日光温室无缝卷帘机的研制

袁永伟，马跃进，弋景刚，孔德刚，刘江涛，李珊珊

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)



日光温室无缝卷帘机的研制

袁永伟，马跃进，弋景刚，孔德刚，刘江涛，李珊珊

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

日光温室卷帘机作为小型农用机械已广泛应用于设施农业中，针对前置卷轴上推式卷帘机在减速机下方区域总有2m左右的区域不能自动卷帘的问题，设计了一套日光温室中间被自动卷放的接缝装置。该装置采用两级链传动，具有折叠功能，运行时装置打开150°角，避免与大棚表面的碰撞，放到地面后折起，减小占地空间。无缝卷帘机采用现场手动、近程遥控和远程手机短信控制3种模式，采用位置开关和时间保护方式，实现双重限位保护。试验表明：设备运行良好，操作安全方便，接缝装置收放自如，实现了自动无缝卷放帘。

日光温室；卷帘机；接缝装置；遥控

0 引言

日光温室在设施农业发展中意义重大，不仅可缩短农作物生长周期、提供反季节蔬菜，而且能够大幅提高农作物的成活率。在设施农业机械化与智能化发展的前提下，卷帘机作为小型农用机械已得到广泛应用[1]。

卷帘机的出现极大地推动了日光温室机械化发展，同时降低了农户的劳动强度[2-3]。由于温室大棚长度一般较大，大多数卷帘机安装于大棚中间位置，通过两端伸出的卷帘轴实现两侧棉被的卷起和铺放，但是在减速机下方有2m宽的棉被不能被卷起，如图1所示。一般情况下，中间的棉被需通过人工来卷起或始终盖在棚面上。如果始终盖在棚面上，就会影响中间棉被下方农作物的采光和生长，降低了蔬菜的产量及温室土地的利用率；如果人工卷起，不仅费时费力，操作时也具有一定的危险性[4]。

目前使用的日光温室卷帘机基本上采用手动开关，不仅存在着较大的安全隐患，而且浪费时间。为了解决上述问题，现急需研制一种日光温室无缝卷帘机，实现中间棉被随卷帘机自动卷起和铺放，同时能够实现现场手动、近程遥控和远程手机短信控制。

图1 传统日光温室卷帘机卷帘效果图Fig.1 The effect of traditional rolling machine

1 无缝卷帘机总体设计

1.1 总体结构设计

针对目前温室卷帘机存在的问题，设计了一种日光温室无缝卷帘机，其总体结构示意图如图2所示。

1.温室大棚 2.支撑臂 3.铰接轴 4.摇臂 5.动力机构 6.中间保温被 7.接缝装置 8.保温被 9.卷帘轴图2 日光温室无缝卷帘机总体结构示意图Fig.2 The overall effect of the seamless rolling machine for solar greenhouse

该卷帘机主要由动力机构、卷帘轴、支撑机构、接缝装置和限位保护等组成。其中，动力机构由三相异步电机和涡轮蜗杆减速机组成，减速器两侧的输出轴通过联轴器与卷帘轴相连，右侧输出轴上安装有链轮，链轮与卷帘轴同步转动，作为接缝装置的动力。接缝装置采用二级链传动，其前端的两个夹持套与卷帘轴套接，能够实现装置随着卷帘机的升降贴合大棚表面上下运动；装置的顶端在夹持套与轴二的连接处安装有硬限位，使得装置具有折叠性，装置后端的轴3用于卷中间棉被。

1.2 工作原理

工作时，电动机将动力传输给卷帘机涡轮蜗杆减速器，卷帘机减速器的输出轴与卷帘轴相联，实现大棚左右棉被的卷放。减速机右侧输出轴上的链轮随卷帘轴同步转动，通过第1级和第2级链条传动将动力传递给轴3，轴3与中间棉被相连，从而实现中间棉被的自动卷放。在折叠功能方面，卷帘机开始卷帘并爬升大棚时装置自动打开，完全铺放棉被接触地面时装置自动折叠收起，卷放帘过程中则与大棚表面保持一定的角度，与温室棚膜表面贴合。

