Chương 1: Tổng quan 1.1 Tổng quan đề tài Thực phẩm đóng vai trò thiết yếu đối với sự phát triển của con người. Chính vì vậy chúng ta cần phải có những phương pháp dé kiểm định và đánh giá chất lượng thực phẩm. 1 Hiện tại các thiết bị kiểm định chất lượng sản phẩm trên thị trường có chi phí đắt đỏ, ngoài ra dé định lượng được sản phẩm cần trải qua các quy trình phức tap, cần phải dùng các thiết bị lớn, thiếu tính cơ động hoặc phải phân tích trong phòng thí nghiệm, và điêu đó sẽ phá hủy câu trúc của mẫu. Nhận thấy được sự cần thiết và tiềm năng đó, nhóm đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng phân tích quang phổ cận hồng ngoại trong kiểm định chất lượng sản phẩm thịt” làm chủ đề nghiên cứu.
Bảng 1: Các phương pháp phân tích và kiểm tra chất lượng thực phẩm Phương pháp Nội dung công nghệ Ưu điềm Nhược điểm Phân tích dựa trên Các mẫu sé được Do được thành phan Tôn kém, nhiêu hình ảnh cấu trúc chụp ảnh phân lớp nhiêu chât bước rât phúc tạp, của mau [1][2] MRI, sau đó sẽ tốn thời gian phân tích thành phần dựa trên điểm ảnh MRI đó Phương pháp hóa Mẫu sẽ được xử lý Ít tốn kém hơn so mất thời gian, chưa sinh truyền thống bằng phương pháp | với phương pháp kế yếu tố con người [2] tách răn và lỏng, trên có thể gây sai sót, sau đó dùng liệu phải xâm lắn mau trình hóa học phù sản pham hợp đề xác định thành phần chất cần đo Phương pháp phân | Các mẫu sẽ được | Tốc độ phân tích Chi phí sản phâm tích dựa trên phân chiêu ánh sáng vào, nhanh chóng, đơn trên thị trường hiện tích quang phổ cần phân ánh sáng phản giản cho người tại khá cao hồng ngoại xạ ngược lại sẽ dùng, giá thành rẻ (NIRS)[4][5][6] được cảm biên thu. Phân tích dữ liệu hơn, phân tích được thu được từ cảm nhiều chất biến dé định lượng thành phần chất cần đo 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Công nghệ NIR trong định lượng, giám sát chất lượng sản phẩm Trong mẫu thịt có các liên kết hóa học C-H, O-H và N-H, khi ta chiếu chùm tia bức xạ điện từ ở dải bước sóng nhất định đi qua các mẫu, các liên kết đó sẽ hấp thụ các bước sóng này tạo ra quang phô tương ứng [7]. Quang phố nhận được liên quan tới các đặc tính hóa học và vật lý của các phân tử hữu cơ trong các mẫu. Phân tích các dữ liệu thu được đó có thê ước tính được thông tin bao gồm chỉ số và thành phần.
Đây được coi là một trong những công nghệ mang tính bước ngoặc trong việc kiểm định chất lượng sản phẩm trong công nghiệp.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hiện đang phát triển và phát triển với tốc độ cao ở các nước châu âu và Mỹ. Nhiều công ty sản xuất chip lớn trên thế giới tham gia vào công cuộc phát triển phần cứng lẫn phần mềm khi thấy nhẫn tinh năng vận dụng cao vào cuộc sống như Texas Instrusment (Mỹ), Sparkfun, và Adafruit (My). Nhiều sản phẩm nghiên cứu và có tính ứng dụng cao được đưa vào thị trường phổ biên ở các nước phát triên và đang phát triên Chủ đề này là một trong những chủ đề hàng đầu đối với các viện nghiên cứu quốc tế. Những sản phẩm với công nghệ NIR spectroscopy được ứng dụng rộng rãi vào các van đề như: Đánh giá chất lượng thực phẩm, kiểm tra nồng độ axit trong đất nông nghiệp, và đo nồng độ đường trong máu không xâm lấn.
