水稻考種平臺穗長測量系統設計與試驗

摘要：

針對當前水稻考種作業強度大、操作復雜、測量精度易受人為因素影響等問題，結合自主設計的水稻智能考種平臺，基于PLC與LabVIEW協同的控制邏輯設計并開發水稻穗長測量系統。該系統采用Legion Y7000 PC作為上位機、維控LX3V PLC作為下位機，結合拉力傳感器控制絲杠電機拉直稻穗，配合高精度編碼器獲取稻穗長度，實現對稻穗長度信息、拉力傳感器信息的實時采集、監測與記錄。以晚秈98、常農粳3稻穗進行穗長測量試驗，試驗表明，系統通過上位機與PLC的協同控制，能夠實現稻穗的拉伸、測長以及各執行裝置的協調配合，平均控制響應時間為0.8s。與人工穗長測量相比，兩者誤差為1.01%～1.16%，兩者測量結果無顯著性差異，水稻穗長測量系統能夠較為精確地實現穗長測量。

關鍵詞：水稻考種平臺；穗長測量；控制系統；PLC；LabVIEW

中圖分類號：S233.71

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0216-06

收稿日期：2023年10月25日" 修回日期：2024年1月15日*

基金項目：江蘇省農業自主創新項目（CX（22）3098）；江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目（JSCX21—1623）

第一作者：張寶峰，男，1987年生，沈陽人，博士，講師；研究方向為農業機械化。E-mail： bf_zhang@yzu.edu.cn

通訊作者：張瑞宏，男，1960年生，江蘇揚州人，博士，教授；研究方向為農業機械化。E-mail： zhang-rh@163.com

Design and experiment of a panicle length measurement system for a rice trait analysis platform

Zhang Baofeng1， Jiang Tao1， Xi Xiaobo1， Song Yuqiu2， Xin Mingjin2， Zhang Ruihong1

（1. School of Mechanical Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， 225127， China;

2. College of Engineering， Shenyang Agricultural University， Shenyang， 110866， China）

Abstract：

In response to the issues of high intensity， complex operations， and the susceptibility of measurement accuracy to human error in current rice trait analysis， a rice panicle length measurement system is developed based on a self-designed intelligent rice trait analysis platform which integrates the control logic coordinated by PLC and LabVIEW. The Legion Y7000 PC serves as the host computer and the Wecon LX3V PLC operates as the lower computer in this system. The system controls the screw motor to straighten the rice panicle with a force sensor and measures the length of the panicle with a high-precision encoder. Real-time collection， monitoring， and recording of rice panicle length information and force sensor information are achieved. Panicle length measurement tests are conducted on Late Indica 98 and Changnong Japonica 3 rice panicles. The tests show that the system， through the coordinated control of the host computer and the PLC， effectively facilitates panicle stretching， length measurement， and the coordination of various actuators， with an average control response time of 0.8 s. Compared with manual panicle length measurement， the maximum error between the two is between 1.01% and 1.16%. The result shows that there is no significant difference between the two measurement methods. The rice panicle length measurement system can accurately measure the panicle length.

Keywords：

rice trait analysis platform; panicle length measurement; control system; PLC; LabVIEW

0 引言

水稻是我國重要的糧食作物之一［1，" 2］。為了培育優良稻種、優化各品種栽培模式，水稻栽培和育種專家一直潛心于栽培育種的科學研究［3］。為了評價水稻栽培模式或種質優劣，科研人員通常要在水稻收獲后進行室內考種試驗［4］。室內考種主要對稻穗長度、分枝數、籽粒數、千粒重等指標進行統計。然而，目前水稻考種作業通常由人工完成，機械重復式的工作不僅強度大、作業效率低，同時統計指標也易受到人為因素的影響，導致統計誤差。因此，如何降低考種作業強度，實現高效、準確的考種作業，成為急需解決的問題。

