基于阿里云應用的食品光譜分析安全檢測方案

背景

目前，全球正面臨著新型冠狀病毒疾病(COVID-19)大流行帶來的前所未有的威脅。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不是食品安全問題，但此次疫情卻給食品行業帶來新的變化，切實推動了云服務在食品檢測行業的發展。針對防疫所帶來的更多基于云服務的大數據分析需求，食品檢測行業需要新的解決方案來滿足這一需求。對此，技術型分銷商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

食品行業應建立基于危害分析和關鍵控制點(HACCP)原則的食品安全管理體系(FSMS)，以管理食品安全風險、防止食品污染。保持食品加工環境，云應用在食品安全檢查的應用與實踐，以及在互聯網的應用日益廣泛，食品安全領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，通過云應用進行快速收集、存儲、分析和鑒別，很好地符合當前食品安全檢測要求相類方案成為行業趨勢。

解決方案

眾所周知，因為時間帶來的積累性氧化是食品變質的主要問題之一，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，會改變顏色和光譜譜線。

世健公司攜手Microchip帶來了基于阿里云平臺開發，針對飲料、液態食品、食物添加劑等安全檢測應用場景的解決方案。

食品安全檢測原理是由LED發射出可見光，通過比色皿吸收后，在可見光部分有吸收，由傳感器檢測液體的光譜曲線，不同的液體在可見光譜段有不同的光譜曲線，模塊檢測其光譜數據，通過NB-IoT無線通信模塊上傳到阿里云物聯網平臺，經過樣本學習及云計算來辨別種類。

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議，光譜傳感器使用了ams公司的產品，LED光源采用首爾半導體的產品，無線連接采用的芯訊通NB-IOT模塊具備覆蓋廣、支持海量連接、低功耗、低成本等多項優點。

方案具體介紹

LED光源：首爾半導體的SUNLIKE系列在可見光范圍內有高質量的光譜輸出。

光譜傳感器：ams傳感器在可見光到近紅外部分（400nm-940nm）有18個檢測點，每個波長的半峰寬是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等多種網絡協議，可以完美的運行鏈接阿里云、谷歌云等。

硬件架構圖

網絡數據傳輸實例

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，溫度過高會自動切斷電源。

NB-IoT：芯訊通SIM7020C

SIM7020C是一款多頻段NB-IoT 無線通信模塊，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，為產品開發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研發時間，加快客戶產品投放市場的速度。

數據流程圖

硬件加密功能

考慮到IoT的無線傳輸的安全性，此方案中也支持Microchip的非對稱加密芯片——ATECC608A，實現硬件加密功能，確保數據傳輸的安全性和可靠性。

阿里云物聯網平臺可以紀錄歷史數據及匹配結果

方案數據流程

用戶可以通過Excelpoint世健公司開發的軟件工具，來設置NB-IoT無線通信模塊的參數、光譜數據及波形曲線。該軟件也可以與本地數控庫進行樣品相似度匹配，并且可以通過TCP/IP與用戶服務器內的數據庫進行相似度計算之后，將結果返回至模塊，通過SIM7020C通信模塊發送至阿里云物聯網平臺。當然，用戶也可以使用阿里云物聯網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，無論在數據量、形式、還是技術手段上，都為食品安全行業提供了強有力的保障，為政府管理部門、食品企業、經銷商、超市、檢測機構、消費者等不同用戶主題提供了便捷的應用服務；同時具有監管科學性，有效建立了食品健康企業與消費者間的溝通渠道，引導正確消費，保證食品安全。