王勇　劉林　加林　珉　秀峰

摘要：設計了一種智能型卷簾機，擁有雙動力機構、卷簾軸、位置檢測裝置和水平校正裝置。其中雙動力機構解決了日光溫室卷簾過程中出現(xiàn)卷簾軸一端卷不到位的問題，位置檢測裝置中的測距傳感器可以檢測卷簾時卷簾軸左右兩端的傾斜程度，結合水平矯正裝置中的執(zhí)行器件實現(xiàn)自動水平矯正。卷簾機擁有現(xiàn)場手動、近程遙控和遠程手機短信三種控制模式，在卷簾過程中通過行程開關和時間保護實現(xiàn)雙重安全限位保護。

關鍵詞：卷簾機；位置檢測裝置；水平矯正裝置；遙控；手機短信

中圖分類號：S625.3文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）05-0021-05

日光溫室在農業(yè)發(fā)展中具有重大意義，在提供反季節(jié)蔬菜、縮短農作物生長周期，以及大幅度提高農作物的成活率等方面起到了巨大作用[1～3]。卷簾機自發(fā)明以來，不斷進行技術革新，取得了巨大發(fā)展，但其安全問題仍十分突出。后置卷繩上拉式卷簾機因為拉繩太多，暴露的危險點覆蓋在整個溫室屋面上，全面的安全防護難度比較大；前置卷軸上推式卷簾機在卷簾機主機的下方區(qū)域總要留有1 m左右的區(qū)域不能自動卷簾；側置卷軸上推式卷簾機輸出扭矩不平衡，卷簾機主機另一側卷簾不到位，靠近主機一側的卷簾軸有時會發(fā)生斷裂[4]。針對上述三種卷簾機存在的諸多缺點，設計了一種智能型卷簾機，具有雙動力機構，解決了側置卷軸上推式卷簾機卷簾過程中遠離動力一側卷不到位的問題，而且卷簾機中的位置檢測裝置和水平校正裝置可以實現(xiàn)卷簾軸的水平校正。

1機械結構設計

該卷簾機主要由動力機構、卷簾軸、位置檢測裝置和水平矯正裝置四部分組成（如圖1）。通過齒輪將動力機構中電動機的動力傳動到減速器，驅動輸出軸旋轉，輸出軸與卷簾軸連接，草（布）簾一端固定在卷簾軸上，通過卷簾軸旋轉帶動草（布）簾完成卷簾和閉簾工作，在卷簾過程中卷簾軸一端發(fā)生傾斜時，水平矯正裝置可以實現(xiàn)卷簾軸水平矯正。

1.1動力機構

動力機構主要由三相交流異步電動機和減速器組成，其中減速器采用減速比為40∶1的蝸輪蝸桿減速機構，充分利用了蝸輪蝸桿減速機成本低、傳遞扭矩大、能實現(xiàn)自鎖的優(yōu)點[5]，動力機構分別安裝在卷簾軸的兩端，克服了側置卷軸上推式卷簾機輸出扭矩不平衡而導致的主機另一側卷簾不到位，靠近主機一側的卷簾軸斷裂情況的發(fā)生。

1.2卷簾軸

由無縫鋼管構成。無縫鋼管具有抗拉、柔韌性高等特點，而且性能可靠，安裝方便，長度可以根據(jù)日光溫室的實際長度自定。卷簾軸上可以安裝扭矩傳感器，實時監(jiān)測卷簾軸的扭力。當卷簾機工作過程中出現(xiàn)（卷人、卷物等）故障狀態(tài)，卷簾軸的扭力突然增大時，可以立即切斷電源，使卷簾機停止工作，從而保障人身財產安全。

1.3位置檢測裝置

主要由軸承、鋼柱、鋼塊、超聲波測距傳感器組成（如圖2）。

位置檢測裝置中的軸承安裝在卷簾軸上，軸承與鋼塊通過鋼柱進行豎直連接，超聲波測距傳感器安裝在鋼塊下端，在鋼塊重力的作用下，超聲波測距傳感器的發(fā)射端和接收端始終豎直向下，確?？梢哉_檢測到卷簾軸左右兩端的豎直高度。

