吳東林，張玉華

(漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河　462300)

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基于多跳路由算法的地膜回收機械裝置優(yōu)化

吳東林，張玉華

(漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河462300)

摘要：為了增強地膜回收機的通信能力，使其適應(yīng)不同地膜密度的地塊，提高地膜回收機的工作效率，實現(xiàn)多地膜回收機的協(xié)同控制，設(shè)計了一種新的基于多跳無線網(wǎng)絡(luò)的地膜回收機和多回收機協(xié)同控制系統(tǒng)。改進后的地膜回收機在起膜鏟的軸上裝有起膜阻力傳感器，可以實時測試起膜阻力，調(diào)整起膜機的速度，實現(xiàn)速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)不同的起膜機速度，在卷膜機上裝有速度傳感器，可以對卷膜速度進行控制，提高了起膜和卷膜的作業(yè)精度。同時，設(shè)計了5點的多跳通信網(wǎng)絡(luò)，利用無線局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了地膜機的協(xié)同控制。最后對地膜回收機的性能進行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：殘膜機作業(yè)的回收率達到了90%以上，其作業(yè)時間較短，滿足高效殘膜回收機的設(shè)計需求，可以在其他農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化機械控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中進行推廣

關(guān)鍵詞：地膜回收機；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；多跳網(wǎng)絡(luò)；起膜鏟；傳感器

0引言

地膜覆蓋技術(shù)不僅可以減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)速度，而且可以起到抑制雜草生長、提升大田地溫的作用，因此在我國北方干旱與半干旱地區(qū)的農(nóng)作物種植中得到了普遍的推廣和應(yīng)用。雖然地膜使用較多，但地膜回收率較低。據(jù)農(nóng)業(yè)部專項調(diào)查，每年殘存在田間、土壤、溝河中的塑料薄膜至少占使用總量10%以上，現(xiàn)累積殘存量已在百萬噸以上。殘留地膜不僅會污染環(huán)境，而且能夠造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。一般地膜的厚度較薄，容易斷裂，回收難度較大，因此只有研究出新型實用的機具，才能加強對地膜的回收，保證農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1地膜回收機總體設(shè)計

在國內(nèi)，由于經(jīng)濟原因，一般種植采用的地膜厚度大約在0.006mm，明顯低于國際標(biāo)準(zhǔn)；同時，使用的是不可降解的聚乙烯和聚氯乙烯高分子化合物，地膜經(jīng)過播種和耕地及收獲等環(huán)節(jié)，會產(chǎn)生斷裂，較難清理，工作強度較大。本次研究擬通過設(shè)計，對地膜回收機進行改造，提高其工作效率。設(shè)計框架如圖1所示。

圖1　地膜回收機控制系統(tǒng)設(shè)計框架

為了使地膜回收機適應(yīng)不同地塊和不同地膜等具體工作環(huán)境，利用傳感器對地膜的回收阻力進行采集，并據(jù)此實現(xiàn)伺服電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實現(xiàn)地膜回收機的自適應(yīng)調(diào)速。為了提高工作效率，通過多跳網(wǎng)絡(luò)對多地膜回收機進行協(xié)同控制，原理如圖2所示。

地膜阻力由一臺回收機的傳感器進行采集，然后將采集信號傳輸給PC機進行處理；PC機通過多跳網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信號，對多臺地膜回收機進行協(xié)同控制。

2機械結(jié)構(gòu)和多跳路由控制算法設(shè)計

為了增強地膜回收機的通信能力，使其適應(yīng)不同地膜密度的地塊，提高地膜回收機的工作效率，需要對地膜回收機的機械結(jié)構(gòu)進行改進。本次設(shè)計的地膜回收機應(yīng)用在苗期地膜回收，其回收機的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2　多地膜回收機協(xié)同控制多跳網(wǎng)絡(luò)框架

1.機架　2.懸掛架　3.卸膜膠帶　4.張緊輪

苗期地膜回收機主要由7部分組成，主要包括機架、起膜輪、卸膜輪、卸膜膠帶、集膜箱、松土鏟及地輪。起膜輪和卸膜輪均由地輪驅(qū)動，在機具上安裝有無線網(wǎng)絡(luò)傳感器，可以根據(jù)地膜阻力的大小采集地膜的密度信息數(shù)據(jù)。

