智能型日光温室卷帘机的研制

王勇　刘林　加林　珉　秀峰

摘要：设计了一种智能型卷帘机，拥有双动力机构、卷帘轴、位置检测装置和水平校正装置。其中双动力机构解决了日光温室卷帘过程中出现卷帘轴一端卷不到位的问题，位置检测装置中的测距传感器可以检测卷帘时卷帘轴左右两端的倾斜程度，结合水平矫正装置中的执行器件实现自动水平矫正。卷帘机拥有现场手动、近程遥控和远程手机短信三种控制模式，在卷帘过程中通过行程开关和时间保护实现双重安全限位保护。

关键词：卷帘机；位置检测装置；水平矫正装置；遥控；手机短信

中图分类号：S625.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）05-0021-05

日光温室在农业发展中具有重大意义，在提供反季节蔬菜、缩短农作物生长周期，以及大幅度提高农作物的成活率等方面起到了巨大作用[1～3]。卷帘机自发明以来，不断进行技术革新，取得了巨大发展，但其安全问题仍十分突出。后置卷绳上拉式卷帘机因为拉绳太多，暴露的危险点覆盖在整个温室屋面上，全面的安全防护难度比较大；前置卷轴上推式卷帘机在卷帘机主机的下方区域总要留有1 m左右的区域不能自动卷帘；侧置卷轴上推式卷帘机输出扭矩不平衡，卷帘机主机另一侧卷帘不到位，靠近主机一侧的卷帘轴有时会发生断裂[4]。针对上述三种卷帘机存在的诸多缺点，设计了一种智能型卷帘机，具有双动力机构，解决了侧置卷轴上推式卷帘机卷帘过程中远离动力一侧卷不到位的问题，而且卷帘机中的位置检测装置和水平校正装置可以实现卷帘轴的水平校正。

1机械结构设计

该卷帘机主要由动力机构、卷帘轴、位置检测装置和水平矫正装置四部分组成（如图1）。通过齿轮将动力机构中电动机的动力传动到减速器，驱动输出轴旋转，输出轴与卷帘轴连接，草（布）帘一端固定在卷帘轴上，通过卷帘轴旋转带动草（布）帘完成卷帘和闭帘工作，在卷帘过程中卷帘轴一端发生倾斜时，水平矫正装置可以实现卷帘轴水平矫正。

1.1动力机构

动力机构主要由三相交流异步电动机和减速器组成，其中减速器采用减速比为40∶1的蜗轮蜗杆减速机构，充分利用了蜗轮蜗杆减速机成本低、传递扭矩大、能实现自锁的优点[5]，动力机构分别安装在卷帘轴的两端，克服了侧置卷轴上推式卷帘机输出扭矩不平衡而导致的主机另一侧卷帘不到位，靠近主机一侧的卷帘轴断裂情况的发生。

1.2卷帘轴

由无缝钢管构成。无缝钢管具有抗拉、柔韧性高等特点，而且性能可靠，安装方便，长度可以根据日光温室的实际长度自定。卷帘轴上可以安装扭矩传感器，实时监测卷帘轴的扭力。当卷帘机工作过程中出现（卷人、卷物等）故障状态，卷帘轴的扭力突然增大时，可以立即切断电源，使卷帘机停止工作，从而保障人身财产安全。

1.3位置检测装置

主要由轴承、钢柱、钢块、超声波测距传感器组成（如图2）。

位置检测装置中的轴承安装在卷帘轴上，轴承与钢块通过钢柱进行竖直连接，超声波测距传感器安装在钢块下端，在钢块重力的作用下，超声波测距传感器的发射端和接收端始终竖直向下，确保可以正确检测到卷帘轴左右两端的竖直高度。

