一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置的制作方法

1.本实用新型属于农业信息化领域，具体涉及一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置。


背景技术：

2.广陈皮须要三年以上的陈化过程，且价值、价格与陈化仓储时间正相关，故广陈皮须要大规模的仓储。由于广陈皮药食同源特性，近年来广陈皮相关的茶类和保健食品市场快速膨胀，促使广陈皮产业规模迅速扩大，要求广陈皮仓储向规模化和标准化发展。在广陈皮仓储陈化过程中，防止广陈皮霉变是仓储环境工控技术最重要的目标之一。目前获取广陈皮霉变数据一般是抽样送检，主要依靠生化手段和相关仪器设备离线检测，如专利cn106950298b公开了一种同时检测新会广陈皮中真菌毒素和农药残留的方法，以改性多壁碳纳米管作为净化吸附剂，将改良quechers法与液相色谱-串联质谱联用仪结合应用于检测新会广陈皮中真菌毒素和农药；但是其预处理程序复杂，检测周期长，检测结果时间滞后，无法对仓储环境控制进行实时反馈和闭环控制。因此，如何对广陈皮霉变进行实时监测和预警，以自动化控制广陈皮仓储现场，具有非常重要的现实意义。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提出一种高效、高精度的物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，基于视觉图像、广陈皮重量实时采集与温湿度采集系统，实时检测广陈皮霉变，可广泛应用于广陈皮自动化存储仓库。
4.本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
5.一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，如图2至图5所示，包括封闭箱1、箱体门2、玻璃观测门3、门合页4、蜂鸣器5、处理器显示面板 6、温度传感器7、湿度传感器8、通风孔9、实时重量采集模块10、称重基板 101、压力传感器102、称重底座103、重量数据接口104、加热模块105、相机11、光源12、图像数据接口13、处理器14、控制层15。
6.封闭箱1的两侧设有通风孔9，用于模拟实际仓库环境及其通风条件；箱体门2通过门合页4安装在封闭箱1上，放置广陈皮样本时打开，进行监测时关闭，以去除外界光源变化造成的干扰，降低采集图像的噪声和误差；箱体门 2的中心位置设有玻璃观测门3，用于人工观察内部广陈皮样本的实时状态；封闭箱1的上层设有控制层15；封闭箱1的内部设有数据采集系统和数据处理系统，所述数据采集系统包括三个子系统：图像采集系统、重量采集系统和温湿度采集系统。
7.所述数据处理系统包括处理器14、蜂鸣器5和处理器显示面板6，处理器 14安装在控制层15的内部，连通三个数据采集系统即图像采集系统、重量采集系统和温湿度采集系统，对发送的目标数据进行识别提取及决策分析，处理器显示面板6固定安装在封闭箱1的上层外侧，用于实时显示箱内的温度和湿度，蜂鸣器5内嵌在控制层的外部，与处理器14相连接，用于在得到指令后发出蜂鸣以进行预警，进而处理器14与仓库调控的上位机远程通
讯，做出反馈，如控制仓库抽湿机工作运转。
8.所述图像采集系统包括相机11、光源12、图像数据接口13，相机11固定在封闭箱1下层的顶部，用于间隔固定时间采集广陈皮彩色实时状态图像，相机11的旁边设有光源12，光源12与相机11同步启动，用于在较黑暗的环境中辅助相机更清晰地采集图片，规避反光或虚影带来的干扰造成误差，保证图像的稳定性，减小图像预处理的难度；图像数据接口13用于连通处理器14与图像采集系统。
9.所述重量采集系统为实时重量采集模块10，包括称重基板101、压力传感器102、称重底座103、重量数据接口104、加热模块105；压力传感器102安装嵌套在称重底座103的中心部位，称重基板101与压力传感器102同轴安装，将放置在基板上的广陈皮重量转换为数字信号，重量数据接口104安装在称重底座103的侧面，用于连通处理器14定时传输数据；为避免放置广陈皮样本的容器表面在相对潮湿的环境下，由于温差变化凝结少量水露，造成数据误差，在称重基板101底部设置加热模块105，略高于环境温度以避免称重基板101 表面结露，保证高精度测重，所述加热模块105对应加热区域进行安装，加热模块通过感应加热区域温度和环境温度并进行比较，将加热区域的温度控制在高于环境温度0.2～0.5℃，加热模块105的控制程序流程图见图6。
10.所述温湿度采集系统包括温度传感器7和湿度传感器8，均采用挂壁式安装在封闭箱1的下层侧壁。
