柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：本文基于目前國內(nèi)外對柑橘內(nèi)部品質(zhì)的實時無損檢測還處在實驗室研究階段，現(xiàn)有在線無損實時檢測技術(shù)和方法還不成熟且投入商業(yè)化應(yīng)用較少的現(xiàn)狀，設(shè)計并開發(fā)了一套近紅外光譜采集與處理軟件。該軟件采用面向?qū)ο蠡膙isual C++編程技術(shù)，可以實現(xiàn)實時光譜的顯示、光譜文件的管理、光譜信號的實時處理以及光譜預(yù)測模型的選擇等，解決了一些在線檢測中的關(guān)鍵技術(shù)問題，為柑橘內(nèi)部品質(zhì)的實時無損檢測提供了理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

引言

　　大多數(shù)近紅外光譜^[1-5]儀所帶的光譜分析軟件功能千差萬別，并且這些軟件大多只適合靜態(tài)實驗室離線分析使用，沒有成熟的在線檢測分析控制軟件。本文設(shè)計的“近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測軟件系統(tǒng)^[6]基于所設(shè)計的檢測試驗臺和在線檢測的要求，力圖實現(xiàn)在線檢測的要求，實現(xiàn)在線檢測光譜采集^[7]、實時光譜預(yù)處理^[8]、模型算法^[9]選擇多樣性、內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測準(zhǔn)確性、軟件系統(tǒng)易維護(hù)性和用戶使用操作方便性等特點，為近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)檢測提供快速、準(zhǔn)確的品質(zhì)檢測手段。

　　采用面向?qū)ο?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/Visual C++">Visual C++^[10-12]編程技術(shù)，向量、矩陣運算的封裝技術(shù)，結(jié)構(gòu)化存儲與復(fù)合文檔技術(shù)等，設(shè)計并開發(fā)了近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)由實時光譜文件管理、實時光譜顯示、實時光譜信號處理(預(yù)處理)、實時光譜校正模型的選擇與管理、未知樣品糖酸度預(yù)測及等級評價五大功能模塊構(gòu)成。實現(xiàn)多種光譜儀器光譜格式兼容性和光譜分析功能多樣性，具有建模算法選擇較多、內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測較準(zhǔn)、軟件系統(tǒng)易維護(hù)容易、用戶使用操作方便等特點，為柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測提供了很好的技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

　　基于所設(shè)計的試驗臺建立適合于近紅外光譜內(nèi)部品質(zhì)在線檢測軟件系統(tǒng)、實現(xiàn)在線檢測光譜采集、實時光譜預(yù)處理、模型算法選擇多樣性、內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)預(yù)測準(zhǔn)確性、軟件系統(tǒng)易維護(hù)性和用戶使用操作方便性等特點，為近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)檢測提供快速、準(zhǔn)確的品質(zhì)檢測手段。

2 系統(tǒng)功能

　　根據(jù)上述系統(tǒng)目標(biāo)，近紅外光譜柑橘內(nèi)部品質(zhì)在線檢測軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)包括光譜文件管理、實時信息單元、實時控制單元、數(shù)據(jù)處理單元、評價決策單元和數(shù)據(jù)庫單元等。如圖1所示。

2.1 實時光譜文件管理

　　該模塊主要實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)、試驗臺硬件參數(shù)數(shù)據(jù)和檢測與評價結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲和格式轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)對多家光譜儀的光譜格式兼容，方便光譜數(shù)據(jù)的儲存和相互轉(zhuǎn)換。

2.2 實時顯示

　　實時顯示主要包括光譜數(shù)據(jù)、在線檢測參數(shù)和檢測評價結(jié)果的實時顯示。光譜數(shù)據(jù)既可以通過表格化以數(shù)字形式顯示，方便查詢被測樣品某一波長點下的吸光度數(shù)值，又可以通過以圖形化譜的圖形式顯示，直觀地反映了譜圖的變化情況;既可以顯示單個樣品的譜圖，又可以顯示多個樣品的譜圖，便于檢查出譜圖異常的樣品及觀察光譜曲線中噪聲嚴(yán)重的譜區(qū)。在線參數(shù)的顯示主要反映實時檢測速度和光照強(qiáng)度，便于檢測中根據(jù)樣品譜圖的情況通過軟件調(diào)整修改參數(shù)，檢測評價的結(jié)果也要相應(yīng)地顯示出來。

2.3 光譜信號的實時處理

　　光譜信號處理也稱為光譜預(yù)處理，是提高校正模型的適應(yīng)性和穩(wěn)定性的必要措施，也是提高未測樣品糖酸度預(yù)測精度的有力保證。軟件可以對原始光譜信號進(jìn)行實時的預(yù)處理，其中包括對光譜信號的坐標(biāo)變換(橫軸的波長、波數(shù)等單位變換，縱軸的吸光度、透過率、反射率等單位變換)、光譜信號的代數(shù)運算(加、減、乘、除常數(shù)，如中心化與標(biāo)準(zhǔn)化處理)、光譜信號的平滑、光譜信號的微分(一階和二階微分)和高頻噪聲濾除(平滑去卷積和傅立葉變換)。

2.4 實時光譜預(yù)測模型的選擇和管理

　　近紅外光譜柑橘糖酸度在線實時檢測的一般流程通常分為兩部分：模型選擇與基于該模型成分預(yù)測和預(yù)測模型庫的維護(hù)。在檢測開始之前，首先要選取適宜的預(yù)測模型來對被測柑橘的成分進(jìn)行預(yù)測。因此，我們篩選出多元線性回歸模型MLR^[13]，主成分回歸PCR^[14]和偏最小二乘法PLS^[15]等多種軟件系統(tǒng)，貯存于軟件模型庫，用戶可以針對不同的水果樣品和不同的預(yù)測成分，根據(jù)預(yù)備的實驗結(jié)果選擇適宜的模型進(jìn)行運算預(yù)測。另外，模型庫內(nèi)模型的維護(hù)和內(nèi)部模型的不斷改進(jìn)是決定軟件對柑橘種類和內(nèi)部成分種類適應(yīng)能力的基礎(chǔ)。

2.5 未知柑橘樣品內(nèi)部品質(zhì)的實時預(yù)測

　　未知柑橘樣品內(nèi)部品質(zhì)在線預(yù)測的流程圖如圖2所示，其包括的主要環(huán)節(jié)有：軟件參數(shù)選擇、硬件參數(shù)選擇、實時光譜采集和預(yù)處理以及糖酸度預(yù)測和顯示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　Visual C++是美國微軟(Microsoft)公司推出的Win32可視化C++開發(fā)環(huán)境，它是面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。它不但具有應(yīng)用程序框架自動生成、類管理靈活方便、可開發(fā)多種程序(如:應(yīng)用軟件、ActiveX控件及動態(tài)連接庫等)、代碼編寫和界面設(shè)計集成交互操作等優(yōu)點，而且通過簡單的設(shè)置就可使其生成的應(yīng)用程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口和3D控件界面等。目前，它已經(jīng)成為開發(fā)Win32應(yīng)用程序的主要開發(fā)工具。它具有一個功能龐大的MFC類庫，該類庫封裝了許多常用的Windows API函數(shù)，是Visual C++程序設(shè)計的核心，絕大多數(shù)基于Visual C++的應(yīng)用程序都是在該類庫基礎(chǔ)上構(gòu)造的。本檢測軟件系統(tǒng)就是基于Visual C++ 6.0開發(fā)環(huán)境開發(fā)完成的。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第70頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。