基于多跳路由算法的地膜回收机械装置优化

吴东林，张玉华

(漯河食品职业学院，河南 漯河　462300)



基于多跳路由算法的地膜回收机械装置优化

吴东林，张玉华

(漯河食品职业学院，河南 漯河462300)

摘要：为了增强地膜回收机的通信能力，使其适应不同地膜密度的地块，提高地膜回收机的工作效率，实现多地膜回收机的协同控制，设计了一种新的基于多跳无线网络的地膜回收机和多回收机协同控制系统。改进后的地膜回收机在起膜铲的轴上装有起膜阻力传感器，可以实时测试起膜阻力，调整起膜机的速度，实现速度的自适应调节。为了适应不同的起膜机速度，在卷膜机上装有速度传感器，可以对卷膜速度进行控制，提高了起膜和卷膜的作业精度。同时，设计了5点的多跳通信网络，利用无线局域网络，实现了地膜机的协同控制。最后对地膜回收机的性能进行了测试，通过测试发现：残膜机作业的回收率达到了90%以上，其作业时间较短，满足高效残膜回收机的设计需求，可以在其他农业现代化机械控制系统的设计过程中进行推广

关键词：地膜回收机；自适应调节；多跳网络；起膜铲；传感器

0引言

地膜覆盖技术不仅可以减缓土壤水分的蒸发速度，而且可以起到抑制杂草生长、提升大田地温的作用，因此在我国北方干旱与半干旱地区的农作物种植中得到了普遍的推广和应用。虽然地膜使用较多，但地膜回收率较低。据农业部专项调查，每年残存在田间、土壤、沟河中的塑料薄膜至少占使用总量10%以上，现累积残存量已在百万吨以上。残留地膜不仅会污染环境，而且能够造成农作物的减产。一般地膜的厚度较薄，容易断裂，回收难度较大，因此只有研究出新型实用的机具，才能加强对地膜的回收，保证农业的稳定持续发展，产生较好的经济效益和社会效益。

1地膜回收机总体设计

在国内，由于经济原因，一般种植采用的地膜厚度大约在0.006mm，明显低于国际标准；同时，使用的是不可降解的聚乙烯和聚氯乙烯高分子化合物，地膜经过播种和耕地及收获等环节，会产生断裂，较难清理，工作强度较大。本次研究拟通过设计，对地膜回收机进行改造，提高其工作效率。设计框架如图1所示。

图1　地膜回收机控制系统设计框架

为了使地膜回收机适应不同地块和不同地膜等具体工作环境，利用传感器对地膜的回收阻力进行采集，并据此实现伺服电机的转速调节，实现地膜回收机的自适应调速。为了提高工作效率，通过多跳网络对多地膜回收机进行协同控制，原理如图2所示。

地膜阻力由一台回收机的传感器进行采集，然后将采集信号传输给PC机进行处理；PC机通过多跳网络发出信号，对多台地膜回收机进行协同控制。

2机械结构和多跳路由控制算法设计

为了增强地膜回收机的通信能力，使其适应不同地膜密度的地块，提高地膜回收机的工作效率，需要对地膜回收机的机械结构进行改进。本次设计的地膜回收机应用在苗期地膜回收，其回收机的三维结构示意图如图3所示。

图2　多地膜回收机协同控制多跳网络框架

1.机架　2.悬挂架　3.卸膜胶带　4.张紧轮

苗期地膜回收机主要由7部分组成，主要包括机架、起膜轮、卸膜轮、卸膜胶带、集膜箱、松土铲及地轮。起膜轮和卸膜轮均由地轮驱动，在机具上安装有无线网络传感器，可以根据地膜阻力的大小采集地膜的密度信息数据。

图4为设计的残膜回收机的平面结构示意图。其中，在起膜铲装的轴上装有力传感器，可以采集起膜阻力的大小数据。

1 .机架　2.传动部件　3.地轮　4.起膜铲

起膜铲的主要结构简图如图5所示。为了保证其能够起不同深度的地膜，需要将其设计能够深入到土壤内一定深度，且要尽量减少对地膜的扰动，深度设计为40mm，选取入土角α为28°，入土隙角β为8°。

1.侧导膜杆　2.上导膜杆　3.主支撑叉杆　4.固定横梁

卷膜辊传动设计如图6所示。为了适应不同的起膜机速度，在卷膜机上装有速度传感器，可以对卷膜速度进行控制。为了保证起膜铲收起的地膜能及时被卷膜辊卷起，避免地膜滞留堵塞或拉断现象，则在相同时间内地轮前进距离应与卷膜辊卷起的地膜长度一致，即

(1)

其中，D为地轮的直径；d6为卷膜锟的直径；w1为地轮的角速度；w4为卷膜锟角速度；t为地膜回收机的前进时间。由于卷膜辊始终被紧压在卷膜驱动辊上，因此两者的轮缘线速度相等，即

(2)

其中，d5为卷膜驱动锟的直径。由链轮和齿轮传动可得

(3)