11.一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测方法，是通过建立广陈皮图像识别模型、广陈皮样本重量变化数学模型和仓储环境温、湿度的多参数耦合模型，监测广陈皮样本的霉变情况，用于预测广陈皮的品质状况。
12.所述物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测方法，其流程图如图1所示，具体包括下述步骤：
13.(1)将装置存放在与仓库环境条件一致的位置；
14.(2)将样本广陈皮放置在称重基板101上，启动控制程序；
15.(3)触发相机11定时抓取一帧静态图像，拍照时启动led光源，其他时间关闭；感应压力传感器102定时记录样本重量数据；启动温度传感器7 和湿度传感器8实时传输箱内环境参数；
16.(4)基于所收集数据，进行图像、重量和温湿度数据预处理；
17.(5)按照霉菌分类，进行轮廓、颜色、纹理数据特征参数提取，建立图像识别模型，进行分类识别；
18.(6)结合重量数据和温湿度参数进行回归分析，建立双参数融合的重量变化数学模型；
19.(7)按照融合后重量拟合曲线的一阶导数方程，对重量突变区间进行分析；
20.(8)根据多准则决策法，将处理后的物理参数数据进行信息融合，建立多参数耦合模型；
21.(9)处理器14根据多参数耦合模型进行分类器在线判别，进而触发蜂鸣器报警，通讯上位机对仓库进行反馈控制，完成整体广陈皮霉变的快速监测。
22.步骤(2)中，根据木桶效应，样本广陈皮采用当年大红新皮，此种类含糖量较高，易产生霉变，具有更好的预警作用。
23.步骤(2)中，加热模块105中包含两个测温传感器进行检测，并与控制器相连，一个测温传感器用于检测加热区域的温度，另一个测温传感器用于检测环境温度，并将数据发送至控制器，使加热区域的温度高于环境温度 0.2～0.5℃。
24.步骤(3)中，相机11为工业全彩相机，目标图像数据间隔300s～3600s 采集一次；目标重量数据间隔300s～3600s采集一次。
25.步骤(4)中，对图像数据的预处理包括：图像灰度化、图像去噪、图像分割和图像增强。
26.步骤(5)中，轮廓特征采用微分算子提取，得到样本广陈皮边缘轮廓图像，获得轮廓变化程度数值c1。
27.步骤(5)中，颜色特征采用颜色矩提取，通过计算矩特征得到广陈皮图像中的颜色分布，获得样本广陈皮的颜色变化与分布状态c2，公式如下：
[0028][0029]
式中，μi、σi、ξi分别为图像的一阶矩、二阶矩、三阶矩；p
ij
为第i个像素的第j个颜色分量；n为像素个数。
[0030]
步骤(5)中，纹理特征采用灰度共生矩阵t(n
×
n)提取，计算定义后步长和方向上的对比度、相关性及熵值，获得广陈皮表面的纹理特征值c3。
[0031]
步骤(5)中，将边缘轮廓特征值c1、样本广陈皮的颜色变化与分布状态 c2和广陈皮表面的纹理特征值c3，作为图像判断的指标依据，建立图像识别模型，三项特征值输入处理器14中的svm分类器进行分类识别，比对已有的霉变特征数据得到分类结果:
[0032][0033]
步骤(6)中，样本广陈皮重量的变化受霉变和温湿度因素耦合影响，为防止空气温湿度突然改变引起的样本质量突变，被系统误分类成霉变，需确定重量与温湿度的样本数据在整体数据中所占影响权重，根据实际样本广陈皮重量的变化方程f1(x)，随温湿度变化的正常广陈皮重量动态响应方程f2(x)，得到双参数融合的重量变化数学模型：g(x)＝f1(x)-af2(x)；其中，a为温湿度参数权重系数，a的取值范围为0.20～0.45。
[0034]
步骤(7)中，融合后重量拟合曲线的一阶导数方程为：一阶导数方程能够反应数据变化快慢，由此确定重量数据的突变区间，提取样本霉变特征。
[0035]
步骤(8)中，图像识别模型和重量变化数学模型作为两个独立的霉变表征监测方
法，获得的多参数耦合模型为：
[0036][0037]
步骤(9)中，通过svm分类器，将融合的信息模型特征输入识别：
[0038][0039]
其中为与门逻辑，只有当与c(x)和f(x)同时满足霉变现象才会输出1。
[0040]
本实用新型的原理是：由于广陈皮初始霉变期间霉菌生长迅速，菌体本身吸收空气水分等外界物质增加其自身质量，在广陈皮监测样本的动态质量监测数据上会有突变特征，并区别于由于环境温湿度变化造成的广陈皮样本质量正常变化；以及霉菌发生初期在广陈皮表面形成绒状菌丝，在视觉上具有明显特征；因此，本实用新型采用物理多参数耦合进行广陈皮的霉变快速监测，可以实现仓储过程中广陈皮品质变化的实时监测和及时预警处理。
[0041]
本实用新型与现有技术相比具有如下优点和效果：
[0042]