當前國內外研究人員對水稻考種技術均進行了大量的研究［5，" 6］。德國采取3D成像技術設計了Scanalyzer 3D高通量植物表型設備［6］，實現了盆栽載體狀態下的稻穗長度測量，但該設備無法對稻穗平面圖像進行識別，同時設備較為龐大且經濟成本較高。宋礽蘇等［7］研制出具有計算千粒重功能的轉盤斜刮式自動光電考種儀，由于光電管的遲滯性，設備的技術準確性有待提高。黃成龍［8］設計的Smart—PL全自動穗長測量平臺，能實現高精度的穗長高通量測量，每小時可處理數量為900顆，但是缺少對分枝數和籽粒數等參數的測量。綜上所述，當前水稻考種大多是對脫粒后的水稻籽粒進行考種研究［9］，無法同時對稻穗長度、分枝數、籽粒數等稻穗整株相關性狀進行測量，缺少一種能夠一體化、多指標檢測的水稻考種設備。

針對上述問題，本研究基于LabVIEW和PLC協同控制，設計一種智能化水稻考種平臺及各環節控制邏輯，重點設計穗長測量系統，并對平臺其他子系統控制進行模擬，對穗長測量系統進行試驗驗證。

1 整機結構及工作原理

水稻智能考種平臺主要包括安裝組件、圖像識別檢測系統、稻穗夾持裝置、脫粒裝置、清選裝置、收集裝置等。使用SolidWorks建立自動化水稻考種平臺的模型，如圖1所示。

水稻智能考種平臺稻穗拉伸夾持裝置及拍照識別裝置固定在考種平臺臺架上方，兩個稻穗夾持機械手固定在豎直絲杠滑軌滑臺上，兩個絲杠驅動步進電機分別固定在臺架的上下兩側。脫粒裝置、清選裝置、收集裝置分別安裝在平臺臺架的下方，按照順序依次排列，并在驅動電機的驅動下完成稻穗籽粒的脫粒、清選與收集。

水稻智能考種平臺的工作過程如下：絲杠滑軌在步進電機的驅動作用下帶動機械手做上下往復運動實現稻穗的拉伸，稻穗拉力達到設定值后步進電機停止轉動，由工業相機對稻穗進行拍照識別。拍照識別完成后，機械手將稻穗喂入到下方的脫粒裝置中對稻穗進行脫粒，脫粒過的籽粒經過風機的清選去除細小枝梗及雜物，經過傳送帶將清潔的籽粒運送到收集裝置中，完成自動化水稻考種平臺的整個工作過程。

2 控制系統設計

2.1 總體控制邏輯

水稻智能考種控制系統設計時，將稻穗夾持機械手固定在水稻考種平臺上，通過步進電機轉動帶動絲杠滑軌上下往復運動，實現稻穗的拉伸與復位。通過拉力傳感器對稻穗拉力進行實時監測，達到設定拉力值后，步進電機停止轉動，旋轉編碼器對稻穗長度信息進行檢測。稻穗圖像采集完成后，步進電機反轉帶動滑軌移動，使機械手復位，同時將稻穗喂入到脫粒裝置。控制系統邏輯如圖2所示。

控制系統工作流程如圖3所示。

控制系統采用維控LX3V PLC作為核心控制器［10］，Legion Y7000 PC為上位機。基于LabVIEW環境構建系統操作界面［11］，對控制器的輸入觸點進行控制，控制相應的程序動作，進而控制輸出點的動作，驅動對應的驅動器、絲杠滑軌動作進而帶動執行機構動作；PLC作為下位機［12］，接受上位機PC端發送的指令信號，根據指令信號向步進電機發送脈沖，控制稻穗夾持機械手往復運動。接收到傳感器的檢測信號，將稻穗的拉力信息以及稻穗的長度信息發送給上位機，并通過人機交互界面實時顯示稻穗的長度信息以及拉力信息。

2.2 系統硬件

硬件控制系統由控制器、傳感器、步進電機、步進電機驅動器、中間繼電器和電源組成。系統選用維控LX3V PLC系列PLC，該型號PLC精度高、速度快、穩定性強，同時有12/14點24V輸入、12點晶體管輸出，支持RS422、RS485通訊，支持擴展1個BD板。選用的ZNLBS-VI型拉力傳感器具有測量精度高、穩定性能好、溫度漂移小、輸出對稱性好、結構緊湊等特點［13］。選用的E6B2-CWZ6C型旋轉編碼器具有體積小、重量輕、安裝方便等特點［14］。旋轉編碼器主要通過光電轉換將電機輸出軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字信號（高速脈沖信號），將旋轉編碼器直接連接到步進電機的輸出軸上，旋轉編碼器輸出的高速脈沖信號直接輸送給PLC，利用PLC的高速計數器對其脈沖信號進行計數，進而獲得稻穗的長度。同時與計算機PC端、PLC構成數字控制系統，符合水稻考種平臺稻穗長度監測與控制系統的要求。

