基于PLC的温室作物三维表型试验装置设计_杨柳.pdf

第46卷第10期 2025年10月 自 动 化 仪 表 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 46 No 10 Oct 2025 收稿日期 2024 08 16 作者简介 杨柳 1987 男 硕士 工程师 主要从事工业自动化设备设计与开发方向的研究 E mail yangliuhpu 126 com 基于PLC的温室作物三维表型试验装置设计 杨 柳 浙江大华科技有限公司 浙江杭州311401 摘 要 随着成像技术的进步 植物图像获取技术促进了高通量植物表型研究的发展 设计了一款基于可编程逻辑控制器 PLC 和 多相机的温室作物三维表型试验装置 该装置可对温室中的盆栽作物进行高精度三维可见光成像和三维多光谱成像 该装置可通 过手动 自动 上位机等方式对温室中的不同植物进行三维成像 克服了二维成像方式中叶片遮挡和深度信息缺失的问题 保证了植 物结构描述的准确性 该装置大幅节省了植物科研人员的科研时间 有效提高了工作效率 该装置对植物科研工作者进行高通量植 物表型研究具有重要意义 关键词 可编程逻辑控制器 三维成像 上位机 相机 试验装置 可见光 多光谱 中图分类号 TH 39 文献标志码 A DOI 10 16086 j cnki issn1000 0380 2024080041 Design of Three Dimensional Phenotyping Test Device for Greenhouse Crops Based on PLC YANG Liu Zhejiang Dahua Technology Co Ltd Hangzhou 311401 China Abstract With advances in imaging technology plant image acquisition techniques have facilitated the development of high throughput plant phenotyping studies A three dimensional phenotyping test device for greenhouse crops based on programmable logic controller PLC and multi camera is designed The device can perform high precision three dimensional visible light imaging and three dimensional multispectral imaging of potted crops in greenhouses The device can image different plants in the greenhouse in three dimensions by manual automatic and upper computer etc which overcomes the problems of leaf occlusion and the lack of depth information in the two dimensional imaging method and ensures the accuracy of the description of the plant structure The device greatly saves the research time of plant researchers and effectively improves work efficiency The device is of great significance for plant researchers to conduct high throughput plant phenotyping studies Keywords Programmable logic controller PLC Three dimensional imaging Upper computer Camera Test device Visible light Multispectral 0 引言 植物表型是指反映植物细胞 组织 器官 植株和 群体结构及功能特征的物理 生理和生化性状 植物 表型的本质是植物基因图谱的三维表达及地域分异特 征和代际演进规律 1 2 目前 欧美主要发达国家的政府和研究机构都在 针对植物表型研究积极布局 还出台了多项国家级的 研究计划 3 6 澳大利亚国家植物表型研究设施 