基于北斗定位的視日追蹤中草藥晾曬機的設(shè)計

魏亞杰 馬霖惠 邱文琪 孫銘鈺 師澤群

摘要：中草藥在進行采摘后的初加工需要對其進行切片晾曬，研磨成粉。而傳統(tǒng)中草藥的干燥晾曬是在太陽光下進行的，晾曬場地具有局限性，且太陽光強和光照方向是實時變化的，不能持續(xù)性地高效利用太陽光照就使得一般人工晾曬需要周期較長。本文講解了一款中草藥晾曬機的設(shè)計，該機器可以通過跟蹤系統(tǒng)高效利用太陽能，完成自動晾曬，以此便捷相關(guān)生產(chǎn)生活作業(yè)并順應(yīng)社會發(fā)展高效利用清潔能源。

關(guān)鍵字：北斗定位;中草藥;機器人

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

以“中草藥晾曬”為關(guān)鍵詞，研究數(shù)據(jù)綜合收錄了中外文獻的中國知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺兩大網(wǎng)站發(fā)表的相關(guān)文獻加以分析。

國外發(fā)表的中草藥晾曬裝置相關(guān)文獻暫且未查詢到。國內(nèi)關(guān)于中草藥晾曬裝置共發(fā)文45篇，最早發(fā)文于2003年，設(shè)計人韓希英提出中草藥晾曬器并申請專利，其設(shè)計概念為羅底以鋼絲網(wǎng)制作增加通氣性能，羅底下方放置木板防細粉藥物掉落，裝置主要性能為通風(fēng)透氣，加快晾曬速度。其中2016年，發(fā)明人唐燕明發(fā)明了一款具有追蹤太陽功能的中草藥晾曬板系統(tǒng)，系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向裝置、回轉(zhuǎn)裝置、控制裝置、機架以及驅(qū)動電動機，主要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最新發(fā)文于2020年6月，截止2020年9月份全年共發(fā)文7篇，其中設(shè)計者樓國樺最新提出在設(shè)備中設(shè)檢測機構(gòu)，當(dāng)檢測天氣異常時可自動收納中草藥。國內(nèi)關(guān)于中草藥晾曬裝置設(shè)計理念大概可分為三種，一種為分層晾曬，有效增加晾曬數(shù)量;一種為通過設(shè)通氣孔、改善晾曬架材質(zhì)等提高通氣程度，加快晾曬速度;另一種即增設(shè)烘干系統(tǒng)，在陰雨天對中草藥進行烘干作用，防止發(fā)霉。綜上，國內(nèi)對于中草藥晾曬多采用傳統(tǒng)人工方法，對于自動晾曬、自動收納以及智能手機控制缺乏一定的研究。

2.研究內(nèi)容

（1）太陽能跟蹤系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用的支架為X-Y雙軸設(shè)計，可根據(jù)太陽的不同角度實現(xiàn)全方位的跟蹤。結(jié)構(gòu)由一號電機帶動二號電機水平方向旋轉(zhuǎn)，二號電機帶動晾曬板垂直旋轉(zhuǎn)。本文論述的中草藥晾曬機依據(jù)視日運動軌跡跟蹤原理對太陽能實現(xiàn)實時監(jiān)測、跟蹤功能。

視日運動軌跡跟蹤是一種利用天文地理信息的主動式跟蹤方法，即根據(jù)太陽的運動軌跡與當(dāng)?shù)貢r刻、緯度和赤緯角計算出太陽的高度角和方位角。北斗衛(wèi)星于今年組網(wǎng)成功并正式投入商用，定位導(dǎo)航系統(tǒng)強大，因此將北斗定位原理應(yīng)用到太陽跟蹤領(lǐng)域是很有必要性。

該機器計劃利用北斗模塊獲取當(dāng)前位置的經(jīng)緯度位置和時間通過STM32單片機計算套用高度角公式和方位角公式得到當(dāng)前太陽方位，確定俯仰角為電機驅(qū)動晾曬版轉(zhuǎn)動提供信息。用于視日運動軌跡方法的兩種常見跟蹤運動控制方法包括：連續(xù)跟蹤和間歇跟蹤。太陽的高度角與方位角在發(fā)生變化時是不均勻的而且還隨日期而變化。因此，系統(tǒng)采用間歇跟蹤方法，通過給定時間間隔的方式來達到調(diào)整晾曬板的目的，在時間間隔之內(nèi)，晾曬板所在當(dāng)前機構(gòu)的位置固定不變，從而實現(xiàn)對太陽能的實時跟蹤。

