基于阿里云應用的食品光譜分析安全檢測方案

背景

目前，全球正面臨著(zhù)新型冠狀病毒疾病(COVID-19)大流行帶來(lái)的前所未有的威脅。許多國家已采納世界衛生組織(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)也積極響應政府號召，鼓勵員工在家辦公、避免接觸。雖然世衛組織明確了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)在食品檢測行業(yè)的發(fā)展。針對防疫所帶來(lái)的更多基于云服務(wù)的大數據分析需求，食品檢測行業(yè)需要新的解決方案來(lái)滿(mǎn)足這一需求。對此，技術(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健公司推出了基于阿里云應用的食品光譜分析安全檢測方案。

云介入

食品行業(yè)應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、防止食品污染。保持食品加工環(huán)境，云應用在食品安全檢查的應用與實(shí)踐，以及在互聯(lián)網(wǎng)的應用日益廣泛，食品安全領(lǐng)域監管和結構化數據與檢測，機構結構化數據、小樣本、分散式的碎片化數據，通過(guò)云應用進(jìn)行快速收集、存儲、分析和鑒別，很好地符合當前食品安全檢測要求相類(lèi)方案成為行業(yè)趨勢。

解決方案

眾所周知，因為時(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，因為氧化而改變顏色、濃度和味道；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)了基于阿里云平臺開(kāi)發(fā)，針對飲料、液態(tài)食品、食物添加劑等安全檢測應用場(chǎng)景的解決方案。

食品安全檢測原理是由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)，模塊檢測其光譜數據，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，經(jīng)過(guò)樣本學(xué)習及云計算來(lái)辨別種類(lèi)。

本方案設計中使用了MICROCHIP公司基于 ARM Cortex-M0+的超低功耗處理器 作為主控平臺運行本地數據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、低成本等多項優(yōu)點(diǎn)。

方案具體介紹

LED光源：首爾半導體的SUNLIKE系列在可見(jiàn)光范圍內有高質(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)檢測點(diǎn)，每個(gè)波長(cháng)的半峰寬是20nm。

MCU處理器：MICROCHIP的ATSAML21

SAML21硬件架構

超低功耗ARM Cortex-M0+MCU架構，運行頻率高達48MHz；

工作模式下的功耗為35Ua/MHz，在睡眠模式下的功耗低于200nA；

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

設計框圖

SAML21軟件架構

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

硬件架構圖

網(wǎng)絡(luò )數據傳輸實(shí)例

鋰電池充電管理芯片：MICROCHIP的MCP73853

帶有涓流式預充電、快速充電等模式，快速充電最大電流可以達到400mA，帶有溫度檢測功能，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有很強增益，信號覆蓋廣。模塊支持PSM和eDRX低功耗模式，理論上兩節5號電池可支持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。

數據流程圖

硬件加密功能

考慮到IoT的無(wú)線(xiàn)傳輸的安全性，此方案中也支持Microchip的非對稱(chēng)加密芯片——ATECC608A，實(shí)現硬件加密功能，確保數據傳輸的安全性和可靠性。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺可以紀錄歷史數據及匹配結果

方案數據流程

用戶(hù)可以通過(guò)Excelpoint世健公司開(kāi)發(fā)的軟件工具，來(lái)設置NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊的參數、光譜數據及波形曲線(xiàn)。該軟件也可以與本地數控庫進(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)器內的數據庫進(jìn)行相似度計算之后，將結果返回至模塊，通過(guò)SIM7020C通信模塊發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。當然，用戶(hù)也可以使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的付費計算功能獲得計算結果。

食品安全與云應用的結合，無(wú)論在數據量、形式、還是技術(shù)手段上，都為食品安全行業(yè)提供了強有力的保障，為政府管理部門(mén)、食品企業(yè)、經(jīng)銷(xiāo)商、超市、檢測機構、消費者等不同用戶(hù)主題提供了便捷的應用服務(wù)；同時(shí)具有監管科學(xué)性，有效建立了食品健康企業(yè)與消費者間的溝通渠道，引導正確消費，保證食品安全。