1.4水平矫正装置

主要由轴承、无缝钢管、连接钢件、抱死装置组成（如图3）。其中抱死装置主要由橡胶套、拉力弹簧、电磁离合器和支架组成（如图4）。水平校正机构通过轴承可以有效地实现转动；无缝钢管通过连接钢件与抱死装置连为一体。打开抱死装置（即电磁离合器吸合，将支架吸上，橡胶套将无缝钢管抱死），无缝钢管因受到橡胶套的摩擦力而不能上下移动，水平校正机构的有效长度不变，卷帘轴一端只能原地转动而不能沿墙体上下移动；关闭抱死装置（即电磁离合器分开，在弹簧拉力的作用下拉动支架带动橡胶套将无缝钢管分开），无缝钢管可以上下移动，水平校正机构的有效长度发生变化，卷帘轴一端既能原地转动又能沿墙体上下移动。当卷帘轴一端发生倾斜时，打开相应位置的电磁离合器，可以实现卷帘轴水平矫正。

2控制系统硬件结构设计

控制系统硬件主要由单片机、遥控器、GSM模块、SD卡、测距模块和动作执行器件组成（如图5）。可以实现手动、近程遥控和远程手机短信三种模式控制。其中测距模块可以检测卷帘轴的倾斜程度，通过启动相应的执行器件，完成卷帘轴的自动水平矫正。

2.1单片机选择

STM32系列单片机是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核的单片机[6～9]。该系统是STM32F103增强型，其时钟频率达到72 MHz，是同类型中性能最高的产品。片上资源丰富，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。

2.2遥控器设计

遥控器可使用户在日光温室不同位置完成卷帘和闭帘操作任务，避免了每次操作都必须到指定位置手动上电的麻烦。遥控器分为发射模块和接收模块，其中两者的地址一一对应。发射模块采用PT2262芯片进行编码，内配有电池，工作频率为315 MHz，最大传输距离约100 m。接收模块采用PT2272芯片进行解码。

遥控器上有A、B、C三个不带锁按键，按键之间采用互锁式接线保护，定义A键控制电动机正转，将草（布）帘卷起，B键控制电动机反转，将草（布）帘卷下，C键控制电动机停止。

2.3GSM模块设计

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。TC35i是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线，SIM卡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1.2～11.5 kb/s，它支持Text和PDU格式的短消息，Text模式收发短信代码简单，实现起来十分容易，但最大的缺点是不能收发中文短信；而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信[10]。

TC35i与单片机通过USART进行数据通信，设定通信速率为9 600 kbps，8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。当单片机检测到TC35i无法收发短信时，判定模块死机，通过控制复位端口使其重新工作。

2.4测距模块设计

采用超声波测距传感器来检测卷帘轴两端的竖直高度，通过一定的几何运算得到卷帘轴左右两端的行走轨迹差，当行走轨迹差超过设定值时，判定卷帘轴发生倾斜。由于超声波的声速与温度有关[11]，两个超声波测距传感器安装在卷帘轴的两端，相距较远、布线麻烦而且温度变化较大，所以采用无线串口进行数据传输并加温度补偿；在卷帘的过程中，超声波传感器会发生摆动引起测距偏差，所以外加角度传感器进行矫正。

2.5SD卡系统设计

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，具有体积小、容量大、数据传输快、移动灵活、安全性能好等优点，是许多便携式电子仪器理想的外部存储介质[12]。采用SD卡可以存储手机号码、密码、卷帘机的运行状态、卷帘轴两端的高度、短信安全时间、卷帘和闭帘安全时间以及卷帘轴左右两端的行走轨迹差等信息。

2.6动作执行器件设计

动作执行器件包括按钮、继电器、交流接触器、行程开关和电磁离合器。按钮、继电器、交流接触器和行程开关采用自锁、互锁方式接线，控制电动机正转、反转和停止[13]，并且线路中串入电动机保护器，当出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心时，切断三相电源予以保护。卷帘轴一端发生倾斜时，通过启动相应位置的电磁离合器实现自动水平矫正。行程开关分别安装在日光温室的顶部和底部，在卷帘过程中可以有效地起到限位保护的作用。

3控制系统软件设计

控制系统软件设计包括主程序设计和短信程序设计，主程序设计主要通过检测卷帘轴倾斜程度完成自动水平矫正，短信程序设计主要通过单片机解码与编码完成短信的发送与接收。

3.1主程序设计

首先初始化，读取当前时间，系统进入监听流程，判断是否收到短信；当收到短信后，对短信进行处理并提取当前短信发送的时间，判断是否在设定的短信安全时间范围内；若在范围内，提取短信中的控制指令，否则不提取短信指令。当接收到（按钮、遥控器和手机短信）卷帘指令后，进行卷帘并判断卷帘轴两端是否倾斜，当倾斜时，打开相应位置的电磁离合器，等到两端水平后，关闭电磁离合器。当接收到（按钮、遥控器、行程开关）停止指令后，停止卷帘并返回短信告知用户，依次循环执行（如图6）。