植物加速器造价2 656万美元 由4个140 m2的全自 动温室以及2套全自动高通量植物三维成像系统 Scanalyzer3D 组成 日本千叶kazusa DNA 研究院前沿 技术研究所开发了1套半自动三维植物表型模拟系 统 该系统采用自动化传输装置 高度集成化传感器 和数据管理分析系统 每天可对至少数百株的植物进 行无损 自动 快速 高通量成像与数据解析 进而实现 与遗传变异等密切相关的植物动态生长发育表型数据 的监测 量化和评估 这是深入挖掘作物 基因型 表 型 环境型 内在关联的有效途径 7 9 采用室内高通量种质资源表型平台进行室内试验 虽然不能提供土壤系统的真实性以及植物生物和非生 物胁迫的复杂性 但可通过对各种环境条件的精细调 控和对植物生长发育条件的严格控制 定性 定量地研 究代表性或感兴趣的植物对特定环境的响应 这避免 第10期 基于PLC的温室作物三维表型试验装置设计 杨 柳 了基因型与自然环境相互作用引起的不可预测的表型 变异 并可针对植物生长情况开展复杂试验条件下的 模拟分级研究 10 12 此外 室内试验可预先缩小数 千种基因型的范围 为进行田间试验评估真实生长环 境下的作物性状奠定了基础 13 14 基于此 本文设计开发1款基于可编程逻辑控制 器 programmable logic controller PLC 和多相机的温室 作物高通量三维表型成像试验装置 以用于植物科研 人员进行植物表型研究 该装置在实际应用中可提升 作物产量以满足社会对食品 纤维和燃料的需求 因此 具有重要意义 1 控制系统的方案设计 1 1 控制系统总体设计 控制系统主要由上位机控制系统 PLC控制系统 和三维成像控制系统等组成 上位机控制系统主要由称重传感器 上下料工位 扫载具码相机 扫花盆二维码相机 浇水工位扫载具码 相机 线体缓存工位扫载具码相机 暗箱1入口扫载具 码相机 暗箱2入口扫载具码相机等组成 主要负责下 发不同的控制命令给PLC PLC收到上位机发送的指 令后执行相应的动作流程 同时提供用户操作界面 以 实现数据和图像的收集 显示和存储等功能 PLC控制系统主要由4套倍速链条 分别由1 4 变频器控制 4套十字分流 9套工位阻挡直流电 机 20套伺服电机系统 1个触摸屏 若干光电开关和 接近开关等组成 PLC控制系统主要负责控制系统中 的执行机构动作 以实现不同的操作流程 相关操作 流程包括上样流程 试验测试流程 下样流程 设备初 始化流程等 三维成像控制系统主要由9个可见光相机 1个 多光谱相机 1个红绿蓝深度 red green blue depth RGB D 相机光源及相机光源控制器等组成 三维成 像控制系统主要负责对试验过程中的植物进行三维成 像 图像存储 三维算法重构等 1 2 控制系统原理 PLC控制系统充当 下位机 的角色 主要控制现 场设备的运行 如启动 停止 调节速度等 以确保设备 的正常运行 同时监测设备状态 及时发现并处理故 障 以确保生产过程的顺利进行 上位机控制系统主 要与1 11 视觉相机 扫码相机 光源控制器 称重传 感器进行连接 该系统的主要作用是控制相机拍照 控制相机光源强度 以及存储图像 植物重量等数据 同时向PLC下发控制命令 从而控制整个设备的动作 流程 控制系统原理如图1所示 图1 控制系统原理图 Fig 1 Schematic diagram of control system 2 控制系统硬件设计 2 1 直流无刷电机选型 考虑到试验室中没有压缩气源的实际情况 本文 装置中的线体阻挡机构采用国产中大直流无刷电机阻 挡机构代替气缸阻挡机构 该电机的型号为 Z62BLDPN2460 30S 62ZPN145 36 60 W 该电机采 用双支撑结构输出轴 使齿轮箱的承载扭力大幅提高 太阳轮与行星架采用花键联接方式 大幅增强了内部 齿轮箱承受扭矩 提高了整机的使用寿命 所选的低 压直流无刷电机驱动器型号为ZDRV C10 200L NP 该驱动器具有以下特点 运行方式采用闭环控制 控 制精度 0 5 加 减速度可通过键盘调节 调节范 围为0 3 10 s 自带电子刹车等功能 可实现快速电 磁制动 具有完善的故障检测及保护功能 当欠压 过 压 过流 过载 堵转 缺相 过温等多种故障发生后 该 驱动器根据故障类型进行相应的保护动作 故障信息 可通过发光二极管 light emitting diode LED 或键盘 进行显示 111 自 动 化 仪 表第46卷 2 2 PLC选型 系统控制器选用国产汇川Easy523 0808TN PLC EtherCAT总线型 网络运动主机 双网口支持级联 该 PLC支持EtherCAT 总线 脉冲 总线最大32 轴 最大支 持72个EtherCAT从站 本体有2个扩展卡槽 本地可扩 