日光節(jié)能溫室卷簾機(jī)定位關(guān)鍵技術(shù)研究

王曦

（山西農(nóng)機(jī)新技術(shù)服務(wù)中心，山西太原 030031）

日光節(jié)能溫室卷簾機(jī)定位關(guān)鍵技術(shù)研究

王曦

（山西農(nóng)機(jī)新技術(shù)服務(wù)中心，山西太原 030031）

日光節(jié)能溫室是我國北方地區(qū)農(nóng)作物冬季實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的關(guān)鍵措施之一，其中卷簾機(jī)的升降、天窗放風(fēng)是實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部環(huán)境調(diào)控的重要措施，也是日常管理工作的主要內(nèi)容。當(dāng)前卷簾機(jī)的操作主要是人工操作，勞動強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且農(nóng)作物不能及時(shí)得到有效合理的光照。卷簾機(jī)定位關(guān)鍵技術(shù)作為日光溫室自動化控制系統(tǒng)的一個組成單元，通過研究利用角度傳感器記錄卷簾機(jī)運(yùn)行位置的方法，提出了卷簾機(jī)運(yùn)動位置控制模型，解決了日光溫室模糊控制系統(tǒng)對卷簾機(jī)位置精準(zhǔn)測量與控制的問題，為日光節(jié)能溫室的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了科學(xué)的技術(shù)支撐。

日光節(jié)能溫室；環(huán)境控制；角度傳感器；卷簾機(jī)位置控制模型

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是綜合應(yīng)用工程裝備技術(shù)、生物技術(shù)和環(huán)境技術(shù)，按照動植物生長發(fā)育所要求的最佳環(huán)境，進(jìn)行動植物生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。其中，日光節(jié)能溫室作為一種簡單易建的設(shè)施產(chǎn)業(yè)，成為我國北方地區(qū)廣大農(nóng)民增產(chǎn)增收的主要措施之一。長久以來，這種生產(chǎn)模式的管理方式主要依靠人工［1］，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)工、勞動強(qiáng)度大，而且卷閉簾時(shí)間完全憑經(jīng)驗(yàn)，難以做到科學(xué)管理。近年來，隨著財(cái)政政策支持和技術(shù)進(jìn)步，日光溫室覆蓋保溫材料的收放逐步被卷簾機(jī)所代替，雖然節(jié)省了時(shí)間，但人工勞動強(qiáng)度大的問題依然存在，尤其對于集群日光溫室建筑，不能做到及時(shí)、合理、科學(xué)的管理。當(dāng)前許多設(shè)施農(nóng)業(yè)智能控制軟件大多只用于聯(lián)棟溫室，應(yīng)用于單棟日光節(jié)能溫室的智能控制系統(tǒng)由于關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，推廣尚在初級階段，其中卷簾機(jī)運(yùn)動位置精準(zhǔn)控制成為智能化控制系統(tǒng)迫切需要解決的首要問題。

1 研究思路與總體設(shè)計(jì)

該日光節(jié)能溫室控制系統(tǒng)由上位機(jī)、485總線、智能終端、傳感器組成，省去了復(fù)雜的電控箱，安裝簡單快捷，性價(jià)比大幅提升，成為適應(yīng)日光節(jié)能溫室信息化建設(shè)、自動化控制、數(shù)據(jù)化管理、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新型控制軟件系統(tǒng)。其工藝結(jié)構(gòu)是溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)在傳感器智能終端的采集下，通過485總線傳輸至裝有虛擬控制軟件的上位機(jī)，經(jīng)過上位機(jī)的運(yùn)算，控制整個溫室系統(tǒng)裝備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，創(chuàng)造適宜農(nóng)作物生長的最佳生態(tài)環(huán)境。其中，對卷簾機(jī)的精準(zhǔn)控制成為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵支撐。