1.4水平矯正裝置

主要由軸承、無縫鋼管、連接鋼件、抱死裝置組成（如圖3）。其中抱死裝置主要由橡膠套、拉力彈簧、電磁離合器和支架組成（如圖4）。水平校正機構通過軸承可以有效地實現(xiàn)轉動；無縫鋼管通過連接鋼件與抱死裝置連為一體。打開抱死裝置（即電磁離合器吸合，將支架吸上，橡膠套將無縫鋼管抱死），無縫鋼管因受到橡膠套的摩擦力而不能上下移動，水平校正機構的有效長度不變，卷簾軸一端只能原地轉動而不能沿墻體上下移動；關閉抱死裝置（即電磁離合器分開，在彈簧拉力的作用下拉動支架帶動橡膠套將無縫鋼管分開），無縫鋼管可以上下移動，水平校正機構的有效長度發(fā)生變化，卷簾軸一端既能原地轉動又能沿墻體上下移動。當卷簾軸一端發(fā)生傾斜時，打開相應位置的電磁離合器，可以實現(xiàn)卷簾軸水平矯正。

2控制系統(tǒng)硬件結構設計

控制系統(tǒng)硬件主要由單片機、遙控器、GSM模塊、SD卡、測距模塊和動作執(zhí)行器件組成（如圖5）。可以實現(xiàn)手動、近程遙控和遠程手機短信三種模式控制。其中測距模塊可以檢測卷簾軸的傾斜程度，通過啟動相應的執(zhí)行器件，完成卷簾軸的自動水平矯正。

2.1單片機選擇

STM32系列單片機是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核的單片機[6～9]。該系統(tǒng)是STM32F103增強型，其時鐘頻率達到72 MHz，是同類型中性能最高的產品。片上資源豐富，內置RTC時鐘模塊，通過程序可以設置當前時間，同時可搭配12864模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和不同操作模式的切換，通過USART串口模塊實現(xiàn)與GSM模塊之間的通信。

2.2遙控器設計

遙控器可使用戶在日光溫室不同位置完成卷簾和閉簾操作任務，避免了每次操作都必須到指定位置手動上電的麻煩。遙控器分為發(fā)射模塊和接收模塊，其中兩者的地址一一對應。發(fā)射模塊采用PT2262芯片進行編碼，內配有電池，工作頻率為315 MHz，最大傳輸距離約100 m。接收模塊采用PT2272芯片進行解碼。

遙控器上有A、B、C三個不帶鎖按鍵，按鍵之間采用互鎖式接線保護，定義A鍵控制電動機正轉，將草（布）簾卷起，B鍵控制電動機反轉，將草（布）簾卷下，C鍵控制電動機停止。

2.3GSM模塊設計

GSM模塊可以實現(xiàn)短信的接收和發(fā)送，通過單片機對短信控制指令進行解碼并完成相應的操控。TC35i是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線，SIM卡讀卡器用于放置手機卡，數(shù)據(jù)接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)， 自動波特率為1.2～11.5 kb/s，它支持Text和PDU格式的短消息，Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實現(xiàn)起來十分容易，但最大的缺點是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信[10]。

TC35i與單片機通過USART進行數(shù)據(jù)通信，設定通信速率為9 600 kbps，8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。當單片機檢測到TC35i無法收發(fā)短信時，判定模塊死機，通過控制復位端口使其重新工作。

2.4測距模塊設計

采用超聲波測距傳感器來檢測卷簾軸兩端的豎直高度，通過一定的幾何運算得到卷簾軸左右兩端的行走軌跡差，當行走軌跡差超過設定值時，判定卷簾軸發(fā)生傾斜。由于超聲波的聲速與溫度有關[11]，兩個超聲波測距傳感器安裝在卷簾軸的兩端，相距較遠、布線麻煩而且溫度變化較大，所以采用無線串口進行數(shù)據(jù)傳輸并加溫度補償；在卷簾的過程中，超聲波傳感器會發(fā)生擺動引起測距偏差，所以外加角度傳感器進行矯正。

2.5SD卡系統(tǒng)設計

SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動靈活、安全性能好等優(yōu)點，是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質[12]。采用SD卡可以存儲手機號碼、密碼、卷簾機的運行狀態(tài)、卷簾軸兩端的高度、短信安全時間、卷簾和閉簾安全時間以及卷簾軸左右兩端的行走軌跡差等信息。

2.6動作執(zhí)行器件設計

動作執(zhí)行器件包括按鈕、繼電器、交流接觸器、行程開關和電磁離合器。按鈕、繼電器、交流接觸器和行程開關采用自鎖、互鎖方式接線，控制電動機正轉、反轉和停止[13]，并且線路中串入電動機保護器，當出現(xiàn)過載、缺相、堵轉、短路、過壓、欠壓、漏電、三相不平衡、過熱、軸承磨損、定轉子偏心時，切斷三相電源予以保護。卷簾軸一端發(fā)生傾斜時，通過啟動相應位置的電磁離合器實現(xiàn)自動水平矯正。行程開關分別安裝在日光溫室的頂部和底部，在卷簾過程中可以有效地起到限位保護的作用。