3 Trên là máy phân tích thành phần mẫu dựa trên công nghệ NIRS đến từ tập đoàn Bruker [8], nha sản xuất dung cụ khoa hoc của Mỹ dùng cho nghiên cứu phan tử va vat liệu, cũng như phân tích ứng dụng và công nghiệp. Những tính năng của thiết bị: e Kiểm tra nguyên liệu đầu vào e Phân tích đi kèm quy trình e Kiêm tra sản phâm cuôi cùng e Phát hành phân tích Lĩnh vực ứng dụng: e Ngành công nghiệp thực pham và nước giải khát e Sản xuất thức ăn chăn nuôi e© Dược phẩm và công nghệ sinh học e Công nghiệp hóa chất và hóa dầu e Ngành công nghiệp polyme Ưu điểm: e Ứng dụng da dang trong các lĩnh vực e Tính chính xác cao, phép đo đa dạng Nhược điểm: Giá thành cao 15,000$ - 200005 (348,450,000 — 464,600,000 VND) 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Near Infrared Spectroscpoty là chủ đề nghiên cứu phô biến ở quốc tế nhưng tại Việt Nam thì công nghệ NIRS mới được tiếp cận gần đây. Mặc dù là một chủ đề nghiên cứu mới nhưng với tính năng ứng dụng thực tiễn khiến nhiều đơn vị trong nước gồm các doanh nghiệp lẫn trường đại học chọn đây là giải pháp cho dự án của mình. Một trong những công ty tiên phong hàng đầu về công nghệ này như (Upscience Lab Solution) cung cấp giải pháp trong kiểm soát nguyên liệu và thức ăn chăn nuôi (phát triển dịch vụ 2018).
Ngoài ra hiện tại một số trường đại học tại Việt Nam cũng bắt đầu nghiên cứu về công nghệ này như Trường Đại học Công nghệ thông tin. Gần đây các cuộc hội thảo về nền công nghiệp 4.0 đã đề cập tới những cơ hội phát triển những dự án lớn tại thị trường Việt Nam với vốn đầu tư từ nước ngoài. Đây cũng là một trong những thuận lợi dé công nghệ NIRS tiếp tục có cơ hội phát triển tại Việt Nam. Bên cạnh những thuận lợi thì vẫn còn nhiều bat cập về đối tượng nghiên cứu đó là: - Thiết bị có giá thành cao (thiết bị chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài) - Tai liệu và mã nguồn từ các nhà cung cấp phan cứng còn khá hạn chế - Khan hiếm phan cứng phục vụ cho nghiên cứu ở thị trường Việt Nam - Tinh cơ động của các thiệt bi còn hạn chê 1.3 Những điểm mới của đề tài - _ Thiết kế chế tạo thiết bị với giá thành rẻ - Khao sát đặc điểm đối với các sản phẩm tại Việt Nam - Tinh cơ động cua thiét bi cao - Toc độ do cao.3 Mục tiêu, đối tượng va phạm vi nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tong quát: - _ Nghiên cứu sâu về công nghệ Near Infrared Spectroscopy về cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình ứng dụng.
- _ Xây dựng bộ đữ liệu và mô hình dự đoán nồng độ chất béo trong sản phẩm. - Phan tích hệ thống bao gồm các cảm biến AS7265x, Raspberri Pi 4, nguồn phát, màn hình Oled raspberry PI. Mục tiêu cụ thể: - Nghiên cứu tài liệu, các bài báo về công nghệ NIRs. - Xây dựng bộ dataset cho mô hình dự đoán.
- Thiết bị có tính di động cao. - Độ chính xác của thiết bị khi dự đoán trên 70%. - Do mẫu không xâm lắn (không tách ran và lỏng) 1.2 Khách thể, đối tượng nghiên cứu Khách thé nghiên cứu: - Ly thuyết mỗi quan hệ giữa phân tử hữu cơ và bức xạ nhiệt - Cac đối tượng cần cho hệ thống: - Nghiên cứu thiết kế công suất nguồn phát tạo ra các bức xạ cần thiết - _ Nghiên cứu quan lí nguôn và cung cap nguôn cho hệ thông 6 - _ xây dựng bộ dữ liệu cho hệ thống - Phuong pháp xử lý nhiễu thông số bức xạ của hệ thong Đối tượng nghiên cứu: - _ Xây dựng mô hình máy hoc dự đoán thành phan phan trăm chat béo trong sản phẩm từ thịt. - Lap trình mô hình trên máy tính nhúng Raspberry pi.