目前，卷簾機(jī)的控制方式大多是電控式，即通過人工觸發(fā)開關(guān)，驅(qū)動卷簾機(jī)的啟停。為了防止卷簾機(jī)脫位，在卷簾機(jī)的上下分別安裝2個限位器。這種控制方式由于存在安裝線纜長、機(jī)械故障多等問題，并不適應(yīng)智能化控制系統(tǒng)的需求。同時(shí)，由于筆者改進(jìn)了現(xiàn)有日光節(jié)能溫室的放風(fēng)機(jī)構(gòu)，省去了卷膜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了卷簾機(jī)覆蓋、放風(fēng)一體化作業(yè)。

放風(fēng)口設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 放風(fēng)口設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)工作原理是卷簾機(jī)啟動上升到位置2停止，位置1與位置2之間是放風(fēng)區(qū)間，此區(qū)間是在模糊控制系統(tǒng)控制下卷簾機(jī)移動放風(fēng)的工作空間，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效果明顯。這種控制方式需要卷簾機(jī)運(yùn)動位置的精確定位與其配合。

該研究設(shè)計(jì)思路是在卷簾機(jī)的上下支撐臂鉸鏈和下支撐臂的活動支架處安裝角度傳感器，通過測量上下支撐臂角度的變化，確定卷簾機(jī)的水平投影，再通過曲線擬合確定卷簾機(jī)在棚面骨架上的精確定位，滿足模糊控制系統(tǒng)對卷簾位置精確控制的要求。

2 卷簾機(jī)支撐桿系統(tǒng)的改進(jìn)

當(dāng)前，卷簾機(jī)的安裝形式有側(cè)置式、前置式、導(dǎo)索式3種［2］，其共同特點(diǎn)是由卷簾機(jī)、支撐桿（索）、固定座和電控系統(tǒng)組成，通過固定支架固定卷簾機(jī)支撐桿，保持卷簾機(jī)定位，完成保溫材料的鋪放。本課題通過對固定座重新設(shè)計(jì)，安裝活動支架同心裝置，固定安裝角度傳感器，在卷簾機(jī)曲線運(yùn)動帶動下，活動支架旋轉(zhuǎn)，帶動角度傳感器輸出與卷簾機(jī)位置相對應(yīng)的角度值。

支撐座設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 支撐座設(shè)計(jì)

該固定座還設(shè)計(jì)有上限2個機(jī)械極限限位開關(guān)，滿足卷簾機(jī)自身保護(hù)的需求。同時(shí)，在卷簾機(jī)上下支撐桿鉸接處安裝有另一角度傳感器，該傳感器能夠輸出上下支撐桿的夾角，該角度也與卷簾機(jī)在棚膜骨架上的位置相對應(yīng)。該角度與轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度值相配合，即可測定出卷簾機(jī)的精準(zhǔn)定位。

3 卷簾機(jī)控制軟件單元的設(shè)計(jì)

采用美國國家儀器公司National Instuments（簡稱NI）推出的Labview軟件設(shè)計(jì)卷簾機(jī)控制軟件。該軟件作為一種圖形化設(shè)計(jì)程序，能夠非常方便開展嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量與控制、操作簡單、易于升級擴(kuò)展等需求［3］。

3.1 卷簾機(jī)位置角度檢測原理

卷簾機(jī)定位原理見圖3。

圖3 卷簾機(jī)定位原理

隨著卷簾機(jī)沿著骨架往復(fù)移動，上下支撐桿鉸鏈夾角與下支撐桿和水平面的夾角將發(fā)生有規(guī)律的變化。由公式（1）可知，卷簾機(jī)在骨架上運(yùn)動位置的水平投影與卷簾機(jī)支撐桿的角度具有以下相對應(yīng)的關(guān)系，其中mnx即為卷簾機(jī)在骨架位置的水平投影。

mnx=（lsin（b-（90-α））+lcosa）-no. （1）

由上述分析可知，在卷簾機(jī)的運(yùn)動過程中，如果能及時(shí)測量出支撐桿角度α和b的變化數(shù)值，就能準(zhǔn)確確定卷簾機(jī)在骨架的位置。由于卷簾機(jī)骨架形狀沒有特定的函數(shù)來表示，因此需采用曲線擬合算法，求出溫室骨架的擬合曲線函數(shù)，建立卷簾機(jī)位置與角度的函數(shù)關(guān)系。解溫室骨架的擬合曲線的方法是，通過等距測量確定溫室骨架的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。

