李 山，鄧繼忠，任高生，何明昊

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

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小型農(nóng)產(chǎn)品分選機的控制系統(tǒng)與控制方法

李 山，鄧繼忠，任高生，何明昊

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

為減小基于機器視覺的農(nóng)產(chǎn)品分選機的體積、降低設(shè)備成本，提出了一種以DSP為視覺核心、ARM為控制核心的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機。為此，詳細介紹了基于機器視覺技術(shù)的小型農(nóng)產(chǎn)品分級機控制系統(tǒng)及控制方法，并以圣女果、金桔及桂圓干等3種物料作為試驗對象，測試系統(tǒng)的可靠性和工作效率。結(jié)果表明：針對家庭農(nóng)場及小規(guī)模農(nóng)產(chǎn)品的處理和營銷，在基于機器視覺的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機中采用ARM與DSP相結(jié)合的方法進行分選是可行的，能夠替代PC機或工業(yè)計算機實現(xiàn)分選機的低成本和小型化。

農(nóng)產(chǎn)品；分選機；機器視覺；控制系統(tǒng)

0 引言

我國北方地區(qū)重要農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)過分選，可以優(yōu)質(zhì)優(yōu)價，增加農(nóng)產(chǎn)品的附加值，提高農(nóng)產(chǎn)品市場的競爭力。隨著圖像處理技術(shù)的日益成熟、處理器性能提升和成本下降，以圖像分析為核心的機器視覺技術(shù)已逐步應(yīng)用于水果、干果、雞蛋等各類農(nóng)產(chǎn)品的分級或分選中[1-4]。目前，國內(nèi)外的各類基于機器視覺的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分選機主要以PC機或工業(yè)計算機為核心，計算機需要完成圖像處理與分析、物料位置的確定、缺陷的查找及分類等工作。該類型設(shè)備分選功能齊全、生產(chǎn)規(guī)模大、分選效率較高，較好地解決了大規(guī)模流水線上農(nóng)產(chǎn)品的檢測分選問題[4]；但其體積龐大，價格較為昂貴，一般適用于大中型果品加工企業(yè)。在我國小規(guī)模的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和經(jīng)營模式仍保有相當數(shù)量的情況下，因體積與價格因素，以PC為核心的機器視覺分選系統(tǒng)在我國的推廣與普及受到限制。

針對家庭農(nóng)場及小規(guī)模農(nóng)產(chǎn)品的處理和營銷，本文提出了一種基于機器視覺的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機[5]。該分選機基于低成本、輕簡化原則，采用DSP實現(xiàn)圖像采集、圖像輸出、觸發(fā)式判別，使用ARM實現(xiàn)分選品種更換、控制信號輸出；同時，輸送帶采用多通道方式，攝像機一次可以采集4個通道的農(nóng)產(chǎn)品圖像并進行處理與分析，在確保能對農(nóng)產(chǎn)品的顏色、形狀及缺陷等主要參數(shù)進行實時分選的前提下，減小了分選系統(tǒng)的體積，降低了系統(tǒng)的成本，有利于基于機器視覺技術(shù)的分選機的推廣和應(yīng)用。

1 小型分選機工作原理

圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖反映了小型分選機的工作原理[5]。

1.水平傳送帶 2.ARM控制系統(tǒng) 3.攝像機 4.圖像采集光室 5.光電傳感器2 6.翻板 7.電磁繼電器 8.合格物料箱 9.不合格物料箱 10.電機 11.光電傳感器1

該系統(tǒng)由傳輸系統(tǒng)、控制單元、視覺系統(tǒng)及剔除裝置(包括電磁繼電器、電磁閥、翻板等)組成。工作時，物料首先從送料箱落入傳送帶上各個分選槽中，然后依靠電機控制傳送速度，將物料傳送進入圖像采集室。DSP對采集到的圖像進行預(yù)處理和分類識別處理，識別結(jié)束后將結(jié)果發(fā)送給ARM。若判別結(jié)果為次品，則由ARM將觸發(fā)信號送給電磁繼電器，電磁繼電器控制啟動電磁閥拉動翻板，將次品導(dǎo)入到不合格的物料箱；若判別結(jié)果為合格品，則不啟動剔除裝置，不合格物料將自由滑落到合格的物料箱中，完成一次分選動作。