展16 个模块 PLC扩展模块及网络布局如图2所示 图2 PLC 扩展模块及网络布局图 Fig 2 Diagram of PLC s expansion module and network layout 2 3 交流伺服电机选型 汇川SV630N系列的伺服控制系统具有快速 精 准 方便易用的特点 同时使用的RJ45工业以太网线 可以快速连接 大幅减少了配线工作量 绝对值编码器 电池直接附装于驱动器中 安装及拆换方便 简单 而 且省去了限位开关及原点开关 编码器具有高抗振性 且耐高温 该系统中 伺服驱动器选用型号分别为 SV630NS2R8I SV630NS1R6I SV630NS012I 伺服电机 选用型号分别为MS1H4 40B30CB T334R MS1H4 40B30CB T331R MS1H3 13C15CB T331R 2 4 称重传感器选型 上下料称重扫码绑定工位主要用于人工进行上料 称重 扫码绑定 下料扫码解绑 本文选用国产领威特 四线制传感器 该传感器型号为LWT LAEA LWT1241 50 kg 量程为50 kg 精度等级为C5 输送灵 敏度为 2 0 0 05 mV V 零点输出为 0 05 mV V 温度灵敏度漂移为0 02 F S 10 零点温度漂移 为0 02 F S 10 工作温度为 20 60 温度 补偿范围为 10 40 防护等级为IP65 安全超载 为150 F S 输入电阻为 405 10 输出电阻为 350 3 绝缘电阻大于等于5 000 M 50 V DC 该传感器综合精度 稳定性 性价比均高 且安装简便 快速 2 5 扫码相机选型 本文选用华睿R5000系列的智能读码仪 该读 码仪型号为R5016MG 12M WGG01 该读码仪有以下 特点 采用集成光源设计 红 白 蓝多色光源可选 多 路光源可独立控制 多种不同焦距可选 支持电动对 焦 有一键自动对焦模式 千兆工业以太网接口 IP65 防护等级丰富的输入 输出 input output I O 接口 以 太网 RS 232 通用输入输出 general purpose input output GPIO 口 支持多种通信协议 支持丰富的读码 类型 支持码质量评价内置深度学习算法 支持多参数 轮询 可保障多种以及复杂场景的识别效果 3 控制系统软件设计 3 1 PLC程序设计 设备运行前 需对系统中的伺服电机 直流无刷电 机 三相异步变频器电机 接近开关 光电开关等进行 开机加电自检初始化操作 初始化完成后 需人工进 行花盆植物上样流程 只有在上样流程完成后 才可 进行试验测试流程 211 第10期 基于PLC的温室作物三维表型试验装置设计 杨 柳 根据控制系统的要求 设计出的控制系统程序流 程如图3所示 图3 控制系统程序流程图 Fig 3 Control system program flowchart 3 2 上位机软件设计 上位机控制软件与PLC进行ModbusTCP通信 下 发不同的控制命令给PLC PLC驱动相应的执行机构 动作 进而实现对整个系统的控制与监视 上位机控 制软件界面主要包括主界面 三维可见光成像界面 三 维多光谱成像界面和植物浇水设置界面等 三维可见光成像控制界面和三维多光谱成像控制 界面分别如图4和图5所示 图4 三维可见光成像控制界面 Fig 4 Three dimensional visible light imaging control interface 图5 三维多光谱成像控制界面 Fig 5 Three dimensional multispectral imaging control interface 主界面 主界面是整个系统的控制中心 操作 人员通过操作不同的按钮 向PLC下发不同控制指 令 相关指令包括开机自检指令 上样流程指令 下样 流程指令 开始试验测试指令 停止指令等 三维可见光成像界面 三维可见光成像界面主 要用于对暗箱1中的三维可见光相机进行参数设置和 成像控制方式设置 311 自 动 化 仪 表第46卷 三维多光谱成像界面 三维多光谱成像界面主 要用于对暗箱2中的多光谱相机和RGB D相机进行 参数设置和成像控制方式设置 植物浇水设置界面 植物浇水设置界面主要用 于对花盆中的植物是否需要进行浇水 浇水量 mL 参 数进行设置 3 3 试验测试原理 控制系统布局如图6所示 图6 控制系统布局图 Fig 6 Layout diagram of control system 当上样流程完成后 人工用鼠标左键点击上位机 软件主界面的 试验开始 按钮 设备自动进入试验测 试过程 载具到达浇水工位时 PLC触发浇水工位扫码 相机扫码 上位机获取到载具条形后 通过查询数据 库 上料时载具条形码与花盆二维码已实现信息绑 定 