◎ 姚紫娟，吕玉祥

（太原理工大学，山西 太原 030000）

食品安全是人们美好生活的根基，食品安全是民生工程，也是群众支撑工程，它保证了“舌尖上的安全”，使人民“轻松的饮食，健康的饮食”，符合人民群众对美好生活的向往。核桃粉是一种固体饮料，含有的丰富的蛋白质、磷、钙以及微量元素锌、锰和多种维生素，不仅可以补脑有助于提高记忆力，还有提高睡眠质量的功效，对不同年龄段的人有不同的功效，被称为抗氧化之“王”[1]。然而，天然核桃粉的功效与其品质有关，且因其含有砷、重金属等多种有害物质，会严重危害食用者的健康[2]。

近几年来，有很多学者对食物中过氧化氢进行了研究，但是对于过氧化氢含量测量往往采用化学与物理方法检测，如柱前衍生高效液相色谱法[2]、高锰酸钾法[3]、碘量法[4]、钛盐法[4]、分光光度法[5-6]、红外光谱法[7]、化学发光分析法[8-9]、等。本文根据现有的电子科学技术，从数据采集、建立模型、软硬件设计等方面设计一款非接触式核桃粉新鲜度的测量装置[10-11]。

1 核桃粉新鲜度相关参数与相关模型建立

核桃粉中过氧化物是影响核桃粉新鲜度和营养价值下降的主要因素，过氧化物进一步分解产生醛和酮，通过测定过氧化物含量可以判断核桃粉当下的氧化程度和继续氧化的能力，一般新鲜核桃粉的过氧化氢的含量不超过5 mmol·kg-1。而影响过氧化氢含量的主要因素有温度、时间和湿度。

1.1 过氧化物与温度时间数据获取

原料来自于山西某核桃基地提供的天然核桃粉，实验方法为GB 5009.227—2016过氧化氢检测，试验开始前设置好恒温箱温度，待箱内温度稳定后，经过事先设定的时间后取出样品核桃粉200 g检测并记录过氧化氢含量，分别设置不同的恒温箱温度，设定值为 （20 ℃、24 ℃、28 ℃、32 ℃、36 ℃和40 ℃），每个温度都做3次平行实验。

由图1可以看出，在相同温度下，过氧化氢的含量随着时间的推移而增长，而且明显看出在放置3～6月时，增长的速率比较快，之后速率明显趋于平缓，在相同时间、不同温度下，过氧化氢的含量随着温度的增加而增加。

图1 实验结果图

1.2 不同温度下过氧化物与温度时间关系曲线建立

借助数学软件MATLAB对已有数据拟合得到图2所示函数关系，函数关系表达式为：yi=ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f，函数系数见表1。

图2 不同温度下过氧化物与温度时间拟合函数图

表1 拟合函数系数表

多曲线联动查询法的核心在于通过已有的多条函数关系，对各个函数互相联动构成一个数据库，然后通过已有数据库模型对未知输出的预测。在本实验中把时间与H2O2的含量在各个温度的函数关系构成一个数据库，在误差允许的范围内，认为当下温度如果接近数据库中温度（40 ℃、36 ℃、32 ℃、28 ℃、 24 ℃和20 ℃）的±2 ℃时，H2O2含量的增长率是一样的。在单片机的内部集成的实时时钟设置定时器，定时为10 min，对核桃粉的温度进行测量，例如，当温度传感器第一次采回温度为25 ℃，在下一次温度采回之前，则选择y2（T=24 ℃）函数对应的增长率作为此时H2O2含量的增长率，并对H2O2的含量进行累计，计为Δy1，当温度传感器第二次采集回的温度到27 ℃，同理则选择y3（T=28 ℃）。函数纵坐标Δy1位置对应的增长率作为此时H2O2含量的增长率，同样对H2O2的含量进行累计，计为Δy2，以此类推第n次传回计为Δyi。

输入单位时间t，温度T℃，H2O2的含量增量Δyi，y（Ti，t）为不同温度下的拟合函数，他们之间存在关系式为：

1.3 湿度对过氧化物的影响

查阅资料得[11]过氧化物在50%湿度情况下生成速率最为显著。所以根据湿度影响系数模拟，存在一个湿度修正系数K对过氧化物的增长量进行修正。则K为：其中P为实际测量湿度值。

1.4 核桃粉新鲜度计算

核桃粉新鲜度可由X值表示，X值按式（1）进行计算。

式（1）、（2）中，K为湿度修正系数；P为实际测量湿度值；Δyi为实时过氧化物的增量；Z为实际过氧化物的含量；0.17为每千克核桃粉过氧化物的标定含量。核桃粉的新鲜度与X的值呈正相关。

2 装置设计方案

系统由硬件电路、上位机软件和显示终端三部分构成。硬件电路部分主要包括电源电路STM32f103、温湿度采集电路、RTC电路、无线传输电路和过氧化氢含量显示电路；上位机软件由Keil编写，主要实现将采集到的温度、时间数据代入所建立的过氧化氢相关模型，计算得到核桃粉实时新鲜度值通过PC端显示并通过无线通讯传递给用户。显示终端主要是将传递给用户的的实时值进行显示、分析并报警，系统结构图如图3所示。

图3 系统结构图

2.1 硬件电路

图4为硬件框图，主控芯片采用STM32F103RET6， 为整个系统的核心，控制设备各模块正常运行。供电电路采用充放电模块使外接电源输出稳定的5 V电压，再通过AMS1117芯片把5 V转化为芯片所需要的3.3 V 电压。无线模块采用A7139-S433，是一款低成本高效率工作于1 GHz以内的收发模块。显示电路使用OLCD屏。温度采集模块采用DS18B20芯片，优点在于能在同1根总线上同时挂多个DS18B20的芯片，可实现空间分布式测温。系统装置如图5，终端显示如图6。

图4 硬件框图

图5 系统装置图

图6 终端显示图

2.2 软件设计

软件部分主要实现温湿度信号采集、导入计算模型、无线传输和数据存储。软件设计使用美国Keil软件公司出品的uVision4开发平台，通C语言编程对设备各部分进行控制。整个系统实现流程：正常情况下，系统为睡眠模式，通过STM32f103内部集成的实时时钟设置定时器，定时为10 min，唤醒检测系统，检测当前环境温湿度度数据以及获得精确的放置时间t，结合建立的新鲜度相关模型，获得核桃粉实时新鲜度值。当测得核桃粉中的H2O2含量超标时，触动报警装置。软件编程流程见图7。

图7 软件流程图

3 系统验证

为验证系统的可行性和准确性，通过系统测量不同温度下随时间变化的过氧化氢含量，并记录（见表2）。

表2 实验室测量值与系统测量值的误差表

经过计算分析，得出系统测量与实验室国家标准方法测量的数据比较，误差的绝对值在3%以内，在误差允许的范围内，即系统的精度符合要求。

4 结语

跟踪核桃粉新鲜度与过氧化氢变化情况，发现过氧化氢含量变化与核桃粉存放期间的温度、时间、湿度有关，本文通过实验得到三者之间的相互关系后，再利用现有电子技术发展成果，研制相关电路，实时检测温湿度，实时记录时间，利用温度时间与这两种物质变化关系的相关算法，可以实时得出过氧化氢数据，从而实现了实时得出核桃粉新鲜度的一个系统。结合各种网络显示系统，生产厂家与用户都能随时了解任意核桃粉在任何时间里的新鲜程度，为厂家与用户实时了解产品品质提供了技术支持。