(1)本实用新型的物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，实现了仓储过程中广陈皮品质变化的实时监测和及时预警处理，为安全高效仓储提供技术保障，降低广陈皮仓储风险，减少仓储的成本。
[0043]
(2)本实用新型的物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，利用机器视觉技术，对广陈皮样本抓取静态图像进行处理，按照轮廓、颜色或纹理特征判别霉变程度；利用重量和温湿度参数的耦合，对广陈皮样本物理参数进行处理判断霉变程度；从不同方面采集广陈皮霉变特征参数进行决策，精度高。
[0044]
(3)本实用新型的物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，在重量采集系统上加装智能加热模块，规避潮湿环境下由于温差引起秤盘上结露所造成的测量误差，实现高精度采集。
[0045]
(4)本实用新型的物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，后期可根据报警临界数据的整合分析，建立广陈皮的存储、陈化、保质需要的专属仓储技术规范，以现代科学技术搭建智能化广陈皮仓库。
附图说明
[0046]
图1为物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测方法的流程图。
[0047]
图2为物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置的结构示意图。
[0048]
图3为装置的半剖示意图。
[0049]
图4为实时重量采集模块的结构示意图。
[0050]
图5为加热模块的结构示意图。
[0051]
图6为加热模块的工作控制流程图。
[0052]
图7-a为正常广陈皮(当年大红新皮)在温度较为稳定时，其湿度随时间增加不断降低时重量变化图。
[0053]
图7-b为正常广陈皮(当年大红新皮)在温度较为稳定时，其湿度随时间增加不断
升高时重量变化图。
[0054]
其中，1、封闭箱；2、箱体门；3、玻璃观测门；4、门合页；5、蜂鸣器； 6、处理器显示面板；7、温度传感器；8、湿度传感器；9、通风孔；10、实时重量采集模块；101、称重基板；102、压力传感器；103、称重底座；104、重量数据接口；105、加热模块；11、相机；12、光源；13、图像数据接口；14、处理器；15、控制层。
具体实施方式
[0055]
为了便于理解本实用新型，下面将结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但是，不以任何形式限制本实用新型。应该指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，本实用新型还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
[0056]
实施例1
[0057]
一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，如图2、图3、图4、图 5所示，封闭箱1的两侧设有通风孔9，箱体门2通过门合页4安装在封闭箱1 上，箱体门2的中心位置设有玻璃观测门3，封闭箱1的上层设有控制层15；封闭箱1的内部设有数据采集系统和数据处理系统，所述数据采集系统包括三个子系统：图像采集系统、重量采集系统和温湿度采集系统。所述温湿度采集系统包括温度传感器7和湿度传感器8，均采用挂壁式安装在封闭箱1的下层侧壁。所述数据处理系统包括处理器14、蜂鸣器5和处理器显示面板6，处理器14安装在控制层15的内部，连通三个数据采集系统即图像采集系统、重量采集系统和温湿度采集系统，处理器显示面板6固定安装在封闭箱1的上层外侧，用于实时显示箱内的温度和湿度，蜂鸣器5内嵌在控制层的外部，与处理器14相连接，用于在得到指令后发出蜂鸣以进行预警。所述图像采集系统包括相机11、光源12、图像数据接口13，相机11固定在封闭箱1下层的顶部且位于称重基板101正上方，每间隔固定15min自动拍摄广陈皮实时状态下的全彩图像，相机11的旁边设有led灯组光源12，图像数据接口13用于连通处理器14与图像采集系统。所述重量采集系统为实时重量采集模块10，包括称重基板101、压力传感器102、称重底座103、重量数据接口104、加热模块105；压力传感器102安装嵌套在称重底座103的中心部位，压力传感器102将重量转换为数字信号，每间隔固定15min自动记录广陈皮实时状态下的重量数据，称重基板101与压力传感器102同轴安装，重量数据接口104安装在称重底座103的侧面，称重基板101底部设置加热模块105，通过感应加热区域温度和环境温度并进行比较，将加热区域的温度控制在高于环境温度0.2～0.5℃。