（2）自動收取

晾曬作業(yè)時鋪攤面積大，晾曬完畢后收取工作量多，考慮到天氣因素（如臨時降水）等各種需要即時收取的情況，我們追加設(shè)計了自動收取功能。通過功能按鍵或工作人員遠程控制驅(qū)動Y軸使晾曬板調(diào)整至一定傾斜角度，中草藥克服靜摩擦力落入收儲箱中。收儲箱采用搖蓋設(shè)計，靈活搖蓋自動閉合，晾曬版采用窄六邊形設(shè)計，其中一條窄邊于收儲箱搖蓋契合，便于蓋子打開，其余五邊加上防掉落擋板保證晾曬草藥有序滑落。

（3）避風(fēng)功能

中草藥晾曬機結(jié)合天氣因素、裝置設(shè)計因素等加入風(fēng)傳感器用于實時監(jiān)測風(fēng)速等級，避免大風(fēng)帶來的不穩(wěn)定性對中草藥和裝置造成的損失。在設(shè)置好基準(zhǔn)風(fēng)向之后， 風(fēng)傳感器能夠準(zhǔn)確將風(fēng)向和風(fēng)速信號轉(zhuǎn)換成電流， 并將信號傳送至單片機。默認(rèn)情況下，當(dāng)風(fēng)傳感器檢測到風(fēng)速等級<5級時，只進行追蹤功能;當(dāng)風(fēng)速>=5級時，單片機控制電機轉(zhuǎn)動，并由偏航編碼器計算此時晾曬板與風(fēng)向的夾角，調(diào)整晾曬板角度使晾曬板與風(fēng)向平行，避免大風(fēng)帶來的損失;當(dāng)風(fēng)傳感器檢測到風(fēng)速等級>=8級時，對裝置和晾曬物造成直接影響則自動收取后進行避風(fēng)動作。用戶終端可在“小曬助手”APP根據(jù)晾曬板大小自行設(shè)置風(fēng)速閾值。

（4）遠程控制

本設(shè)計所采用的控制器以單片機為核心，配置ATK-ESP8266串口WiFi模塊，連接到物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，云端發(fā)送數(shù)據(jù)到8266模塊，用戶終端連接熱點通過“小曬助手”實現(xiàn)對裝置系統(tǒng)控制。調(diào)用天氣預(yù)報查詢接口，根據(jù)經(jīng)緯度或城市名查詢天氣情況，給晾曬工作提供參考。在遠程控制的手機界面加入天氣和風(fēng)速顯示，同時還有自動收取、定時提醒功能，便捷晾曬作業(yè)。

3.創(chuàng)新點與優(yōu)勢

（1）裝載北斗模塊。目前 BDS 系統(tǒng)已經(jīng)具備全球定位服務(wù)能力，且是亞太地區(qū)定位性能最優(yōu)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，建成后將成為全球定位性能最優(yōu)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一。通過裝在北斗模塊提高太陽能系統(tǒng)精確追蹤太陽方位的可靠性，并以此調(diào)整晾曬板的角度和俯仰角達到更高的晾曬效率。

（2）裝載避風(fēng)系統(tǒng)。通過風(fēng)向傳感器檢測到的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)字信號傳遞給系統(tǒng)控制單元令晾曬板調(diào)整避風(fēng)動作，使晾曬平面與風(fēng)向平行，保護太陽能跟蹤系統(tǒng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）自動和定時收取功能。晾曬板斜下方設(shè)置有搖蓋設(shè)計的收儲箱，晾曬板被設(shè)計為窄六邊形，使其在收集時具有更高的準(zhǔn)確度。通過物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，當(dāng)遠程控制命令下達時，晾曬板轉(zhuǎn)動使中草藥材滑落至收集箱中。

4.結(jié)束語

中草藥在進行采摘后的初加工需要對其進行切片晾曬，研磨成粉。而傳統(tǒng)中草藥的干燥晾曬是在太陽光下進行的，晾曬場地具有局限性，且太陽光強和光照方向是實時變化的，不能持續(xù)性地高效利用太陽光照就使得一般人工晾曬需要周期較長。本文設(shè)計的這款中草藥晾曬機有效的解決了晾曬時間長，人工勞作大等問題，推進了中草藥的發(fā)展。

參考文獻：

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