其中，z1、z2、z3、z4分别为大、小链轮和大、小齿轮的齿数。综合上述公式可得

(4)

因此，主要满足改传动比，便可以实现顺利的卷膜。为了满足不同地块地膜顺利起膜的需要，需要设计无线传感器网络来使起膜机能够自适应不同地块的变化。在一定的通信范围内，可以将其应用在任意尺寸的地块内进行通信，根据公式(2)的计算，可以得到节点地址的偏移量如表1所示。传感器节点分布及通信范围如图7所示。

图6　卷膜锟传动设计

图7　传感器节点分布和通信范围

网络深度d计算参数Cskip(d)0(A)Cm=231(B、C)Rm=213(D、E)Lm=20

当B和C两个节点接受到A节点的通信请求后，会向A点发出信息响应，并将通信深度定义为1；同理，D和E两个节点在接收到A发出的通信请求后，会将自身的路由深度定义为2。5个节点组成的路由表如表2所示。

表2　多跳节点自组织网络路由表

在节点进行自组织通信时，节点可以收到同级或不同级的路由通信请求。为了节省通信能耗，可以选择最短的通信路径，然后更新路由表，从而大大提高了在不同地块通信范围内，地膜回收机的通信能力。

3基于多跳路由的地膜回收机性能测试

为了验证设计优化的地膜回收机性能，对地膜回收机进行了测试，以苗期地膜回收机为研究对象，在地膜机上装有无线传感器，并在地块内使用无线路由器等设备进行无线网络通信。地膜回收机性能测试如图8所示。

图8　地膜回收机性能测试照片

在地膜回收机上安装有多跳路由算法的通信系统，在100m×100m的范围内使用5个无线路由器架构无线传感网络。为了测试不同通信半径的多跳网络性能，分布区半径R为15、20、25m，得到的网络节点终结数目与测试轮数的变化曲线如图9所示。由图9可看出：在通信半径为25m时，性能达到最佳状态。

图10为使用和不使用多跳网络时节点的寿命测试曲线。由图10可以看出：在3 500轮以内测测试使用多跳网络时期寿命周期要明显高于不使用多跳网络，从而验证了移动多跳网络性能的优越性。

图11为使用和不使用多跳网络时节点的能耗测试曲线。由图11可以看出：在3 000轮以内测测试使用多跳网络能耗要明显低于不使用多跳网络，从而进一步验证了多跳网络的优越性，因此可以应用在地膜回收机的移动通信系统中。

图9　终结节点数随测试轮数的变化曲线

图10　使用和不使用多跳网络时节点寿命测试

图11　使用和不使用多跳网络时能量消耗测试

表3为残膜回收机的回收率和作业时间的测试表。由表3可以看出：残膜机作业的回收率较高，达到了90%以上，其作业时间较短，在100×100m的作业范围内，作业时间不超过过13min，满足了高效残膜回收机的设计需求。

表3　残膜回收率和作业时间测试

4结论

依据残膜回收机的作业原理，对起膜和卷膜机械装置进行了改进，使地膜回收机可以根据地膜的密度进行自适应的调节前进速度，提高了地膜的回收精度和回收效率。依据多跳网络的通信原理，设计了多地膜回收机协同控制网络，利用无线局域网，实现了地膜回收机的协同控制。对多跳通信网络进行了测试，通过测试发现：使用多跳网络通信可以有效地延长节点的生命周期，降低网络能耗。

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Optimization of Plastic Film Recycling Mechanism Based on Multi Hop Routing Algorithm

Wu Donglin, Zhang Yuhua

(Luohe Food Vocational College, Luohe 462300, China)

Abstract：In order to enhance the communication capacity of plastic recycling machine the adapt to different plastic film density plots, improve the work efficiency of the mulching film recovery machine, realize the coordinated control of multiple plastic film recycling machine, it designed a new multi hop wireless network of plastic recycling machine and recycling machine based on coordination control system. The modified film recycling machine is equipped with a film resistance sensor on the shaft of the film,which can be tested in real time. In order to be adaptive to the speed of the film, the film is equipped with a speed sensor, which can control the film speed and improve the operation accuracy of the film and film. A multi hop communication network with five points was designed, and the cooperative control of plastic film was realized by using wireless local area network. Finally the mulching film recovery machine performance was tested to find that plastic film machine operation recovery rate reached more than 90%, the operating time is short, which meet the demand of high residual film recovery machine design. The research can control other modernization of agriculture machinery of spread to the design process of the system.

Key words：plastic film recycling machine; adaptive adjustment; multi hop network; film shovel; sensor

中图分类号：S223.5； TP242.6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0209-05

作者简介：吴东林(1977-)，男，河南汝南人，讲师，硕士。通讯作者：张玉华(1979-)，女，河南台前人，讲师，(E-mail) yuliangjun1984@126.com。

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目(12B520035)；漯河食品职业学院科技攻关项目(2014-JSJ-06);河南省社科联项目(SKL-2014-791)

收稿日期：2015-07-16