1.1 視覺系統(tǒng)簡介

視覺系統(tǒng)以DSP為視覺核心，結(jié)合視頻采集模塊、視頻輸出模塊、光電觸發(fā)模塊，實現(xiàn)視頻監(jiān)控和圖像識別。CCD攝像機位于傳送帶正上方，鏡頭朝下，實時采集傳送帶的輸送物料，視頻信息通過BNC接口傳輸?shù)紻SP芯片。本文采用的DSP型號為TI公司的DM642芯片，攝像機采集到的是25幀/s的PAL制式視頻數(shù)據(jù)流，DSP接收后對視頻流進行解碼，將每一幀圖像數(shù)據(jù)重復(fù)存儲在SDRAM某一固定位置中，再將當前存儲的每一幀圖像數(shù)據(jù)不斷輸出到LCD顯示屏上。

當圖像數(shù)據(jù)存儲在SDRAM中時，可以提取出來對其進行判別處理。但是，如果對每一幀圖像都進行判別處理，將給系統(tǒng)帶來巨大負荷。因此，本文采用了光電開關(guān)觸發(fā)判別處理的方式，即當傳送帶上有物料通過光電開光檢測區(qū)域時，光電開關(guān)將產(chǎn)生一個低電平信號，信號下降沿通過GPIO口被讀入DM642，觸發(fā)DM642中斷，提取當前SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)進行分選處理，而在無物料通過時則不進行判別處理。因此，對于每排物料系統(tǒng)只需處理一張圖像即可得到判別結(jié)果，從而減輕了系統(tǒng)的負荷，提高了處理的效率。DSP處理完圖像后，立即將所得分類結(jié)果通過串行口發(fā)送給ARM，并等待下一次中斷信號。視覺系統(tǒng)處理工作流程如圖2所示。

圖2 視覺系統(tǒng)處理流程

1.2 控制系統(tǒng)簡介

控制系統(tǒng)以ARM為核心，結(jié)合人機交互模塊、控制信號輸出模塊、光電觸發(fā)模塊，實現(xiàn)分選模式切換、翻板閉合控制。本文中ARM采用三星公司的S5PV210芯片，為Cortex-A8架構(gòu)，主頻1G Hz，可以流暢地運行Linux系統(tǒng)。

實際分選中，ARM接收從DSP發(fā)來的每次處理結(jié)果，依次存入存儲隊列中。當物料傳送到水平傳送帶末端時，觸發(fā)光電傳感器，光電傳感器即發(fā)送信號給ARM的GPIO口，產(chǎn)生低電平中斷。ARM進入中斷后，根據(jù)“先進先出”原則，從隊列中提取出最早的處理結(jié)果，根據(jù)結(jié)果通過GPIO給相應(yīng)的電磁繼電器發(fā)送控制信號，電磁繼電器的通/斷帶動電磁開關(guān)，以控制翻板的打開或閉合。

同時，ARM將每次合格數(shù)和不合格數(shù)不斷地累加，并保存至對應(yīng)的結(jié)果中，將新的結(jié)果顯示在觸摸顯示屏上，以提示用戶農(nóng)產(chǎn)品分選狀況；而如果用戶需要更換分選的農(nóng)產(chǎn)品種類時，只需要點擊觸摸屏選擇相應(yīng)的種類，ARM會根據(jù)用戶的選擇通過串口發(fā)送信號給DSP，DSP接收到信號后，會更換分選程序以適應(yīng)不同種類的分選。ARM控制模塊結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 ARM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 控制方法