1.3 功能要求

1)操控要求：现场能够实现手动控制、近程遥控控制及远程手机短信控制。

2)安全要求：具有限位安全保护措施，远程手机短信控制能设定工作时间，同时需设有机械限位，防止超出行程，发生危险事故。

2 关键部件设计

2.1 接缝装置结构设计

卷帘机接缝装置主要用于中间保温覆盖材料棉被的卷放作业，实现中间棉被与左右两侧棉被的同步卷放，装置中心始终与卷帘轴保持1m左右的距离，并且具有可折叠性接缝装置如图3所示。

1.第1夹持套 2.第2夹持套 3.第1级传动链 4.轴2 5.第2级传动链 6.硬限位 7.轴3图3 自动接缝装置图Fig.3 Automatic seamless device

该装置由第1夹持套、第2夹持套、第1级传动链、第2级传动链、轴2、轴3所构成。该装置的前端与卷帘轴相联，能够随着卷帘机的上下运动，轴2和第1、第2夹持套末端保持同轴，第1、第2加持套末端焊接有硬限位，用于限定角度，从而使装置顶端与大棚表面能够始终保持一定的角度，避免与大棚表面的碰撞，后端的轴3用于卷放中间棉被。该装置具有良好的折叠性，卷帘机开始卷帘爬升时，装置自动打开，棉被完全铺放时装置自动折叠在一起。

2.2 传动系统设计

2.2.1 传动方案的设计

由于电机转速较高、功率较大，故使用V型带传动，卷帘轴与卷帘机通过联轴器连接，自动接缝装置的轴2与轴3通过链条进行传动。传动线路为：电动机—V型带传动—卷帘机减速器—联轴器—卷帘轴—第1级链条传动—轴2—第2级链条传动—轴3。卷帘机减速器为4级齿轮减速。电机与减速器配合使用，选择Y90L-4型号电机，额定功率2.2kW，满载转速1 400r/min，效率为78.0%。

2.2.2 传动比的确定

装置传动的结构型式为1级带传动、4级齿轮减速传动和2级链条传动。带传动的传动比i1=2.25，减速器传动比i减=155.56，链条传动比i链=1，总传动比为

(1)

2.2.3 传动效率的确定

传动系统的总效率为

(2)

其中，ηa为V型带的传动效率；ηb为减速器轴承的传动效率；ηc为减速器齿轮的传动效率；ηd为联轴器的传动效率；ηc为链条的传动效率。其各自传动效率值如表1所示。将数值带入式(2)，得η=0.96×0.995×0.984×0.99×0.952=0.747，总的传动效率为74.7%。

表1 相关机构传动效率表

2.2.4 传动系统的动力参数

1)各个轴的转速。电机转速为n0=1 400r/min；减速器输入轴为n1=n0/i1=1 400/2.25=622r/min；卷帘轴为n2=n1/i减=622/155.56=3.998r/min；轴2和轴3为n3=n4=n2/i链=3.998/1=3.998r/min。

2.3 接缝装置折角的确定

折角的大小主要取决于温室表面的弧度，因此首先要分析温室棚面的弧度。目前，流线型温室的棚面通常是参照合理轴线原理进行设计[5]，合理轴线计算公式为

Y=4FX(L-X)/L2

(3)

式中Y—弧线各位点对应高度；

F—温室中间点高度(矢高)；

L—温室跨度；

X—各位点对应水平距离。

设定温室跨度L=8m，矢高F=3.3m，水平距离X从1m到4m隔1m取一个值，使用MatLab得出以下拟合曲线[6]，如图4所示。

图4 温室棚面的曲线拟合Fig.4 Curve fitting of the solar greenhouse surface

图4中，曲线拟合部分为温室的真实弧度，直线拟合部分为温室的近似弧度，其大小为φ=arctan 0.825=38.85°，由于温室表面的弧度是变化的，故取平均坡度为38.85°。轴2与轴3随着卷帘轴同步运行，轴2与轴3速度的方向均沿着温室表面斜向上，而且是时刻变化。为了确保接缝装置折叠功能运行正常，接缝装置顶部既不触碰到摇臂又不碰到温室表面，最终折叠角最大值设定为150°。

