基于阿里云應(yīng)用的食品光譜分析安全檢測(cè)方案

背景

目前，全球正面臨著新型冠狀病毒疾病(COVID-19)大流行帶來(lái)的前所未有的威脅。許多國(guó)家已采納世界衛(wèi)生組織(WHO)建議，將保持人與人之間的距離作為減少疾病傳播的方法之一。許多企業(yè)也積極響應(yīng)政府號(hào)召，鼓勵(lì)員工在家辦公、避免接觸。雖然世衛(wèi)組織明確了COVID-19不是食品安全問(wèn)題，但此次疫情卻給食品行業(yè)帶來(lái)新的變化，切實(shí)推動(dòng)了云服務(wù)在食品檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展。針對(duì)防疫所帶來(lái)的更多基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)分析需求，食品檢測(cè)行業(yè)需要新的解決方案來(lái)滿(mǎn)足這一需求。對(duì)此，技術(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健公司推出了基于阿里云應(yīng)用的食品光譜分析安全檢測(cè)方案。

云介入

食品行業(yè)應(yīng)建立基于危害分析和關(guān)鍵控制點(diǎn)(HACCP)原則的食品安全管理體系(FSMS)，以管理食品安全風(fēng)險(xiǎn)、防止食品污染。保持食品加工環(huán)境，云應(yīng)用在食品安全檢查的應(yīng)用與實(shí)踐，以及在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用日益廣泛，食品安全領(lǐng)域監(jiān)管和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與檢測(cè)，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、小樣本、分散式的碎片化數(shù)據(jù)，通過(guò)云應(yīng)用進(jìn)行快速收集、存儲(chǔ)、分析和鑒別，很好地符合當(dāng)前食品安全檢測(cè)要求相類(lèi)方案成為行業(yè)趨勢(shì)。

解決方案

眾所周知，因?yàn)闀r(shí)間帶來(lái)的積累性氧化是食品變質(zhì)的主要問(wèn)題之一，以果汁、食用油為例，因?yàn)檠趸淖冾伾舛群臀兜?食用油被污染或多次煎炸，會(huì)改變顏色和光譜譜線(xiàn)。

世健公司攜手Microchip帶來(lái)了基于阿里云平臺(tái)開(kāi)發(fā)，針對(duì)飲料、液態(tài)食品、食物添加劑等安全檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景的解決方案。

食品安全檢測(cè)原理是由LED發(fā)射出可見(jiàn)光，通過(guò)比色皿吸收后，在可見(jiàn)光部分有吸收，由傳感器檢測(cè)液體的光譜曲線(xiàn)，不同的液體在可見(jiàn)光譜段有不同的光譜曲線(xiàn)，模塊檢測(cè)其光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)樣本學(xué)習(xí)及云計(jì)算來(lái)辨別種類(lèi)。

本方案設(shè)計(jì)中使用了MICROCHIP公司基于ARM Cortex-M0+的超低功耗處理器作為主控平臺(tái)運(yùn)行本地?cái)?shù)據(jù)采集和阿里云的通信協(xié)議，光譜傳感器使用了ams公司的產(chǎn)品，LED光源采用首爾半導(dǎo)體的產(chǎn)品，無(wú)線(xiàn)連接采用的芯訊通NB-IOT模塊具備覆蓋廣、支持海量連接、低功耗、低成本等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

方案具體介紹

設(shè)計(jì)框圖

LED光源：首爾半導(dǎo)體的SUNLIKE系列

在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有高質(zhì)量的光譜輸出。

光譜傳感器：ams傳感器在可見(jiàn)光到近紅外部分(400nm-940nm)有18個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)波長(zhǎng)的半峰寬是20nm。

MCU處理器：MICROCHIP的ATSAML21

SAML21硬件架構(gòu)

超低功耗ARM Cortex-M0+MCU架構(gòu)，運(yùn)行頻率高達(dá)48MHz;

工作模式下的功耗為35Ua/MHz，在睡眠模式下的功耗低于200nA;

集成高級(jí)模擬外設(shè)、高級(jí)PWM、靈活的SERCOM、USB、硬件觸摸PTC加密引擎等;

硬件架構(gòu)圖

SAML21軟件架構(gòu)

SAML21支持TCP/IP與SSL等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以完美的運(yùn)行鏈接阿里云、谷歌云等。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)例

鋰電池充電管理芯片：MICROCHIP的MCP73853

帶有涓流式預(yù)充電、快速充電等模式，快速充電最大電流可以達(dá)到400mA，帶有溫度檢測(cè)功能，溫度過(guò)高會(huì)自動(dòng)切斷電源。

NB-IoT：芯訊通SIM7020C

SIM7020C是一款多頻段NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信模塊，采用42 PIN LCC封裝;擁有豐富的硬件接口，包括串口、GPIO、ADC等，具備豐富的擴(kuò)展性，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了極大的便利性。相比較GSM，NB-IoT有很強(qiáng)增益，信號(hào)覆蓋廣。模塊支持PSM和eDRX低功耗模式，理論上兩節(jié)5號(hào)電池可支持10年。此外，SIM7020的封裝和SIM800C模塊兼容，可以盡可能縮短客戶(hù)研發(fā)時(shí)間，加快客戶(hù)產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度。

硬件加密功能

考慮到IoT的無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)陌踩裕朔桨钢幸仓С諱icrochip的非對(duì)稱(chēng)加密芯片——ATECC608A，實(shí)現(xiàn)硬件加密功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?

方案數(shù)據(jù)流程

用戶(hù)可以通過(guò)Excelpoint世健公司開(kāi)發(fā)的軟件工具，來(lái)設(shè)置NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊的參數(shù)、光譜數(shù)據(jù)及波形曲線(xiàn)。該軟件也可以與本地?cái)?shù)控庫(kù)進(jìn)行樣品相似度匹配，并且可以通過(guò)TCP/IP與用戶(hù)服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相似度計(jì)算之后，將結(jié)果返回至模塊，通過(guò)SIM7020C通信模塊發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。當(dāng)然，用戶(hù)也可以使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的付費(fèi)計(jì)算功能獲得計(jì)算結(jié)果。

數(shù)據(jù)流程圖

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以紀(jì)錄歷史數(shù)據(jù)及匹配結(jié)果

食品安全與云應(yīng)用的結(jié)合，無(wú)論在數(shù)據(jù)量、形式、還是技術(shù)手段上，都為食品安全行業(yè)提供了強(qiáng)有力的保障，為政府管理部門(mén)、食品企業(yè)、經(jīng)銷(xiāo)商、超市、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、消費(fèi)者等不同用戶(hù)主題提供了便捷的應(yīng)用服務(wù);同時(shí)具有監(jiān)管科學(xué)性，有效建立了食品健康企業(yè)與消費(fèi)者間的溝通渠道，引導(dǎo)正確消費(fèi)，保證食品安全。