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문제 정의
- 본 연구에서는 수박 재배포장, 집하장, 슈퍼마켓 등에서 손쉽게 사용 가능한 휴대형 비파괴 수박품질 판정기를 개발한 후 수박품질 판정기의 성능을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 음파를 이용하여 수박의 내부 품질을 비파괴적으로 판정할 수 있는 수박 품질 판정기를 개발하였으며, 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 2) 수박의 음파수집한 후 품질 요인별 분석하여 음파 데이터에서 내부 품질에 따른 특징점(영교차율, 피크점간 거리표준편차, 자기 상관함수, 시간파형 첫 피크점, 시간파형 에너지, 주파수 대역 에너지, 미숙과 인자)을 추출하여 내부품질 판정 알고리즘을 개발하였다.
- 50을 사용하였다. PC상에서 이컴파일러를 사용하여 개발/수정된 소프트웨어를 이 시스템에 다운로드할 수 있는 다운로드 프로그램을 개발하였다. PC와 이 시스템을 시리얼 케이블로 연결하여 다운로드 프로그램을 실행하고 시스템의 전원을 켜면, 시스템은 이를 자동으로 인식하도록 하였다.
- PC상에서 이컴파일러를 사용하여 개발/수정된 소프트웨어를 이 시스템에 다운로드할 수 있는 다운로드 프로그램을 개발하였다. PC와 이 시스템을 시리얼 케이블로 연결하여 다운로드 프로그램을 실행하고 시스템의 전원을 켜면, 시스템은 이를 자동으로 인식하도록 하였다. 소프트웨어의 작동 흐름도는 그림 2에서 보는 바와 같다.
- 이 소리 신호는 신호처리보드에서 5kHz로 샘플링한 후 12bit의 분해능을 갖은 A/D 변환 IC에 의해 디지털 신호로 변환되어 분석과정을 거친 다음 내부 품질 판정 결과를 타격장치상부에 설치되어 있는 액정표시 화면(LCD)에 표시한다. 기계를 사용하지 않을 때는 액정표시 화면을 접어서 화면을 보호하도록 하였다.
- 개발된 모델을 수박품질판정기에 적용하여 성능평가를 하였다. 삼복꿀 수박 정상과 비정상과 각각 41개, 31개 총 72개를 생산자가 먼저 품질판정을 한 후, 기계로 품질 판정을 하였다. 생산자와 기계의 판정 정확도는 표4과 5에서 보는 바와 같이 각각 75%, 83%로 기계의판정정확도가 높았다.
- 생산자와 수박품질 판정기에 의한 수박의 내부 품질을 판정한 후 판정 정확도를 조사하기 위하여 성능시험 직후 시료를 절개하여 육안에 의한 파괴적인 방법으로 내부 품질을 판정하였다. 표 2에 육안판정 시 피수박, 공동과에 관한 기준 설정 값들을 나타내었다.
- 이 기계는 타격부, 신호처리부, 음파센서부, LCD 판정표시부, 전원부로 구성되어 있다. 수박품질 판정기는 그림 1과표 1에서 보는 바와 같이 수박 재 배포장, 집하장 등에서 간편하게 사용 가능하도록 작고 가볍도록 설계를 하였다.
- 수박품질 판정기에 의한 내부품질판정은 여러 품질판정인 자들을 사용하여 우선 먼저 비정상과 판정(피수박 T 공동과 T 미숙과) 후 적 숙과 판정하는 과정을 거치며, 그림 4와 같은 알고리즘에 의해 수박의 내부 품질을 판정하였으며, 판정 경계값은 아래와 같다.
- 표 2에 육안판정 시 피수박, 공동과에 관한 기준 설정 값들을 나타내었다. 육안판정 시 등숙정도는 미숙과 적숙과로 구분하였으며, 표 2에서 보는 바와 같이 피수박과 공동과정도는 5등급으로 나누었으며, 피수박 정도가 2등급 이상인 경우, 공동의 정도가 3등급 이상인 경우 그리고 미숙과 인 경우를 비정상과로 판정하였다.
- 품질 판정을 위해 수박에 기계를 접촉하면 마이크로폰 지지 부분이 움직여 마이크로폰과 수박과의 거리가 일정하게 (2mm) 떨어질 수 있도록 설계하였다. 타격장치에서 방아쇠가 뒤로 당겨질 때 방아쇠에 장착된 U자형 스프링에 의해 타격봉이 뒤로 같이 당겨지도록 하였다.