2.4 限位开关

限位开关选用接触开关，布置在温室顶部和底部，正常情况下，接触开关处于导通状态，卷帘机根据短信设定的工作时长进行卷放帘，不会触碰接触开关，如图5所示。一旦出现异常情况，如短信设定工作时长超出卷帘机卷帘行程或通过遥控控制时忘记停止，卷帘机运动到限定位置时，触发接触开关，立刻断开电机电源。

图5 限位开关Fig.5 The limit switch

3 控制系统设计

3.1 总体设计

控制系统主要由手动开关、遥控模块、手机GSM模块、控制单元、驱动模块和位置反馈传感器等组成, 如图6所示。控制箱上设置有3档开关，能够实现手动、遥控和手机短信控制3种模式。操作人员不仅可以采用遥控对多个卷帘机进行操作，而且可以通过短信对园区多个卷帘机同时控制，采用接触开关作为位置传感器进行限位，保证了卷帘机工作的安全可靠性。

图6 控制系统结构示意图Fig.6 Schematic diagram of the control system

3.2 单片机选择

控制单元采用STM32FIO3增强型单片机，其时钟频率达到72MHz，是同类型中性能最高的产品。其内置RTC时钟模块，通过程序可以设置当前时间，同时可搭配12864模块实现数据的实时显示和不同操作模式的切换，通过USART串口模块实现与GSM模块之间的通信。

3.3 遥控器设计

无线电遥控系统主要由发射系统和接收系统两部分组成：发射系统主要由计数编址电路、编码电路及无线电发射电路组成；接收系统主要由无线电接收电路、译码电路及开关控制电路组成。

本无线电遥控开关系统采用CMOS 集成电路, 发射模块采用PT2262 芯片进行编码，接收模块采用PT2272芯片进行解码，同时采用数码无线编码技术，保证了开关互不干扰，在室外空旷处遥控距离在500m以上。遥控器上设置卷帘、放帘和停止3个按钮，遥控器与接收器具有学习功能，通过学习实现一个遥控器同时控制多个卷帘机。

3.4 GSM通讯模块

GSM模块可以实现短信的接收和发送，通过单片机对短信控制指令进行解码并完成相应的操控。该系统采用西门子TC35i工业级GSM模块，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM读卡器和天线，SIM读卡器用于放置手机卡，数据接口通过AT命令可双向传输指令和数据，自动波特率为1.2～11.5kB/s，本系统采用既支持英文短信又支持中文短信的PDU模式。TC35i与单片机通过USART进行数据通信，设定通信速率为9 600kbps。

断电状态下将SIM卡安装在SIM读卡器中，首先进行用户配对，向控制器发送：主号888888888，888888888表示控制卷帘机的手机号，完成配对，确保只有当前手机能够对卷帘机进行操控。

3.5 动作执行电路设计

针对卷帘机的控制系统的设计与所选用的电气元件，对控制系统的动作执行电路进行了设计，如图7所示。

1)卷帘机的手动控制。接通空气开关QF，将单刀双刃开关拨至手动端M(Manual end)，按下电机正装开关按钮SB2-1，相关连接按钮SB2-2闭合，电机正转电路启动，控制电机正转的交流接触器KMF得电，交流接触器开关KMF-1接通、KMF-2断开，电机开始正转；卷帘机运行卷帘作业，同时形成呼互锁，防止电机反转；卷帘机完成棉被卷帘之后，按动停止按钮SB1，电机停止工作，结束卷帘。同理，按下SB3-1实现电机反转，能够完成放帘作业。

2)卷帘机的近程遥控控制。接通空气开关QF，将单刀双刃开关拨至遥控端R(Remote end)，按动遥控器控开启控制按钮，继电器JQ1得电，继电器开关JQ1接通，交流接触器KMF得电，电机开始正转，卷帘机运行卷帘作业卷起棉被。同理，继电器JQ2得电，电机反转，卷帘机运行卷帘作业放下棉被。