在系统中设定卷帘和闭帘保护时间，在卷帘机工作的过程中，如果卷帘轴碰到行程开关后卷帘机没有停止，在保护时间的作用下启动程序停止卷帘，提高了系统的安全系数。

3.2短信程序设计

单片机通过串口跟GSM模块进行通信，短信发送时，首先发送“AT+CMGF=1＼r”，将GSM模式设置为Text格式，然后发送“AT+CMGS=“***********”＼r”（具体号码由用户定），进行手机号码设置，接着发送短信控制指令，最后发送十六进制“1A”，就可以将短信发出去。短信接收时，每隔10 s向GSM模块发送“AT+CMGL=1＼r”指令，检测是否有新短信接收，当接收到短信后，对短信指令进行处理，并执行相应的控制，完成卷帘和闭帘工作。单片机每次向GSM模块发送AT指令，GSM模块都会向单片机返回一些指令，在1 min之内如果单片机接收不到GSM模块返回的指令，表示GSM模块死机，通过控制复位端口使其复位后重新工作。

4结论

采用双动力机构，解决了侧置卷轴上推式卷帘机卷帘过程中由于卷帘轴受到的扭矩不平衡远离动力一端卷不到位的问题。位置检测装置可以实时检测卷帘轴两端的倾斜程度，结合水平校正装置可以实现卷帘轴自动水平校正，行程开关和时间保护实现了双重限位保护功能，提高了系统的安全系数。卷帘机拥有手动、近程遥控和远程手机短信三种控制模式，遥控模式避免了每次操作都必须到指定位置手动上电的麻烦，天气突变时，用户可以在家通过短信指令启动卷帘机及时关闭帘子。通过设定短信安全时间，可以有效避免在移动通信信号不好的情况下，控制器晚上接收到白天用户发送的开启卷帘机的短信指令将帘子卷起而冻伤蔬菜的情况发生。

参考文献：

[1]郑文刚，赵春江，王纪华.温室智能控制的研究进展[J].农业网络信息，2004（2）：8-11.

[2]王克安，李絮花，吕晓惠.不同结构日光温室温湿度变化规律及其对番茄产量和病害的影响[J].山东农业科学，2011（3）：33-36.

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[4]农业部规划设计研究院设施农业研究所.日光温室卷帘机安全隐患分析和预防[J].农业工程技术，2011（2）：22-24.

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[8]王永虹， 徐炜， 郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京： 北京航空航天大学出版社， 2008：125-163.

[9]陈福彬，伍毅，王铁流. 基于STM32的人行通道智能控制与管理系统设计[J].自动化与仪表，2010（1）：45-48.

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[11]张谦琳.超声波检测原理和方法[M].合肥：中国科技大学出版社， 1993：12-20.

[12]张华，吴欣，王大星. 基于ARM7的SD卡读写控制在数据采集系统中的应用[J].电子技术应用，2009（7）：38-41.

[13]史国生，鞠勇.电气控制与可编程控制器技术实训教程[M].北京：化学工业出版社，2010：2-11.（上接第20页）设，增加农民收入，加快社会主义新农村建设步伐。

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TC35i与单片机通过USART进行数据通信，设定通信速率为9 600 kbps，8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。当单片机检测到TC35i无法收发短信时，判定模块死机，通过控制复位端口使其重新工作。

2.4测距模块设计

采用超声波测距传感器来检测卷帘轴两端的竖直高度，通过一定的几何运算得到卷帘轴左右两端的行走轨迹差，当行走轨迹差超过设定值时，判定卷帘轴发生倾斜。由于超声波的声速与温度有关[11]，两个超声波测距传感器安装在卷帘轴的两端，相距较远、布线麻烦而且温度变化较大，所以采用无线串口进行数据传输并加温度补偿；在卷帘的过程中，超声波传感器会发生摆动引起测距偏差，所以外加角度传感器进行矫正。