3控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計包括主程序設計和短信程序設計，主程序設計主要通過檢測卷簾軸傾斜程度完成自動水平矯正，短信程序設計主要通過單片機解碼與編碼完成短信的發(fā)送與接收。

3.1主程序設計

首先初始化，讀取當前時間，系統(tǒng)進入監(jiān)聽流程，判斷是否收到短信；當收到短信后，對短信進行處理并提取當前短信發(fā)送的時間，判斷是否在設定的短信安全時間范圍內；若在范圍內，提取短信中的控制指令，否則不提取短信指令。當接收到（按鈕、遙控器和手機短信）卷簾指令后，進行卷簾并判斷卷簾軸兩端是否傾斜，當傾斜時，打開相應位置的電磁離合器，等到兩端水平后，關閉電磁離合器。當接收到（按鈕、遙控器、行程開關）停止指令后，停止卷簾并返回短信告知用戶，依次循環(huán)執(zhí)行（如圖6）。

在系統(tǒng)中設定卷簾和閉簾保護時間，在卷簾機工作的過程中，如果卷簾軸碰到行程開關后卷簾機沒有停止，在保護時間的作用下啟動程序停止卷簾，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.2短信程序設計

單片機通過串口跟GSM模塊進行通信，短信發(fā)送時，首先發(fā)送“AT+CMGF=1＼r”，將GSM模式設置為Text格式，然后發(fā)送“AT+CMGS=“***********”＼r”（具體號碼由用戶定），進行手機號碼設置，接著發(fā)送短信控制指令，最后發(fā)送十六進制“1A”，就可以將短信發(fā)出去。短信接收時，每隔10 s向GSM模塊發(fā)送“AT+CMGL=1＼r”指令，檢測是否有新短信接收，當接收到短信后，對短信指令進行處理，并執(zhí)行相應的控制，完成卷簾和閉簾工作。單片機每次向GSM模塊發(fā)送AT指令，GSM模塊都會向單片機返回一些指令，在1 min之內如果單片機接收不到GSM模塊返回的指令，表示GSM模塊死機，通過控制復位端口使其復位后重新工作。

4結論

采用雙動力機構，解決了側置卷軸上推式卷簾機卷簾過程中由于卷簾軸受到的扭矩不平衡遠離動力一端卷不到位的問題。位置檢測裝置可以實時檢測卷簾軸兩端的傾斜程度，結合水平校正裝置可以實現(xiàn)卷簾軸自動水平校正，行程開關和時間保護實現(xiàn)了雙重限位保護功能，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。卷簾機擁有手動、近程遙控和遠程手機短信三種控制模式，遙控模式避免了每次操作都必須到指定位置手動上電的麻煩，天氣突變時，用戶可以在家通過短信指令啟動卷簾機及時關閉簾子。通過設定短信安全時間，可以有效避免在移動通信信號不好的情況下，控制器晚上接收到白天用戶發(fā)送的開啟卷簾機的短信指令將簾子卷起而凍傷蔬菜的情況發(fā)生。

參考文獻：

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[13]史國生，鞠勇.電氣控制與可編程控制器技術實訓教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010：2-11.（上接第20頁）設，增加農民收入，加快社會主義新農村建設步伐。

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TC35i與單片機通過USART進行數(shù)據(jù)通信，設定通信速率為9 600 kbps，8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。當單片機檢測到TC35i無法收發(fā)短信時，判定模塊死機，通過控制復位端口使其重新工作。

2.4測距模塊設計

采用超聲波測距傳感器來檢測卷簾軸兩端的豎直高度，通過一定的幾何運算得到卷簾軸左右兩端的行走軌跡差，當行走軌跡差超過設定值時，判定卷簾軸發(fā)生傾斜。由于超聲波的聲速與溫度有關[11]，兩個超聲波測距傳感器安裝在卷簾軸的兩端，相距較遠、布線麻煩而且溫度變化較大，所以采用無線串口進行數(shù)據(jù)傳輸并加溫度補償；在卷簾的過程中，超聲波傳感器會發(fā)生擺動引起測距偏差，所以外加角度傳感器進行矯正。