3)卷帘机的手机远程控制。接通空气开关QF，将单刀双刃开关拨至手动端M(Manual end)，用户使用手机编辑短信向 GSM超远程控制器手机遥控开关发送“定时xx秒”或发送“定时xx分”，再发送“输出1开”。时间继电器KT1得电，延时xx秒之后，时间继电器KT1的延时开关KT1接通，交流接触器KMF得电，电机开始正转，卷帘机运行卷帘作业；卷帘机完成棉被卷帘之后，时间继电器KT1自动失电，延时xx秒之后，时间继电器KT1的延时开关KT1断开，交流接触器KMF失电，电机停止转动。同理，发送“定时xx秒”或发送“定时xx分”，再发送“输出2开”，电机正转，完成放帘作业。

L1、L2和L3.电源接线 QF.空气开关 KMF、KMR.交流接触器 SB1、SB2和SB3.按钮 JQ1、JQ2.继电器 KT1、KT2.时间继电器 S-M-R.单刀双刃开关图7 动作执行电路图Fig.7 Action execution circuit diagram

4 试验

为验证该日光温室无缝卷帘的实用性及可靠性，于 2015 年 10月至 2016 年 3月在河北省保定市南市区河北农业大学科技园进行了验证试验。试验效果如图8所示。

试验表明：控制系统稳定，3种操作模式切换自如，遥控控制距离实测不小于500m，手机短信控制功能正常。卷帘机接缝装置能够使中间棉被随同左右棉被同步卷放，中间棉被厚度在1cm左右，宽度有2m，平均速度1.5m/min，15s即能完成1圈棉被的卷放。其效率较高，卷起或铺开10m的棉被仅需5～8min，全部卷起时棉被厚度在60cm左右；接缝装置折角保持150°，能够适应温室表面弧度的变化，未发生碰撞现象。在折叠性方面，卷帘30s后即能全部打开，铺放棉被完成后该装置能够自动折叠，整机运行正常，安全可靠，实际卷帘效果良好。

图8 无缝卷帘机卷帘效果Fig.8 The rolling effect of seamless rolling machine

5 结论

日光温室无缝卷帘机具有自动接缝和折叠特性，解决了传统卷帘机无法卷起中间棉被的问题，大大降低了农民卷放帘的工作量，提高了安全性。接缝装置可折叠，开始卷帘后，接缝装置保持150°的折角，能够适应温室表面弧度的变化，不会发生碰撞现象；放帘接触地面时自动折叠，节约占地空间。无缝卷帘机拥有现场手动、近程遥控和远程手机短信控制3种模式，采用接触开关和时间保护，实现了双重限位保护。

试验表明：设备运行良好，操作安全方便，接缝装置收放自如，实现了自动无缝卷放帘。

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[3] 孙麦珍,武爱萍,武席英.日光温室卷帘机的应用与推广[J].农业技术与装备,2008(6)：41-46.

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Development of Seamless Rolling Machine for Solar Greenhouse

Yuan Yongwei, Ma Yuejin, Yi Jinggang, Kong Degang, Liu Jiangtao, Li Shanshan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China)

The shutter machine as a small agricultural machinery has been widely used in agricultural facilities,for the pre-push reel rolling machine have about two-metre-wide blankets below the regional can not be automatic rolled up and down problems, designed a seamless device which can automatic roll up and down the intermediate blankets.The device has a folding function, runing-time, the device is open 150 °to avoid collision with the surface of the greenhouses. After contact with the ground, it is folding. The control system has site manual, short-range remote control and SMS remote control three modes, Using location switch and time protection to achieve double protection. The test result shows that the equipment is not only running well but also safe and convenient to operate, The intermediate blankets realizes automatically rolled up and down.

sunlight greenhouse; rolling machine; seamless device; remote control

2016-04-28

河北省现代农业装备研发中心建设项目(XDNZ201501);河北省蔬菜产业技术体系项目(2015)；河北农业大学理工基金项目(ZD201617)

袁永伟(1987-),男，河北任丘人，助教，硕士，(E-mail) yuan499619387@126.com。

马跃进(1958-),男，河北肃宁人，教授，博士生导师，工学博士，(E-mail)myj@hebau.edu.cn。

S625.3

A

1003-188X(2017)06-0140-05