13

一个通用外购件，外接电源给整个系统供电。

二、检测结果

本实验的实验样品为市场零售鸡蛋，随机挑选108枚新鲜鸡蛋。实验前，剔除破蛋、裂纹蛋，用干燥的软布清除蛋壳表面污物，确保鸡蛋表面清洁；处理后水平放置于蛋托6上。通过上述系统进行预测，在108组试验数据中，共有99组数据在两种模式（室温模式或冷藏模式）下测量的新鲜度等级一致，准确率为91.67%，检测效果较好，满足当前检测需求。

Claims (1)

1.一种鸡蛋新鲜度快速无损检测系统，包括检测对象鸡蛋(3)；

其特征在于：

设置有外壳(1)、摄像头(2)、支撑台(4)、称重传感器(5)、蛋托(6)、LED光源(7)、温度传感器(8)、触摸显示屏(9)、单片机(10)、PCB板(11)和蓝牙通讯模块(12)；

其位置和连接关系是：

在外壳(1)内，从下到上，依次设置有支撑台(4)、称重传感器(5)、蛋托(6)和鸡蛋(3)；

在外壳(1)上方的控制盒(A)内设置有温度传感器(8)、蓝牙通讯模块(12)和单片机(10)，PCB板(11)与触摸显示屏(9)镶嵌连接在单片机(10)上，在控制盒(A)的上表面设置有方形孔(B)便于触摸显示屏(9)实时显示系统状态，在控制盒(A)的下表面开设圆形孔(C)安装摄像头模块(2)和光源(7)；

蛋托(6)位于摄像头模块(2)的正下方12cm左右；

摄像头模块(2)、称重传感器(5)、温度传感器(8)、蓝牙通讯模块(12)、光源(7)分别通过数据线与单片机(10)的PCB板(11)连接，电源适配器(13)接在PCB板(11)的插口上；

整个系统通过电源适配器(13)接入电源供电；

整个系统通过蓝牙通讯模块(12)与上位机实现无线传输；

所述单片机的软件工作流程：

A、系统初始化(301)；

B、模式选择，按常温模式或冷藏模式( 302) ，

C1，

C11、获取鸡蛋图像(303)；

C12、计算初始密度(304)

对鸡蛋的图像处理并分析得到长短轴数据，进入已建立的长轴L、短轴B和初始质量M₀的数学模型1,计算出鸡蛋的初始质量M₀；

通过长短轴数据，进入已建立的长轴L、短轴B和体积V的数学模型2，计算出鸡蛋的体积V；

根据公式ρ＝m/v，计算出鸡蛋的初始密度ρ₀；

C2，

C21、获取当前质量(305)

通过称重传感器获取鸡蛋的当前质量M₁；

C22、计算当前密度(306)

结合体积V和当前质量M₁计算出鸡蛋的当前密度ρ₁；

D、计算密度损失率(307)

将鸡蛋的当前密度ρ₁与计算出的初始密度ρ₀导入单片机中进行数学运算，得到鸡蛋的密度损失率Δρ；

E、判断并显示结果(308)

将得到的鸡蛋密度损失率Δρ导入已建立的密度损失率Δρ与哈夫单位HU的模型计算出哈夫单位，根据哈夫单位判断此鸡蛋的新鲜度，并在上位机界面上实时显示结果；

将得到的鸡蛋密度损失率Δρ导入已建立的密度损失率Δρ与鸡蛋已储存时间D的模型，计算出鸡蛋已储存时间，并在上位机界面上显示；

再根据鸡蛋剩余货架期d与已储存时间D的关系：

室温模式：d＝30-D；

冷藏模式：d＝150-D，计算 出鸡蛋剩余货架期d并在上位机界面上显示。

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