便可知当前花盆的信息状态 并将信息状态下发 给PLC 信息状态包括是否需要浇水 是否已浇水 浇 水量 是否已测试完成等信息 PLC根据上位机发送的指令执行浇水动作 完 成后载具输送到下1个工位 载具到达暗箱1入口缓存工位扫码相机时 触 发相机进行拍照 上位机获取到载具条形后 发送是 否需要进行 三维可见光成像拍照 的指令给PLC 此后 载具被输送至暗箱1工作位 若PLC收到需要进行 三维可见光成像拍照试 验 信号时 上位机触发三维可见光成像系统相机进 行360 拍照成像 并将图片数据记录到工控机的硬盘 中 完成后若PLC收到 载具放行 信号时 载具放 行进入下1个工位 载具到达箱体2入口缓存工位扫码相机时 触 发相机进行拍照 上位机获取到载具条形后 发送是 否需要进行 三维光谱成像拍照 指令给PLC 此后 载具被输送至暗箱体工作位 若PLC收到需要进行 三维多光谱成像拍照试 验 信号时 上位机触发三维多光谱成像系统相机进行 360 拍照成像 并记录到工控机的硬盘中 完成后若 PLC收到 载具放行 信号时 载具放行进入下一工位 载具被输送至倍速链条2中 重复步骤 步骤 直到所有载具上的花盆 植物试验测试结束 试验测试结束后 所有载具将全 部缓存在倍速链条2中 4 试验测试及数据分析 暗箱1 三维可见光成像模组内部有9个拍照相 机 这9个相机均装设在伺服移动机构上 可以分别 进行水平方向和垂直方向的自动调节 载有植物的载 具到达暗箱1 三维可见光成像模组时 顶升伺服机构 411 第10期 基于PLC的温室作物三维表型试验装置设计 杨 柳 将载具顶升到位后保持静止不动 相机1 9 通过伺 服机构自动运行到指定位置 此时 转盘伺服在0 360 范围内作旋转运行 每旋转一定的角度 上位机 系统控制相机1 9 对植物进行拍照成像 直到完成 对植物360 的三维可见光拍照成像 暗箱2 三维多光谱成像模组内部有2个拍照相 机 这2个相机分别为多光谱相机和RGB D相机 相机和光源可通过伺服进行自动调节 当植物到达暗 箱2 三维多光谱成像模组的旋转伺服机构时 伺服机 构带动植物在0 360 范围内作旋转运动 需要注意 的是 植物会跟随旋转伺服作旋转运动 每旋转一定 的角度 上位机系统控制多光谱相机和RGB D相机对 植物进行拍照成像 直到完成对植物360 的三维光谱 拍照成像 三维成像试验测试数据 每次旋转10 如表1 所示 表1 三维成像试验测试数据 每次旋转10 Tab 1 Three dimensional imaging test datas 10 per rotation 项目 每次旋转 角度 单个植株 旋转总角度 转盘速度 s 转盘伺服 转动1次 时间 s 转盘伺服 减速比 暗箱相机 数量 个 旋转到位 等待时间 s 图像数量 张 单个植株 耗时 s 重建效率 s 幅 三维可见光成像10 360 15 0 67 265 714 9 2 5 324 145 32 0 45 三维多光谱成像10 360 15 0 67 40 000 2 2 5 72 132 00 1 83 由表1可知 在重建效率方面 三维可见光成像效 率比三维多光谱成像效率高 这是因为三维可见光成 像模组配置的相机数量比三维多光谱成像模组多 在 单个植物耗时方面 三维可见光成像比三维多光谱成 像耗时长 三维成像试验测试数据 每次旋转5 如表2所示 表2 三维成像试验测试数据 每次旋转5 Tab 2 Three dimensional imaging test datas 5 per rotation 项目 每次旋转 角度 单个植株 旋转总角度 转盘速度 s 转盘伺服 转动1次 时间 s 转盘伺服 减速比 暗箱相机 数量 个 旋转到位 等待时间 s 图像数量 张 单个植株 耗时 s 重建效率 s 幅 三维可见光成像5 360 15 0 33 265 714 9 2 5 648 266 64 0 41 三维多光谱成像5 360 15 0 33 40 000 2 2 5 144 281 04 1 95 由表1和表2可知 通过改变每次旋转角度参数 可以获取不同图像 在实际试验测试过程中发现 通 过改变转盘速度和旋转到位等待时间参数 可以改变 获取图像的清晰度 值得注意的是 每次旋转角度 转 盘速度 旋转到位等待时间 以及相机的数量 角度 位 置需根据实际植物的株型结构进行调整 并需经过多 次反复测试 以选择最佳配置 5 结论 本文设计的基于PLC和多相机的温室作物高通 量三维表型成像试验装置是1款高精度 高通量 自动 化植物表型研究平台 适用于原位或培养容器中小中 型尺寸的植物研究 暗箱1 三维可见光成像模组和 暗箱2 三维光谱成像模组中的伺服移动机构根据用 户自定义的运行和测量程序将视觉拍照相机直接移动 到要测量的植物上方 