2.1 控制系統(tǒng)中光電開關(guān)的設(shè)計

本文采用的ARM提供了30個通用I/O口，DSP提供了16個通用I/O口，輸入/輸出電壓為3.3V，可以通過編程設(shè)置引腳的輸入/輸出方向。其中,部分引腳為復(fù)用引腳，可以作為I/O引腳，也可以作為其他功能引腳。在本文中根據(jù)實際情況需要，在ARM和DSP中各使用1個GPIO引腳，供光電開關(guān)觸發(fā)信號的接入使用。

本文使用的是滬工集團的E3F3系列NPN型的光電開關(guān)，屬于偏光鏡反射型光電開關(guān)，投光部與受光部一體化，通過偏光鏡反射光光向的變化來檢測，這類光電開關(guān)能解決物體鏡面反射的問題。投光體射出的橫向(或者縱向)光波照射到反射板上，反射板將橫向(或者縱向)光波改變?yōu)榭v向(或者橫向)光波反射回來，受光部接收到縱向(或者橫向)光波認為沒有物體遮擋。

光電開關(guān)的工作電壓為6～36V之間(此處選擇6V電壓)，當輸送帶上的物料通過光電開關(guān)時，光電開關(guān)的輸出電壓由6V變?yōu)?V。由于GPIO的輸入/輸出電壓為3.3V，此處使用夏普公司的PC817型號光耦開關(guān)實現(xiàn)6V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)變。如圖4所示，默認狀態(tài)下黑色導(dǎo)線輸出電壓為6V，光耦開關(guān)左側(cè)沒有電流通過，右邊斷開，GPIO輸入電壓為0V。當有物料通過時，黑色導(dǎo)線輸出電壓由6V降至0V，左側(cè)產(chǎn)生電流，右邊導(dǎo)通，GPIO輸入電壓上升至3.3V。因此，本文中斷觸發(fā)方式采用上升沿觸發(fā)。

圖4 控制系統(tǒng)中光電開關(guān)設(shè)計原理圖

該系統(tǒng)實現(xiàn)了4路并行處理，每路都有相應(yīng)的剔除裝置對該路物體進行操作，剔出裝置使用電磁閥拉動翻板的方式將物體剔除。電磁閥驅(qū)動電路的作用是：在GPIO口有3.3V信號輸出時，將信號放大成24V電壓，驅(qū)動電磁閥拉動翻板。

2.2 控制系統(tǒng)中電磁開關(guān)的設(shè)計

本文針對4通道的需要采用了4個單獨的電磁繼電器，分別由ARM開發(fā)板的4個GPIO口進行控制,電磁繼電器和ARM開發(fā)板的GPIO之間同樣采用PC817光耦開關(guān)芯片進行控制。當GPIO口輸出高電平時，光耦開關(guān)左側(cè)有電流通過，右側(cè)導(dǎo)通；電磁繼電器閉合，電磁開關(guān)電路導(dǎo)通，在兩端附加的24V電壓的作用下，將翻板彈起。其電路示意圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)中電磁開關(guān)設(shè)計原理圖

為了確定翻板打開的時機，需要提前確定物料所在的位置。因此，在水平輸送帶的末端安裝一個光電開關(guān)，當物料經(jīng)過光電開關(guān)時，觸發(fā)高電平信號通過GPIO口傳送給ARM，ARM獲得有物料通過的信息；隨后物料通過傾斜導(dǎo)軌下滑，假設(shè)翻板和傾斜導(dǎo)軌最高點距離為s、導(dǎo)軌傾角為θ、重力加速度為g、導(dǎo)軌摩擦因數(shù)為μ，則物料到達翻板處的時間為

(1)

由t的表達式可知：物料從觸發(fā)光電開關(guān)到到達翻板位置的時間是一個固定值，與物體的大小質(zhì)量無關(guān)。因此，可以通過多次測試，選定一個合適的翻板開啟時間。

