基于阿里云应用的食品光谱分析安全检测方案

背景

目前，全球正面临着新型冠状病毒疾病(COVID-19)大流行带来的前所未有的威胁。许多国家已采纳世界卫生组织(WHO)建议，将保持人与人之间的距离作为减少疾病传播的方法之一。许多企业也积极响应政府号召，鼓励员工在家办公、避免接触。虽然世卫组织明确了COVID-19不是食品安全问题，但此次疫情却给食品行业带来新的变化，切实推动了云服务在食品检测行业的发展。针对防疫所带来的更多基于云服务的大数据分析需求，食品检测行业需要新的解决方案来满足这一需求。对此，技术型分销商Excelpoint世健公司推出了基于阿里云应用的食品光谱分析安全检测方案。

云介入

食品行业应建立基于危害分析和关键控制点(HACCP)原则的食品安全管理体系(FSMS)，以管理食品安全风险、防止食品污染。保持食品加工环境，云应用在食品安全检查的应用与实践，以及在互联网的应用日益广泛，食品安全领域监管和结构化数据与检测，机构结构化数据、小样本、分散式的碎片化数据，通过云应用进行快速收集、存储、分析和鉴别，很好地符合当前食品安全检测要求相类方案成为行业趋势。

解决方案

众所周知，因为时间带来的积累性氧化是食品变质的主要问题之一，以果汁、食用油为例，因为氧化而改变颜色、浓度和味道；食用油被污染或多次煎炸，会改变颜色和光谱谱线。

世健公司携手Microchip带来了基于阿里云平台开发，针对饮料、液态食品、食物添加剂等安全检测应用场景的解决方案。

食品安全检测原理是由LED发射出可见光，通过比色皿吸收后，在可见光部分有吸收，由传感器检测液体的光谱曲线，不同的液体在可见光谱段有不同的光谱曲线，模块检测其光谱数据，通过NB-IoT无线通信模块上传到阿里云物联网平台，经过样本学习及云计算来辨别种类。

本方案设计中使用了MICROCHIP公司基于 ARM Cortex-M0+的超低功耗处理器 作为主控平台运行本地数据采集和阿里云的通信协议，光谱传感器使用了ams公司的产品，LED光源采用首尔半导体的产品，无线连接采用的芯讯通NB-IOT模块具备覆盖广、支持海量连接、低功耗、低成本等多项优点。

方案具体介绍

LED光源：首尔半导体的SUNLIKE系列在可见光范围内有高质量的光谱输出。

光谱传感器：ams传感器在可见光到近红外部分（400nm-940nm）有18个检测点，每个波长的半峰宽是20nm。

MCU处理器：MICROCHIP的ATSAML21

SAML21硬件架构

超低功耗ARM Cortex-M0+MCU架构，运行频率高达48MHz；

工作模式下的功耗为35Ua/MHz，在睡眠模式下的功耗低于200nA；

集成高级模拟外设、高级PWM、灵活的SERCOM、USB、硬件触摸PTC加密引擎等；

设计框图

SAML21软件架构

SAML21支持TCP/IP与SSL等多种网络协议，可以完美的运行链接阿里云、谷歌云等。

硬件架构图

网络数据传输实例

锂电池充电管理芯片：MICROCHIP的MCP73853

带有涓流式预充电、快速充电等模式，快速充电最大电流可以达到400mA，带有温度检测功能，温度过高会自动切断电源。

NB-IoT：芯讯通SIM7020C

SIM7020C是一款多频段NB-IoT 无线通信模块，采用42 PIN LCC封装；拥有丰富的硬件接口，包括串口、GPIO、ADC等，具备丰富的扩展性，为产品开发提供了极大的便利性。相比较GSM，NB-IoT有很强增益，信号覆盖广。模块支持PSM和eDRX低功耗模式，理论上两节5号电池可支持10年。此外，SIM7020的封装和SIM800C模块兼容，可以尽可能缩短客户研发时间，加快客户产品投放市场的速度。

数据流程图

硬件加密功能

考虑到IoT的无线传输的安全性，此方案中也支持Microchip的非对称加密芯片——ATECC608A，实现硬件加密功能，确保数据传输的安全性和可靠性。

阿里云物联网平台可以纪录历史数据及匹配结果

方案数据流程

用户可以通过Excelpoint世健公司开发的软件工具，来设置NB-IoT无线通信模块的参数、光谱数据及波形曲线。该软件也可以与本地数控库进行样品相似度匹配，并且可以通过TCP/IP与用户服务器内的数据库进行相似度计算之后，将结果返回至模块，通过SIM7020C通信模块发送至阿里云物联网平台。当然，用户也可以使用阿里云物联网平台的付费计算功能获得计算结果。

食品安全与云应用的结合，无论在数据量、形式、还是技术手段上，都为食品安全行业提供了强有力的保障，为政府管理部门、食品企业、经销商、超市、检测机构、消费者等不同用户主题提供了便捷的应用服务；同时具有监管科学性，有效建立了食品健康企业与消费者间的沟通渠道，引导正确消费，保证食品安全。