2.5SD卡系統(tǒng)設計

SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動靈活、安全性能好等優(yōu)點，是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質[12]。采用SD卡可以存儲手機號碼、密碼、卷簾機的運行狀態(tài)、卷簾軸兩端的高度、短信安全時間、卷簾和閉簾安全時間以及卷簾軸左右兩端的行走軌跡差等信息。

2.6動作執(zhí)行器件設計

動作執(zhí)行器件包括按鈕、繼電器、交流接觸器、行程開關和電磁離合器。按鈕、繼電器、交流接觸器和行程開關采用自鎖、互鎖方式接線，控制電動機正轉、反轉和停止[13]，并且線路中串入電動機保護器，當出現(xiàn)過載、缺相、堵轉、短路、過壓、欠壓、漏電、三相不平衡、過熱、軸承磨損、定轉子偏心時，切斷三相電源予以保護。卷簾軸一端發(fā)生傾斜時，通過啟動相應位置的電磁離合器實現(xiàn)自動水平矯正。行程開關分別安裝在日光溫室的頂部和底部，在卷簾過程中可以有效地起到限位保護的作用。

3控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計包括主程序設計和短信程序設計，主程序設計主要通過檢測卷簾軸傾斜程度完成自動水平矯正，短信程序設計主要通過單片機解碼與編碼完成短信的發(fā)送與接收。

3.1主程序設計

首先初始化，讀取當前時間，系統(tǒng)進入監(jiān)聽流程，判斷是否收到短信；當收到短信后，對短信進行處理并提取當前短信發(fā)送的時間，判斷是否在設定的短信安全時間范圍內；若在范圍內，提取短信中的控制指令，否則不提取短信指令。當接收到（按鈕、遙控器和手機短信）卷簾指令后，進行卷簾并判斷卷簾軸兩端是否傾斜，當傾斜時，打開相應位置的電磁離合器，等到兩端水平后，關閉電磁離合器。當接收到（按鈕、遙控器、行程開關）停止指令后，停止卷簾并返回短信告知用戶，依次循環(huán)執(zhí)行（如圖6）。

在系統(tǒng)中設定卷簾和閉簾保護時間，在卷簾機工作的過程中，如果卷簾軸碰到行程開關后卷簾機沒有停止，在保護時間的作用下啟動程序停止卷簾，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.2短信程序設計

單片機通過串口跟GSM模塊進行通信，短信發(fā)送時，首先發(fā)送“AT+CMGF=1＼r”，將GSM模式設置為Text格式，然后發(fā)送“AT+CMGS=“***********”＼r”（具體號碼由用戶定），進行手機號碼設置，接著發(fā)送短信控制指令，最后發(fā)送十六進制“1A”，就可以將短信發(fā)出去。短信接收時，每隔10 s向GSM模塊發(fā)送“AT+CMGL=1＼r”指令，檢測是否有新短信接收，當接收到短信后，對短信指令進行處理，并執(zhí)行相應的控制，完成卷簾和閉簾工作。單片機每次向GSM模塊發(fā)送AT指令，GSM模塊都會向單片機返回一些指令，在1 min之內如果單片機接收不到GSM模塊返回的指令，表示GSM模塊死機，通過控制復位端口使其復位后重新工作。

4結論

采用雙動力機構，解決了側置卷軸上推式卷簾機卷簾過程中由于卷簾軸受到的扭矩不平衡遠離動力一端卷不到位的問題。位置檢測裝置可以實時檢測卷簾軸兩端的傾斜程度，結合水平校正裝置可以實現(xiàn)卷簾軸自動水平校正，行程開關和時間保護實現(xiàn)了雙重限位保護功能，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。卷簾機擁有手動、近程遙控和遠程手機短信三種控制模式，遙控模式避免了每次操作都必須到指定位置手動上電的麻煩，天氣突變時，用戶可以在家通過短信指令啟動卷簾機及時關閉簾子。通過設定短信安全時間，可以有效避免在移動通信信號不好的情況下，控制器晚上接收到白天用戶發(fā)送的開啟卷簾機的短信指令將簾子卷起而凍傷蔬菜的情況發(fā)生。

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TC35i與單片機通過USART進行數(shù)據(jù)通信，設定通信速率為9 600 kbps，8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。當單片機檢測到TC35i無法收發(fā)短信時，判定模塊死機，通過控制復位端口使其重新工作。