대상 데이터
- 수박품질 판정 구동, 음파신호 분석 그리고 내부 품질을 판정하는 소프트웨어 개발은 메인 프로세서에 사용할 수 있는 것이어야 한다. 사용된 컴파일러는 영국 ARM사의 ARM SDT V2.50을 사용하였다. PC상에서 이컴파일러를 사용하여 개발/수정된 소프트웨어를 이 시스템에 다운로드할 수 있는 다운로드 프로그램을 개발하였다.
- 수박품질 판정기의 모델 개발 및 성능시험을 위해 사용된 공시 재료는 2002년 6월 중순에서 8월 중순에 전북 고창에서 재배된 '삼복꿀수박(Citrulus Vulgaris Schrad), 이었으며, 정상과와 비정상과 가 각각 90통, 53통을 실험에 사용하였다.
- 수박품질 판정기의 판정 모델을 개발하기 위하여 품종이 '삼복꿀 수박'인 비정상과와 정상과 각각 22개, 49개를 사용하였으며, 표 3에서 보는 바와 같이 개발된 품질 판정 모델의 정확도는 87%이였다.
- 신호처리부의 메인 프로세서는 표 1에서 보는 바와 같이 ARM7TDMI코어를 가지고 있는 삼성의 KS32C41000을 사용하였다. 이 프로세서는 66MHz에 32bit 프로세서로 i486 100MHz와 동급의 성능을 가지고 있으며, DSP 엔진을 가지고 있어 FFT와 같은 고속연산 이 용이한 특징을 가지고 있다.
- 수박을 두드렸을 때 발생되는 소리의 진동은 과육의 상태에 따라 다르게 나타난다. 정상 과(적숙과)와 비정상과 (미숙과, 공동과, 피수박)의 시간파형 및 주파수파형에서 각각을 구별할 수 있는 특징인자들을 추출하여 품질 판정 인자로 사용하였다. 시간파형에서 정상과와 비정상과는 피크(Peak)와 피크사이거리의 균일한 정도, 일정한 시간대역에서 영교차율(Zero Crossing Rate) 그리고, 시간대 역별, 전체 시간에 대한 에너지가 차이가 날 수 있다.
데이터처리
- 개발된 모델을 수박품질판정기에 적용하여 성능평가를 하였다. 삼복꿀 수박 정상과 비정상과 각각 41개, 31개 총 72개를 생산자가 먼저 품질판정을 한 후, 기계로 품질 판정을 하였다.
성능/효과
- 1) 개발된 수박품질 판정기는 휴대가 가능하여 수박 재배포장, 집하장, 슈퍼마켓 등 현장에서 쉽게 사용 가능하도록 휴대형 비파괴 수박품질 판정기를 개발하였다.
- 3) 개발된 수박의 내부품질 판정 모델의 정확도는 87%이었으며, 생산자와 수박품질 판정 기의 내부품질 판정 정확도를 조사한 결과, 생산자 판정 정확도는 75%이었으며, 시작기의 판정 정확도는 83% 이었다.
- 삼복꿀 수박 정상과 비정상과 각각 41개, 31개 총 72개를 생산자가 먼저 품질판정을 한 후, 기계로 품질 판정을 하였다. 생산자와 기계의 판정 정확도는 표4과 5에서 보는 바와 같이 각각 75%, 83%로 기계의판정정확도가 높았다. 앞으로 품질판정 정 확도를 더 높일 수 있는 인자를 선정하여판정모델을 보완, 실용화하면 수박 품질에 대한 신뢰성 향상과 고품질 수박이 유통되리라 사료된다.
후속연구
- 이러한 현실을 고려해 볼 때, 경험과 전문 기술 없이도 고품질의 수박을 수확 . 선별함으로써 소비자에 대한 상품의 신뢰성을 높이고 품질의 차별화로 생산자의 소득증대를 위해서는 비파괴적으로 내부 품질을 판정할 수 있는 기술이 시급히 개발되어야 할 것이다.
- 생산자와 기계의 판정 정확도는 표4과 5에서 보는 바와 같이 각각 75%, 83%로 기계의판정정확도가 높았다. 앞으로 품질판정 정 확도를 더 높일 수 있는 인자를 선정하여판정모델을 보완, 실용화하면 수박 품질에 대한 신뢰성 향상과 고품질 수박이 유통되리라 사료된다.
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