2.3 穗長檢測系統設計

水稻智能考種平臺穗長檢測系統主要由PC上位機前面板、PLC控制器、拉力傳感器、旋轉編碼器、稻穗夾持爪、絲杠滑臺組成。穗長測量系統的工作原理及稻穗拉伸原理如圖4、圖5所示。在進行稻穗長度檢測時，先通過人工將稻穗合理固定于稻穗夾持爪上，系統運行之前稻穗處于彎縮狀態，系統運行隨著絲杠滑臺帶動夾持爪運動，稻穗將逐漸被拉直，拉力傳感器數值逐漸增大，同時稻穗的拉力信息也通過系統實時傳輸至上位機進行對比分析，當拉力值F=G+FT（F為實測拉力值，N；G為稻穗夾持爪的重量，N；FT為稻穗拉直且未斷裂時的閾值，N）時，系統停止對稻穗的拉伸并對稻穗的長度信息進行存儲。

旋轉編碼將采集到的旋轉角度轉換為電信號傳輸至上位機，通過進一步分析處理得到稻穗的長度L，并在前面板實時顯示。稻穗長度L計算如式（1）所示。

L=（θ×π×P）/180°+H

（1）

式中： θ——轉編碼器測量的旋轉角度，（°）；

P——絲杠的導程，mm/r；

H——稻穗夾持裝置的起始位置，mm。

2.4 PLC程序設計

采用維控PLC Editor開發軟件進行PLC程序的編寫；利用LabVIEW2020軟件進行上位機界面設計，可以實現相關數據和運行狀態的實時監測與顯示。PLC作為該系統的控制中樞［15］，一方面要與上位機進行實時的數據交換與數據處理，另一方面要對旋轉編碼器所采集到的脈沖信號進行處理，并控制執行機構的運動與停止。在此控制系統中旋轉編碼器安裝在稻穗拉伸夾持裝置的步進電機的主軸上，通過采集步進電機轉軸旋轉的位移量將其轉換為數字脈沖信號發送到PLC中，再由PLC將信號進一步處理，將信號傳輸到上位機中，由上位機對信號進行比對、存儲，并將采集到的長度值實時顯示在上位機顯示界面中。上位機再將處理后的信號傳輸到下位機PLC中，由PLC控制稻穗拉伸裝置的啟動與停止［16］，實現水稻長度的實時監測與控制。通過分析控制需求PLC相應觸點分配及相關指令說明如表1所示。

3 上位機軟件設計

3.1 人機交互界面設計

利用LabVIEW軟件進行人機交互界面的程序設計［17］。程序主要包括登錄及用戶管理模塊、采集監控模塊、數據存儲分析模塊（圖6）。通過RS485串口通訊實現上位機PC端與下位機PLC之間的實時數據通訊［18］。系統界面主要由3部分組成：（1）數據輸入部分。對水稻稻穗拉伸的最大長度上限值進行設定。（2）數據顯示部分。對PLC傳輸來的數據進行顯示，主要分為數字顯示及波形圖顯示兩部分，同時將數據與設定值進行比較，在實際值到達設定值時系統將會對后續各機構的運行狀態進行顯示［19］。（3）系統功能選擇設置不同的布爾按鍵實現數據采集回放、數據監控、啟停設備、退出系統等功能［20］。該采集監控界面主要對水稻考種平臺稻穗的長度信息以及稻穗的拉力進行實時采集并顯示，同時界面上還設置了其他按鈕，用來控制執行機構完成相應的動作。

3.2 串口程序設計

在事件結構程中添加事件分支“打開串口”“關閉串口”“停止運行”。初始時，“關閉串口”按鈕禁用，“打開串口”按鈕啟用，按鈕輸出的是0和1的信號對應假和真。VISA資源名稱配置為串口COM3，波特率設置為9600、比特率為8、無奇偶檢驗位、停止位為1.0。

3.3 數據存儲與回放程序設計

為便于實時數據的保存與回放，設計數據保存與回放的相關程序，如圖7、圖8所示。

通過LabVIEW中的相關控件將實時數據存儲在電子表格中。數據存儲后，為方便對水稻拉力、長度等數據的研究，程序通過讀取電子表格中的信息，將數據重新以波形圖表以及字符串的形式顯示在歷史數據回放界面。