卷簾機(jī)擬合采樣數(shù)據(jù)見表1。

表1 卷簾機(jī)擬合采樣數(shù)據(jù)

由表1反映了溫室骨架上等距特征點(diǎn)在X軸、Y軸上的投影數(shù)據(jù)，通過Matlab數(shù)據(jù)分析軟件，得出骨架的擬合曲線。當(dāng)多項(xiàng)式次數(shù)確定為4時(shí)，曲線擬合近似度較高，殘差平方和較小。

將結(jié)果代入公式（1），得出日光節(jié)能溫室卷簾機(jī)運(yùn)動位置控制模型，如公式（2）。

其中，X=（lsin（b-（90-α））+lcosa）-no.

3.2 硬件選型與軟件設(shè)計(jì)

選用P3022-V1-CW360型角度傳感器，該傳感器是霍爾式非接觸式，0～360°全角度，0～5 V輸出，分辨率為12 bit。該傳感器同心聯(lián)接于活動支架，隨支撐桿的擺動輸出角度值和電壓值，通過485總線智能終端采集輸送至上位機(jī)。

該軟件的設(shè)計(jì)功能是將傳感器輸出的角度值轉(zhuǎn)化成卷簾機(jī)在水平的投影值，然后通過曲線擬合，得出卷簾機(jī)在棚膜骨架的精準(zhǔn)（X，Y）數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)對卷簾機(jī)位置的精準(zhǔn)判斷。

4 控制系統(tǒng)的仿真與考核

卷簾機(jī)位置精準(zhǔn)控制，是實(shí)現(xiàn)日光節(jié)能溫室模糊控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，卷簾結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、設(shè)備的選型、軟件的設(shè)計(jì)以及結(jié)果的可靠性通過以下試驗(yàn)考核其正確性。

4.1 設(shè)備模型的運(yùn)動分析

在Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件環(huán)境下運(yùn)行調(diào)試，簡化建模。

Solidworks運(yùn)動仿真見圖4。

圖4 Solidworks運(yùn)動仿真

該模型由溫室骨架、卷簾機(jī)、上支撐桿、下支撐桿、固定座和傳感器總成組成。通過在模型的不同部位設(shè)置傳感器，檢測卷簾機(jī)隨骨架運(yùn)行的軌跡，分析角度傳感器的變化規(guī)律，得出卷簾機(jī)運(yùn)行與角度傳感器角度變化的相應(yīng)規(guī)律。

卷簾電機(jī)投影距離與角度輸出關(guān)系見表2。

由表2可知，隨著卷簾機(jī)運(yùn)動開始，卷簾機(jī)水平投影距離，單項(xiàng)遞增，但角度輸出在初始階段有個反向跳躍，原因在于骨架前傾設(shè)計(jì)有50～75°的前傾角，在卷簾機(jī)的運(yùn)行初始階段，支撐桿有個逆向運(yùn)行過程，隨后支架角度在35～20°變化。

表2 卷簾電機(jī)投影距離與角度輸出關(guān)系

4.2 軟件的模擬分析

在工作實(shí)驗(yàn)臺上配置角度傳感器、485總線和上位機(jī)，設(shè)計(jì)軟件分析界面。

手動模擬數(shù)據(jù)輸出見圖5。

圖5 手動模擬數(shù)據(jù)輸出

利用手動旋轉(zhuǎn)角度傳感器，觀察系統(tǒng)軟件的反應(yīng)，結(jié)果顯示，隨著角度傳感器的旋轉(zhuǎn)，上位機(jī)角度顯示數(shù)據(jù)不停地改變，加入位置轉(zhuǎn)化代碼后，能夠清晰地顯示卷簾機(jī)位置的變化，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、跳動不明顯。