- _ Nguồn phát xạ halogen có dai bước sóng từ 450nm đến 1000nm. - Pau thu AS7265x có thé thu được các bước sóng từ 350nm đến 1000nm. - Kiém nghiệm thiết kế dựa trên thông số trên sản phẩm thị trường.3 Phạm vi nghiên cứu - __ Xây dựng dựng hệ thống nhúng định lượng được chất béo của sản phẩm từ thịt gồm: xúc xích, chả lụa, và lạp xưởng. - _ Xây dụng thiết bị với tốc độ phản hồi đưới 10 giây.
- Khao sát thiết bị với các mẫu sản phâm với độ chính xác lớn hơn 70% - Tao ra thiết bị có tinh ứng dụng thực tiễn, giá rẻ, có tính kế thừa dé dé dang nghiên cứu và phát triển thêm trên thiết bị.4 Phương pháp nghiên cứu Nội dung 1: Tìm hiểu về công nghệ NIRS và cơ sở lý thuyết - Tim hiểu về cơ sở lý thuyết của bức sóng Near Infrared Spectroscopy - Tim hiểu về lý thuyết sự tương tác giữa các phan tử hữu cơ đối với các bức xạ có bước sóng khác nhau. Nội dung 2: Tìm hiểu về nguồn phát xạ dùng cho hệ thống - Tim hiểu về nguồn phát xa Halogen - Tim hiểu về nguồn phát xa LED - So sánh các đặc điểm của 2 nguồn phát xạ - Tim hiểu về phương pháp điều chỉnh công suất cho nguồn 7 Nội dung 3: Tìm hiểu về máy tính nhúng Raspberry Pi 4 - _ Hệ điều hành cho Raspberry Pi - Lap trình nhúng trên Raspberry Pi Nội dung 4: Tìm hiéu về cảm biến quang AS7265x - Phuong pháp xử lý dit liệu cảm biến - _ Các tính năng của cảm biến Nội dung 5: Phương pháp thu thập dữ liệu - _ Nghiên cứu cách bồ trí mô hình thu thập dữ liệu - _ Nghiên cứu các thông số của dữ liệu Nội dung 6: Mô hình máy học - _ Tiền xử lý đữ liệu thô - Chuan hóa dữ liệu - M6 hình dự đoán - _ Tối ưu kết qua Nội dung 7: Xây dựng giao diện - _ Nghiên cứu Tinker Python cho xây dựng giao diện hiên thị - _ Nghiên cứu sử dụng màn hình Oled Raspberry Pi 4 3.5 Inch Nội dung 7: Báo cáo 1.5 Thuận lợi, khó khăn 1.1 Thuận lợi - St dụng máy tính nhúng Raspberry Pi với mã nguồn mở được đóng góp rất nhiều từ cộng đông trong nước và quôc tê - _ Có những giải pháp giải quyết van đề khi được sự góp ý của các giảng viên hướng dân 1.2 Khó khăn - Thiếu thiết bị chuẩn để có kết quả đối chiếu và thu thập thông số cho bộ dữ liệu mẫu. - Linh kiện điện tử về Near Infrared Spectroscopy tai thị trường Việt Nam rất khan hiếm, phải nhập từ quốc tế và mat nhiều thời gian cho việc thông quan đơn hang. - _ Là một trong những đề tài nghiên cứu đầu tiên tại trường đại học nên thiếu đi những kiên thức kê thừa va mat nhiêu thời gian dé tìm hiệu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Cơ sở lý thuyết về bức xạ quang phố Năm 1800, William Hershel đã phát hiện ra sự ton tại của bức xạ nhiệt ở ngoài vùng phổ của ánh sáng nhìn thấy và ông đặt tên cho nó là bức xạ hồng ngoại (Infrared - IR).