从而对植物进行快速三维成像 本文采用以多相机为基础的成像方式为三维植物重构 和对植物进行表型研究奠定了基础 三维成像方式不 但克服了二维成像方式中叶片遮挡和深度信息缺失的 问题 保证了植物结构描述的准确性 而且构建了相机 与植物的空间关系 从而提升了表型数据的稳定性 植物表型研究平台在高通量条件下对植物进行无损分 析 植物在整个生命周期中被多次成像 所有植物都 通过条形码标记 整个生长发育阶段表现数据都可定 期进行测量 这加快了高通量植物表型研究的发展 进程 参考文献 1 杨文庆 刘天霞 唐兴萍 等 智慧农业背景下的植物表型组学 研究进展 J 河南农业科学 2022 51 7 1 12 2 赵春江 植物表型组学大数据及其研究进展 J 农业大数据学 报 2019 1 2 5 18 3 GRANIER C VILE D Phenotyping and beyond modelling the relationships between traits J Current Opinion in Plant Biology 2014 18 96 102 4 程曼 袁洪波 蔡振江 田间作物高通量表型信息获取与分析技 术研究进展 J 农业机械学报 2020 51 S1 314 324 5 JOSHI S THODAY KENNEDY E DAETWYLER H D et al High throughput phenotyping to dissect genotypic differences in safflower for drought tolerance J PLoS One 2021 16 7 e0 254 908 下转第121页 511 第10期 基于多特征图像拼接算法的车载感知系统设计 李子贤 等 路和车辆将进行智能化和网联化的耦合发展 这不仅 可以对车辆和行人等道路环境进行感知 也可以对交 通灯进行识别 以作为闯红灯的警告 4 3 实车试验 为了验证本文算法能否完成商用车环境感知以及 是否达到对目标识别预警的要求 还需要进行实车试 验 试验采用某公司的商用车乘龙H7进行相关的实 车数据采集 并在车前栏进气口以及两侧后视镜处均 分别安装相应的摄像头 实车道路预警结果对比如 表2所示 表2 实车道路预警结果对比 Tab 2 Comparison of real vehicle road early warning results 道路 环境算法 里程数 km 总预警数 个 漏预警数 个 误预警数 个 城镇传统算法257 156 13 9 本文算法257 179 7 5 国道传统算法438 392 25 8 本文算法438 406 16 3 在相同的道路场景以及里程数下 本文算法相比 传统算法 商用车普通感知算法 城镇路况漏预警数 减少了46 2 误预警数减少了36 国道路况漏预 警数减少了44 4 误预警数减少了62 5 相比于 传统算法 本文算法在准确率以及识别精度上都有一 定的优势 5 结论 本文设计了1种基于目标定位和复合特征的商用 车车载感知系统 该系统包括特征提取 图像拼接以 及识别模块 具有对车身四周目标进行识别和预警的 功能 首先 该系统对于经过预处理的原图像和待拼 接图像 采用边缘角点算法进行目标区域定位 生成包 含低维SIFT的特征点集以进行图像配准 然后对可拼 接的图像进行融合 采用YOLOv5算法对融合后图像 进行识别 识别出预设的目标后即完成环境感知的目 标 试验结果表明 与采用传统算法的感知系统相比 该系统的图像拼接精度提升了约15 耗时减少了约 90 实车试验验证 该系统能够准确识别车身四周 目标 使漏预警率和误预警率均有一定程度降低 参考文献 1 LOWE D G Distinctive image features from scale invariant keypoints J International Journal of Computer Vision 2004 60 2 91 110 2 侯宏录 李媛 李光耀 改进SIFT匹配的动态背景下运动目标 检测算法 J 自动化仪表 2019 40 8 60 64 3 ZAHRA H N NASRI M An adaptive image registration method based on SIFT features and RANSAC tranform J Computers and Electrical Engineering 2017 62 524 537 4 SU M Z MA Y ZHANG X F et al MBR SIFT a mirror reflected invariant feature descriptor using a binary