2.5SD卡系统设计

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，具有体积小、容量大、数据传输快、移动灵活、安全性能好等优点，是许多便携式电子仪器理想的外部存储介质[12]。采用SD卡可以存储手机号码、密码、卷帘机的运行状态、卷帘轴两端的高度、短信安全时间、卷帘和闭帘安全时间以及卷帘轴左右两端的行走轨迹差等信息。

2.6动作执行器件设计

动作执行器件包括按钮、继电器、交流接触器、行程开关和电磁离合器。按钮、继电器、交流接触器和行程开关采用自锁、互锁方式接线，控制电动机正转、反转和停止[13]，并且线路中串入电动机保护器，当出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心时，切断三相电源予以保护。卷帘轴一端发生倾斜时，通过启动相应位置的电磁离合器实现自动水平矫正。行程开关分别安装在日光温室的顶部和底部，在卷帘过程中可以有效地起到限位保护的作用。

3控制系统软件设计

控制系统软件设计包括主程序设计和短信程序设计，主程序设计主要通过检测卷帘轴倾斜程度完成自动水平矫正，短信程序设计主要通过单片机解码与编码完成短信的发送与接收。

3.1主程序设计

首先初始化，读取当前时间，系统进入监听流程，判断是否收到短信；当收到短信后，对短信进行处理并提取当前短信发送的时间，判断是否在设定的短信安全时间范围内；若在范围内，提取短信中的控制指令，否则不提取短信指令。当接收到（按钮、遥控器和手机短信）卷帘指令后，进行卷帘并判断卷帘轴两端是否倾斜，当倾斜时，打开相应位置的电磁离合器，等到两端水平后，关闭电磁离合器。当接收到（按钮、遥控器、行程开关）停止指令后，停止卷帘并返回短信告知用户，依次循环执行（如图6）。

在系统中设定卷帘和闭帘保护时间，在卷帘机工作的过程中，如果卷帘轴碰到行程开关后卷帘机没有停止，在保护时间的作用下启动程序停止卷帘，提高了系统的安全系数。

3.2短信程序设计

单片机通过串口跟GSM模块进行通信，短信发送时，首先发送“AT+CMGF=1＼r”，将GSM模式设置为Text格式，然后发送“AT+CMGS=“***********”＼r”（具体号码由用户定），进行手机号码设置，接着发送短信控制指令，最后发送十六进制“1A”，就可以将短信发出去。短信接收时，每隔10 s向GSM模块发送“AT+CMGL=1＼r”指令，检测是否有新短信接收，当接收到短信后，对短信指令进行处理，并执行相应的控制，完成卷帘和闭帘工作。单片机每次向GSM模块发送AT指令，GSM模块都会向单片机返回一些指令，在1 min之内如果单片机接收不到GSM模块返回的指令，表示GSM模块死机，通过控制复位端口使其复位后重新工作。

4结论

采用双动力机构，解决了侧置卷轴上推式卷帘机卷帘过程中由于卷帘轴受到的扭矩不平衡远离动力一端卷不到位的问题。位置检测装置可以实时检测卷帘轴两端的倾斜程度，结合水平校正装置可以实现卷帘轴自动水平校正，行程开关和时间保护实现了双重限位保护功能，提高了系统的安全系数。卷帘机拥有手动、近程遥控和远程手机短信三种控制模式，遥控模式避免了每次操作都必须到指定位置手动上电的麻烦，天气突变时，用户可以在家通过短信指令启动卷帘机及时关闭帘子。通过设定短信安全时间，可以有效避免在移动通信信号不好的情况下，控制器晚上接收到白天用户发送的开启卷帘机的短信指令将帘子卷起而冻伤蔬菜的情况发生。

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TC35i与单片机通过USART进行数据通信，设定通信速率为9 600 kbps，8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。当单片机检测到TC35i无法收发短信时，判定模块死机，通过控制复位端口使其重新工作。