2.3 ARM控制系統(tǒng)中界面的設(shè)計

本文控制系統(tǒng)中用戶操控界面由Qt編寫，負責實時顯示統(tǒng)計的分選結(jié)果，以及為用戶提供切換分選品種的功能。每次開機啟動Linux系統(tǒng)時，默認自啟動用戶界面程序，如圖6所示。圖6中，左側(cè)為種類選擇區(qū)，已開發(fā)圣女果、金桔、桂圓、紅棗、核桃、栗子等多種果品分選程序；右下方為狀態(tài)結(jié)果顯示區(qū)，可以顯示好的個數(shù)、壞的個數(shù)、處理總數(shù)、傳送帶速度和處理速度；正中間顯示當前分選品種的圖片；右上方為“開始”和“結(jié)束”控制按鈕。

當用戶通過觸摸屏點擊界面左側(cè)品種名進行分選品種切換時，觸發(fā)Qt中Button的Click信號，通過配置好的信號與槽的關(guān)系，執(zhí)行相應(yīng)的槽函數(shù)，在槽函數(shù)中實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送，通知DSP切換對應(yīng)的分選函數(shù)。

圖6 用戶界面

2.4 控制系統(tǒng)的ARM與DSP的通信

本文中ARM與DSP之間采用RS-232串行口通信，其中RS-232是美國工業(yè)電子聯(lián)盟制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標準，現(xiàn)已被廣泛地用于計算機串行接口外設(shè)連接。通信內(nèi)容如表1所示。

表1 ARM與DSP通信內(nèi)容

因為本文為4通道并行分選，因此DSP發(fā)送的結(jié)果需要同時涵蓋4個通道的狀態(tài)。本文采用十六進制數(shù)字來表示，如某次分選結(jié)果為“0110”(0表示合格，1表示不合格)，即第1、4通道的農(nóng)產(chǎn)品是合格的，第2、3通道的農(nóng)產(chǎn)品不合格。DSP只需要發(fā)送“0x6”即可，因為“0x6”是“0110”的十六進制表示；而ARM檢測到發(fā)送來的“0x”字符后，隨即讀取后一位字符，根據(jù)該字符的內(nèi)容控制相應(yīng)的電磁繼電器通斷。

ARM發(fā)送給DSP的內(nèi)容不止一項，所以本文采用兩類字符分別表示，以便于區(qū)別。其中,阿拉伯數(shù)字表示分選種類，小寫字母表示功能選項。比如“0”代表核桃，“1”代表紅棗，“2”代表栗子；“a”表示分選開始，“b”表示分選結(jié)束。若DSP從串口讀取到“a”，則啟動分選程序，默認為核桃模式。若DSP從串口讀取到“1”，則將分選代碼替換為紅棗類。如果后期需要添加新的種類或功能，按數(shù)字或字母順序依次添加即可。

3 試驗驗證

3.1 材料與方法

采用市售的圣女果、金桔及桂圓干等3種農(nóng)產(chǎn)品作為分選物料，對圣女果按大小分選，對金桔和桂圓干按顏色分別進行成熟度與破損度分選。

采用不同的物料間距和輸送帶速率分別進行測試，參見文獻[5]。在物料間隔方面，為了防止相鄰的物料互相越界干擾，物料間距必須隔1排(約55mm)以上；在輸送帶速率方面，調(diào)速電機有9個不同速度檔位(從10到90)可供選擇，過低速度影響分選效率，過高速度則剔除裝置無法及時反映。通過測試，選擇30、40、50等3檔進行試驗。

3.2 試驗結(jié)果

1)分選的可靠性。對所有物料測試了圖像分析耗時、翻板控制耗時，以及翻板在不同傳送帶輸送速度和不同物料間距下動作的可靠性。經(jīng)過反復(fù)多次的測試與統(tǒng)計，在平均每次分選中，圖像處理與分析耗時約0.206 2s；翻板控制中，至少需要持續(xù)向電磁開關(guān)輸出約0.3s的電壓，才可實現(xiàn)翻板的完全打開。表2所示為物料間距與傳輸速度對剔除裝置是否可靠動作(即翻板是否打開)的影響。由表2可知：當速率為40檔(約18cm/s)、物料間隔2排(同一通道排隊分選物料的平均間距約160mm)時，在保證可靠性的前提下，分選效率(單位時間的分選數(shù)量)最高。