4 試驗結果與分析

4.1 穗長測量系統響應特性試驗

為驗證水稻智能考種平臺稻穗長度檢測系統的檢測性能，采用小型拉力機對水稻樣品（晚秈98與常農粳3）進行拉伸試驗。經檢測可知，晚秈98與常農粳3的平均最佳延展拉力值分別為3.5N、2.8N。拉伸電機停止拉力值設定為最佳延展拉力的95%。分別以晚秈98與常農粳3為材料，在研制的考種平臺上進行稻穗測量系統性能試驗，系統響應特性如圖9所示。

由圖9可知，當拉伸電機停止拉力值設定為最佳延展拉力的95%時，系統從檢測到拉力傳感器達到設定值到電機停止的響應時間約為0.8s。此時，稻穗處于被完全拉直狀態。晚秈稻長度為17.26 cm，常農粳稻長度為16.68 cm。穗長測量系統響應特性試驗表明，該系統具有較好的靈敏性，能夠充分拉伸稻穗且不使其斷裂，滿足穗長測量的需求。

4.2 考種平臺各子系統通信性能測試

為驗證上位機與下位機通信的可行性，對水稻智能考種平臺各個執行機構進行測試。通過上位機LabVIEW界面對各參數進行設置，觀察各執行機構是否按照設定程序運動，以此來驗證整個控制系統的準確性。通過上位機LabVIEW界面對各執行機構進行測試，拉伸夾持裝置、脫粒裝置等執行機構均能按既定程序完成相應的工作流程，同時上位機監控界面指示燈均能準確地反應各執行機構的工作狀態（表2）。通過試驗驗證了程序的可行性以及LabVIEW界面通信控制的可行性；上位機界面可以準確顯示稻穗的拉力、長度以及各執行機構的工作狀態，同時也可以對實時數據進行完整的保存與回放，驗證了上位機界面對控制過程監測的準確性，實現PLC與LabVIEW界面的通信準確性。

4.3 長度檢測試驗與結果分析

為驗證水稻智能考種平臺長度檢測系統對稻穗長度檢測的準確性，選用實驗室自主設計與搭建的水稻智能考種平臺進行試驗。試驗選用“晚秈98”“常農粳3”兩個品種的水稻稻穗。通過人工操作將稻穗固定在智能水稻考種平臺的稻穗拉伸夾持爪上，待裝置將稻穗拉伸延展至適當的狀態，系統對稻穗長度信息進行采集與保存，長度檢測結果如表3所示，同時對稻穗長度平臺測量值與人工測量值進行對比分析。

由表3、表4可知，考種平臺對的晚秈98穗長測量范圍為15.77～19.66 cm，與人工測量值相比，其誤差率最大值為1.01%，穗長t檢驗分析結果表明，試驗平臺測量值與人工測量值無顯著性差異（Pgt;0.05）；常農

粳3的穗長范圍為14.82～18.26 cm，與人工測量值相比，其誤差率最大值為1.16%，穗長t檢驗分析結果表明，試驗平臺測量值與人工測量值無顯著性差異（Pgt;0.05）。因此，考種平臺測量值能夠表征稻穗長度。

5 結論

1） 結合自主設計的水稻智能考種平臺，基于PLC與LabVIEW協同的控制邏輯設計并開發水稻穗長測量系統。實現稻穗的拉伸、測長以及各執行裝置的協調配合。穗長測量系統響應特性試驗證明，系統從檢測到拉力傳感器達到設定值到電機停止的響應時間約為0.8s。系統具有較好的靈敏性，能夠實現對稻穗的充分拉伸且不使其斷裂，滿足穗長測量的需求。

2） 通過串口通信實現上位機界面和PLC通信，并設計人機交互界面，實現各項工作參數的設置、各執行結構工作狀態顯示、稻穗拉力、長度信息的實時顯示與數據回放。

3） 設計稻穗長度檢測系統，并通過試驗分析試驗平臺測量值與人工測量值，兩者誤差值為1.01%～1.16%。t檢驗分析表明，兩者測量結果無顯著性差異，稻穗長度檢測系統可以較為準確地實現穗長的測量。

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