2.4測距模塊設計

采用超聲波測距傳感器來檢測卷簾軸兩端的豎直高度，通過一定的幾何運算得到卷簾軸左右兩端的行走軌跡差，當行走軌跡差超過設定值時，判定卷簾軸發(fā)生傾斜。由于超聲波的聲速與溫度有關[11]，兩個超聲波測距傳感器安裝在卷簾軸的兩端，相距較遠、布線麻煩而且溫度變化較大，所以采用無線串口進行數(shù)據(jù)傳輸并加溫度補償；在卷簾的過程中，超聲波傳感器會發(fā)生擺動引起測距偏差，所以外加角度傳感器進行矯正。

2.5SD卡系統(tǒng)設計

SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動靈活、安全性能好等優(yōu)點，是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質[12]。采用SD卡可以存儲手機號碼、密碼、卷簾機的運行狀態(tài)、卷簾軸兩端的高度、短信安全時間、卷簾和閉簾安全時間以及卷簾軸左右兩端的行走軌跡差等信息。

2.6動作執(zhí)行器件設計

動作執(zhí)行器件包括按鈕、繼電器、交流接觸器、行程開關和電磁離合器。按鈕、繼電器、交流接觸器和行程開關采用自鎖、互鎖方式接線，控制電動機正轉、反轉和停止[13]，并且線路中串入電動機保護器，當出現(xiàn)過載、缺相、堵轉、短路、過壓、欠壓、漏電、三相不平衡、過熱、軸承磨損、定轉子偏心時，切斷三相電源予以保護。卷簾軸一端發(fā)生傾斜時，通過啟動相應位置的電磁離合器實現(xiàn)自動水平矯正。行程開關分別安裝在日光溫室的頂部和底部，在卷簾過程中可以有效地起到限位保護的作用。

3控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計包括主程序設計和短信程序設計，主程序設計主要通過檢測卷簾軸傾斜程度完成自動水平矯正，短信程序設計主要通過單片機解碼與編碼完成短信的發(fā)送與接收。

3.1主程序設計

首先初始化，讀取當前時間，系統(tǒng)進入監(jiān)聽流程，判斷是否收到短信；當收到短信后，對短信進行處理并提取當前短信發(fā)送的時間，判斷是否在設定的短信安全時間范圍內；若在范圍內，提取短信中的控制指令，否則不提取短信指令。當接收到（按鈕、遙控器和手機短信）卷簾指令后，進行卷簾并判斷卷簾軸兩端是否傾斜，當傾斜時，打開相應位置的電磁離合器，等到兩端水平后，關閉電磁離合器。當接收到（按鈕、遙控器、行程開關）停止指令后，停止卷簾并返回短信告知用戶，依次循環(huán)執(zhí)行（如圖6）。

在系統(tǒng)中設定卷簾和閉簾保護時間，在卷簾機工作的過程中，如果卷簾軸碰到行程開關后卷簾機沒有停止，在保護時間的作用下啟動程序停止卷簾，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.2短信程序設計

單片機通過串口跟GSM模塊進行通信，短信發(fā)送時，首先發(fā)送“AT+CMGF=1＼r”，將GSM模式設置為Text格式，然后發(fā)送“AT+CMGS=“***********”＼r”（具體號碼由用戶定），進行手機號碼設置，接著發(fā)送短信控制指令，最后發(fā)送十六進制“1A”，就可以將短信發(fā)出去。短信接收時，每隔10 s向GSM模塊發(fā)送“AT+CMGL=1＼r”指令，檢測是否有新短信接收，當接收到短信后，對短信指令進行處理，并執(zhí)行相應的控制，完成卷簾和閉簾工作。單片機每次向GSM模塊發(fā)送AT指令，GSM模塊都會向單片機返回一些指令，在1 min之內如果單片機接收不到GSM模塊返回的指令，表示GSM模塊死機，通過控制復位端口使其復位后重新工作。

4結論

采用雙動力機構，解決了側置卷軸上推式卷簾機卷簾過程中由于卷簾軸受到的扭矩不平衡遠離動力一端卷不到位的問題。位置檢測裝置可以實時檢測卷簾軸兩端的傾斜程度，結合水平校正裝置可以實現(xiàn)卷簾軸自動水平校正，行程開關和時間保護實現(xiàn)了雙重限位保護功能，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)。卷簾機擁有手動、近程遙控和遠程手機短信三種控制模式，遙控模式避免了每次操作都必須到指定位置手動上電的麻煩，天氣突變時，用戶可以在家通過短信指令啟動卷簾機及時關閉簾子。通過設定短信安全時間，可以有效避免在移動通信信號不好的情況下，控制器晚上接收到白天用戶發(fā)送的開啟卷簾機的短信指令將簾子卷起而凍傷蔬菜的情況發(fā)生。

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