表2 不同傳送速率和物料間距對系統(tǒng)可靠性的影響

Table 2 Effect on system reliability of different transmission speed and material spacing

物料間距30檔40檔50檔隔1排翻板未打開圖像已處理翻板未打開圖像已處理翻板未打開圖像未處理隔2排翻板打開圖像已處理翻板打開圖像已處理翻板未打開圖像已處理隔3排翻板打開圖像已處理翻板打開圖像已處理翻板打開圖像已處理

2)分選效率。3種物料各150個，圣女果按大小分選，金桔與桂圓干分別按顏色測試成熟度和破損度。試驗表明：①圣女果、金桔和桂圓干的分選準確性分別為93.91%、97.19%和86.11%；②當電機速度設(shè)定為40檔(約18cm/s)時，可以進行可靠處理的分選效率最高，4通道每小時處理個數(shù)約為16 000顆。按所處理物料的平均單粒重推算，3種物料的最大處理效率分別為：圣女果337kg/h，金桔311kg/h，桂圓干228kg/h。

4 結(jié)論

采用DSP作為視覺處理核心、ARM作為控制核心，開發(fā)了基于機器視覺的小型農(nóng)產(chǎn)品分選機的控制系統(tǒng)與控制方法，可以根據(jù)系統(tǒng)圖像識別的結(jié)果，控制傳送帶末端農(nóng)產(chǎn)品的篩選。同時，用戶可以根據(jù)需要，無需專業(yè)人員指導(dǎo)，點擊觸摸屏即可更換分選種類，實現(xiàn)了在不更換設(shè)備的情況下多種類農(nóng)產(chǎn)品的分選功能。

試驗結(jié)果表明：在一定的分選速度下，分選系統(tǒng)動作可靠，表明采用ARM與DSP相結(jié)合的方法開發(fā)小型農(nóng)產(chǎn)品分選機是可行的，可替代PC機或工業(yè)計算機，實現(xiàn)分選機的低成本和小型化。其中，基于ARM的嵌入式linux系統(tǒng)具有良好的可移植性、穩(wěn)定性及低功耗等特點，且具有豐富的應(yīng)用開發(fā)工具和成熟的開發(fā)環(huán)境，很適合作為基于機器視覺的分選機控制系統(tǒng)核心。

本文考慮到DSP強大的計算能力及高度的靈活性和可編程性，因此圖像識別部分在獨立的DSP中執(zhí)行。隨著ARM芯片性能不斷的提高，內(nèi)部也集成了DSP、存儲器、各種接口控制模塊等部件，構(gòu)成了一個完整的片上系統(tǒng)。后續(xù)研究可以將圖像識別部分也并入ARM模塊中，省去獨立的DSP芯片，進一步降低成本，使系統(tǒng)更集成化、小型化。

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The Control System and Control Methods of a Small-scale Agricultural Products Sorting Machine

Li Shan, Deng Jizhong, Ren Gaosheng, He Minghao

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

In the aims of lowering the size and cost of agricultural products sorting machine, we raised an small-scale sorting machine with DSP-based vision kernel and ARM-based controlling kernel. The control system and the control method of the machine vision-based agricultural product sorting machine were introduced in this paper, and cherry tomatos,cumquats and dried longans were used to estimate the reliability and working efficiency of the system. The results showed feasibilities of machine vision-based agricultural product sorting machine featured with ARM and DSP in the aim of the processing and merchandising of small-size agricultural products, together with replacing PC and industrial computers in order to achieve lower size and cost of sorting machine.

agricultural products; sorting machine; machine vision; control system

2016-07-05

廣東省科技計劃項目(2013B020313003) ；國家星火計劃項目(2011GA780026)

李 山(1992-),男，江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生，(E-mail) 597330918@qq.com。

鄧繼忠(1963-)，男，新疆烏蘇人，副教授，博士，(E-mail)jz-deng@scau.edu.cn。

TS255;S126

A

1003-188X(2017)08-0112-05