在試驗(yàn)臺調(diào)試完成后，該裝置進(jìn)行了實(shí)際安裝考核，安裝地點(diǎn)為榆次東陽鎮(zhèn)，大棚參數(shù)東西跨度30 m，南北跨度10 m，高3.5 m，鋼架棚。實(shí)際運(yùn)行過程中，卷簾機(jī)位置控制精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)顯示平穩(wěn)、跳動不明顯、系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，能夠滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求，同時(shí)極限限位開關(guān)靈敏、動作迅速，能夠滿足設(shè)備的保護(hù)要求。

結(jié)果輸出見圖6。

圖6 結(jié)果輸出

5 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)控制的要求，研究設(shè)計(jì)了日光節(jié)能溫室卷簾機(jī)角度定位裝置，解決了日光節(jié)能溫室模糊控制系統(tǒng)對卷簾機(jī)位置精準(zhǔn)測量與控制的要求，為日光節(jié)能溫室的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了科學(xué)的技術(shù)支撐。

首先，對日光節(jié)能溫室的放風(fēng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，利用與卷簾機(jī)棉被連接的膜充當(dāng)放風(fēng)簾，卷簾的同時(shí)放風(fēng)，省去了專用卷膜放風(fēng)裝置，操作簡單方便，節(jié)約了成本，對日光節(jié)能溫室結(jié)構(gòu)與智能化控制的發(fā)展完善具有重要的意義。

其次，將角度傳感器應(yīng)用到卷簾機(jī)位置測量中，提出了卷簾機(jī)位置控制模型，滿足了智能控制系統(tǒng)對卷簾機(jī)定位的需求，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。

再次，利用虛擬平臺作為上位機(jī)設(shè)計(jì)軟件，提高了程序設(shè)計(jì)效率，節(jié)省了大量的設(shè)備投資，簡化了測量控制工藝，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，是一款性價(jià)比突出的日光節(jié)能溫室控制系統(tǒng)。

綜上所述，本項(xiàng)目研究解決了智能控制系統(tǒng)中卷簾機(jī)位置測控問題。仿真與實(shí)際運(yùn)行表明，采用的測量工藝合理先進(jìn)、設(shè)計(jì)的程序安全穩(wěn)定，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

［1］張亞紅，吳素平，付理，等.用于日光溫室群體卷閉簾的智能控制系統(tǒng)：中國，200820128808［P］.2009-08-12.

［2］丁小明.我國日光溫室卷簾機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀分析 ［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2012（12）：76-79.

［3］李春平，李頡思.基于LabVIEW的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ［J］.微型計(jì)算機(jī)信息，2007（23）：270-272.◇

Study on the Key Technology of Solar Greenhouse Shutter Position Control Model

WANG Xi
（New Technlolgy Service Center of Shanxi Agricual Mechanism，Taiyuan，Shanxi 030031，China）

The solar greenhouse is one of the key measures in northern China to achieve yield of winter crops.Where in the rolling machine movements，skylights leaked is an important measure to achieve its internal environmental regulation and the main content of the daily management.The current rolling machine operating mainly manual，labor-intensive，time-consuming and crops can not be effective and reasonable lighting.The issue as an integral unit in greenhouse automation and control systems，by studying the use of an angle sensor which can record the position of the shutter running method，proposes rolling machine motion position control model to solve the solar greenhouse fuzzy control system for rolling machines precise location measurement and control problems which can provide a scientific support for the industrial development of energy-saving solar greenhouse technology.

solar greenhouse；environment control；angle sensor；shutter position control model

S625.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.01.012

2015-12-29

2015年山西省財(cái)政支農(nóng)物理農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備試驗(yàn)示范項(xiàng)目（201506）。

王 曦（1973— ），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)信息化建設(shè)與農(nóng)機(jī)新技術(shù)開發(fā)。