[0058]
在进行广陈皮仓储霉变预警使用时，如图1所示，是将广陈皮样本放置在称重基板101上，触发加热模块105，两个测温传感器分别感应加热区域温度和环境温度并进行比较，调控电热丝控温，将加热区域的温度控制至高于环境温度0.2～0.5℃，以保证称重精度，如图6所示；相机11工作时启动led光源，定时抓取一帧静态图像传送至处理器14，对图像预处理即灰度化、滤波、二值化，再对样本广陈皮进行轮廓、色彩和纹理的特征参数提取，其中轮廓提取采用微分算子比对周长变化、颜色矩比对颜色分布和灰度共生矩阵比对表征纹理状态，根据三项视觉特征值建立图像识别模型。由于广陈皮重量的增加受霉变与温湿度参数的耦合影响，将采集到的重量变化数据与广陈皮动态含水率数据结合并进行一阶求导，找到重量突变区间，判断是否为霉变引起的变化。启动压力传感器102定时记录重量数据，同
时温度传感器7和湿度传感器8实时传输箱内环境参数，处理器14设定环境参数对重量的影响权重比例，再分析重量突变区间的具体原因，得到重量变化数学模型；将多参数耦合模型通过与门逻辑的分类器，当参数同时满足霉变现象，触发蜂鸣器报警，完成广陈皮霉变快速监测的作业。
[0059]
实施例2
[0060]
一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，可用于广陈皮霉变预警。使用时，如：样本广陈皮在某一阶段表征特征值模型c(x)满足霉变特征，在其表面出现黄曲霉时，可能生长在边缘轮廓造成图像边长变大，其颜色出现明显变化如绿色，表征纹理如绒毛状。进行重量变化数学模型判断，样本广陈皮重量的变化受霉变和温湿度因素耦合影响，为防止空气湿度引起的突变被系统误分类成霉变，设定温湿度权重系数为0.20～0.45。如图7-a和图7-b所示的广陈皮正常状况下重量随温湿度变化的动态响应曲线，从图中可见没有突变区域，表示在此阶段广陈皮没有发生霉变，无需预警；若在此测量阶段内广陈皮重量变化为0.313g，减去由温湿度引起的部分，得到此时确实存在重量突变区间0.1522g，得到的f(x)满足霉变现象，多参数耦合模型满足霉变现象，触发蜂鸣器报警，完成广陈皮霉变快速监测的作业。
[0061]
以上所述仅为本实用新型的实施例，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，其特征在于：包括封闭箱和控制层；封闭箱的两侧设有通风孔，封闭箱的箱体门上设有玻璃观测门；封闭箱的上层设有控制层；封闭箱的内部设有数据采集系统和数据处理系统，所述数据采集系统包括三个子系统：图像采集系统、重量采集系统和温湿度采集系统。2.根据权利要求1所述的广陈皮霉变快速监测装置，其特征在于：所述数据处理系统包括处理器、蜂鸣器和处理器显示面板；处理器安装在控制层的内部，连通三个数据采集系统即图像采集系统、重量采集系统和温湿度采集系统；处理器显示面板固定安装在封闭箱的上层外侧；蜂鸣器内嵌在控制层的外部，与处理器相连接。3.根据权利要求1所述的广陈皮霉变快速监测装置，其特征在于：所述温湿度采集系统包括温度传感器和湿度传感器，均采用挂壁式安装在封闭箱的下层侧壁。4.根据权利要求1所述的广陈皮霉变快速监测装置，其特征在于：所述图像采集系统包括相机、光源、图像数据接口，相机固定在封闭箱下层的顶部，相机的旁边设有光源，图像数据接口用于连通处理器与图像采集系统。5.根据权利要求1所述的广陈皮霉变快速监测装置，其特征在于：所述重量采集系统为实时重量采集模块，包括称重基板、压力传感器、称重底座、重量数据接口、加热模块；压力传感器安装嵌套在称重底座的中心部位，称重基板与压力传感器同轴安装，重量数据接口安装在称重底座的侧面；在称重基板底部设置加热模块，所述加热模块包含两个测温传感器并与控制器相连，一个测温传感器用于检测加热区域的温度，另一个测温传感器用于检测环境温度，加热模块通过感应加热区域温度和环境温度并进行比较，将加热区域的温度控制在高于环境温度0.2～0.5℃。

技术总结
本实用新型公开了一种物理多参数耦合的广陈皮霉变快速监测装置，该装置包括封闭箱和控制层；封闭箱的两侧设有通风孔，封闭箱的箱体门上设有玻璃观测门；封闭箱的上层设有控制层；封闭箱的内部设有数据采集系统和数据处理系统，所述数据采集系统包括三个子系统：图像采集系统、重量采集系统和温湿度采集系统。本实用新型实现了仓储过程中广陈皮品质变化的实时监测和及时预警处理，为安全高效仓储提供技术保障，降低广陈皮仓储风险，减少仓储的成本。本。本。


技术研发人员：屈佳蕾 闫国琦 欧国良 钟楚敏 陈东宜
受保护的技术使用者：江门丽宫国际食品股份有限公司
技术研发日：2021.07.14
技术公布日：2022/3/8