representation for image matching J PLoS ONE 2017 12 5 e0178090 5 AI D N HAN X H DUAN G F et al Global selection vs local ordering of color SIFT independent components for object scene classification J IEICE Transactions on Information and Systems 2011 94 9 1 800 1 808 6 ZHU Y X SAMUEL C VLADIMIR S et al Image registration using BP SIFT J Journal of Visual Communication Image Representation 2013 24 4 448 457 7 夏振港 华德正 张旭 等 基于改进SIFT算法的胃部图像拼接 方法研究 J 自动化仪表 2022 43 9 56 61 8 陈艳丽 刘静 张祺 等 应用于PCB焊接检测的图像拼接算法 研究 J 自动化仪表 2023 44 8 96 98 105 9 马领月 潘禹 杜必强 基于改进Harris SIFT算法的立体匹 配 J 电子科学技术 2017 4 45 49 10 MAHAMDIOUA M BENMOHAMMED M Automatic adaptation of SIFT for robust facial recognition in uncontrolled lighting conditions J IET Computer Vision 2018 12 5 623 633 11 RIO A SHINJI E CHIKAMUNE W Improved YOLOv5 based light weight object detection algorithm for people with visual impairment to detect buses J Applied Sciences 2023 13 9 5 802 12 王鹏飞 黄汉明 王梦琪 改进YOLOv5的复杂道路目标检测算 法 J 计算机工程与应用 2022 58 17 81 92 上接第115页 6 徐凌翔 陈佳玮 丁国辉 等 室内植物表型平台及性状鉴定研 究进展和展望 J 智慧农业 中英文 2020 2 1 23 42 7 PIERUSCHKA R SCHURR U Plant phenotyping past present and future J Plant Phenomics 2019 3 1 6 8 ROITSCH T CABRERA BOSQUET L FOURNIER A et al New sensors and data driven approaches a path to next generation phenomics J Plant Science 2019 282 2 10 9 SINGH A JONES S GANAPATHY SUBRAMANIAN B et al Challenges and opportunities in machine augmented plant stress phenotyping J Trends in Plant Science 2021 26 1 53 69 10 徐凌翔 陈佳玮 丁国辉 等 室内植物表型平台及性状鉴定研 究进展和展望 J 智慧农业 2020 2 1 23 42 11 YANG W FENG H ZHANG X et al Crop phenomics and high throughput phenotyping past decades current challenges and future perspectives J Molecular Plant 2020 13 2 187 214 12 LANGSTROFF A HEUERMANN M C STAHL A et al Opportunities and limits of controlled environment plant phenotyping for climate response traits J Theoretical and Applied Genetics 2021 135 1 1 16 13 何勇 李禧尧 杨国峰 等 室内高通量种质资源表型平台研究 进展与展望 J 农业工程学报 2022 38 17 127 141 14 张文麒 基于多视角图像的植物三维表型获取及自动解析技术 研究 D 上海 上海海洋大学 2023 121