2.4测距模块设计

采用超声波测距传感器来检测卷帘轴两端的竖直高度，通过一定的几何运算得到卷帘轴左右两端的行走轨迹差，当行走轨迹差超过设定值时，判定卷帘轴发生倾斜。由于超声波的声速与温度有关[11]，两个超声波测距传感器安装在卷帘轴的两端，相距较远、布线麻烦而且温度变化较大，所以采用无线串口进行数据传输并加温度补偿；在卷帘的过程中，超声波传感器会发生摆动引起测距偏差，所以外加角度传感器进行矫正。

2.5SD卡系统设计

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，具有体积小、容量大、数据传输快、移动灵活、安全性能好等优点，是许多便携式电子仪器理想的外部存储介质[12]。采用SD卡可以存储手机号码、密码、卷帘机的运行状态、卷帘轴两端的高度、短信安全时间、卷帘和闭帘安全时间以及卷帘轴左右两端的行走轨迹差等信息。

2.6动作执行器件设计

动作执行器件包括按钮、继电器、交流接触器、行程开关和电磁离合器。按钮、继电器、交流接触器和行程开关采用自锁、互锁方式接线，控制电动机正转、反转和停止[13]，并且线路中串入电动机保护器，当出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心时，切断三相电源予以保护。卷帘轴一端发生倾斜时，通过启动相应位置的电磁离合器实现自动水平矫正。行程开关分别安装在日光温室的顶部和底部，在卷帘过程中可以有效地起到限位保护的作用。

3控制系统软件设计

控制系统软件设计包括主程序设计和短信程序设计，主程序设计主要通过检测卷帘轴倾斜程度完成自动水平矫正，短信程序设计主要通过单片机解码与编码完成短信的发送与接收。

3.1主程序设计

首先初始化，读取当前时间，系统进入监听流程，判断是否收到短信；当收到短信后，对短信进行处理并提取当前短信发送的时间，判断是否在设定的短信安全时间范围内；若在范围内，提取短信中的控制指令，否则不提取短信指令。当接收到（按钮、遥控器和手机短信）卷帘指令后，进行卷帘并判断卷帘轴两端是否倾斜，当倾斜时，打开相应位置的电磁离合器，等到两端水平后，关闭电磁离合器。当接收到（按钮、遥控器、行程开关）停止指令后，停止卷帘并返回短信告知用户，依次循环执行（如图6）。

在系统中设定卷帘和闭帘保护时间，在卷帘机工作的过程中，如果卷帘轴碰到行程开关后卷帘机没有停止，在保护时间的作用下启动程序停止卷帘，提高了系统的安全系数。

3.2短信程序设计

单片机通过串口跟GSM模块进行通信，短信发送时，首先发送“AT+CMGF=1＼r”，将GSM模式设置为Text格式，然后发送“AT+CMGS=“***********”＼r”（具体号码由用户定），进行手机号码设置，接着发送短信控制指令，最后发送十六进制“1A”，就可以将短信发出去。短信接收时，每隔10 s向GSM模块发送“AT+CMGL=1＼r”指令，检测是否有新短信接收，当接收到短信后，对短信指令进行处理，并执行相应的控制，完成卷帘和闭帘工作。单片机每次向GSM模块发送AT指令，GSM模块都会向单片机返回一些指令，在1 min之内如果单片机接收不到GSM模块返回的指令，表示GSM模块死机，通过控制复位端口使其复位后重新工作。

4结论

采用双动力机构，解决了侧置卷轴上推式卷帘机卷帘过程中由于卷帘轴受到的扭矩不平衡远离动力一端卷不到位的问题。位置检测装置可以实时检测卷帘轴两端的倾斜程度，结合水平校正装置可以实现卷帘轴自动水平校正，行程开关和时间保护实现了双重限位保护功能，提高了系统的安全系数。卷帘机拥有手动、近程遥控和远程手机短信三种控制模式，遥控模式避免了每次操作都必须到指定位置手动上电的麻烦，天气突变时，用户可以在家通过短信指令启动卷帘机及时关闭帘子。通过设定短信安全时间，可以有效避免在移动通信信号不好的情况下，控制器晚上接收到白天用户发送的开启卷帘机的短信指令将帘子卷起而冻伤蔬菜的情况发生。

参考文献：

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