圖4為設(shè)計的殘膜回收機的平面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，在起膜鏟裝的軸上裝有力傳感器，可以采集起膜阻力的大小數(shù)據(jù)。

1 .機架　2.傳動部件　3.地輪　4.起膜鏟

起膜鏟的主要結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。為了保證其能夠起不同深度的地膜，需要將其設(shè)計能夠深入到土壤內(nèi)一定深度，且要盡量減少對地膜的擾動，深度設(shè)計為40mm，選取入土角α為28°，入土隙角β為8°。

1.側(cè)導(dǎo)膜桿　2.上導(dǎo)膜桿　3.主支撐叉桿　4.固定橫梁

卷膜輥傳動設(shè)計如圖6所示。為了適應(yīng)不同的起膜機速度，在卷膜機上裝有速度傳感器，可以對卷膜速度進行控制。為了保證起膜鏟收起的地膜能及時被卷膜輥卷起，避免地膜滯留堵塞或拉斷現(xiàn)象，則在相同時間內(nèi)地輪前進距離應(yīng)與卷膜輥卷起的地膜長度一致，即

(1)

其中，D為地輪的直徑；d6為卷膜錕的直徑；w1為地輪的角速度；w4為卷膜錕角速度；t為地膜回收機的前進時間。由于卷膜輥始終被緊壓在卷膜驅(qū)動輥上，因此兩者的輪緣線速度相等，即

(2)

其中，d5為卷膜驅(qū)動錕的直徑。由鏈輪和齒輪傳動可得

(3)

其中，z1、z2、z3、z4分別為大、小鏈輪和大、小齒輪的齒數(shù)。綜合上述公式可得

(4)

因此，主要滿足改傳動比，便可以實現(xiàn)順利的卷膜。為了滿足不同地塊地膜順利起膜的需要，需要設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來使起膜機能夠自適應(yīng)不同地塊的變化。在一定的通信范圍內(nèi)，可以將其應(yīng)用在任意尺寸的地塊內(nèi)進行通信，根據(jù)公式(2)的計算，可以得到節(jié)點地址的偏移量如表1所示。傳感器節(jié)點分布及通信范圍如圖7所示。

圖6　卷膜錕傳動設(shè)計

圖7　傳感器節(jié)點分布和通信范圍

網(wǎng)絡(luò)深度d計算參數(shù)Cskip(d)0(A)Cm=231(B、C)Rm=213(D、E)Lm=20

當(dāng)B和C兩個節(jié)點接受到A節(jié)點的通信請求后，會向A點發(fā)出信息響應(yīng)，并將通信深度定義為1；同理，D和E兩個節(jié)點在接收到A發(fā)出的通信請求后，會將自身的路由深度定義為2。5個節(jié)點組成的路由表如表2所示。

表2　多跳節(jié)點自組織網(wǎng)絡(luò)路由表

在節(jié)點進行自組織通信時，節(jié)點可以收到同級或不同級的路由通信請求。為了節(jié)省通信能耗，可以選擇最短的通信路徑，然后更新路由表，從而大大提高了在不同地塊通信范圍內(nèi)，地膜回收機的通信能力。

3基于多跳路由的地膜回收機性能測試

為了驗證設(shè)計優(yōu)化的地膜回收機性能，對地膜回收機進行了測試，以苗期地膜回收機為研究對象，在地膜機上裝有無線傳感器，并在地塊內(nèi)使用無線路由器等設(shè)備進行無線網(wǎng)絡(luò)通信。地膜回收機性能測試如圖8所示。

圖8　地膜回收機性能測試照片

在地膜回收機上安裝有多跳路由算法的通信系統(tǒng)，在100m×100m的范圍內(nèi)使用5個無線路由器架構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)。為了測試不同通信半徑的多跳網(wǎng)絡(luò)性能，分布區(qū)半徑R為15、20、25m，得到的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點終結(jié)數(shù)目與測試輪數(shù)的變化曲線如圖9所示。由圖9可看出：在通信半徑為25m時，性能達到最佳狀態(tài)。

圖10為使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時節(jié)點的壽命測試曲線。由圖10可以看出：在3 500輪以內(nèi)測測試使用多跳網(wǎng)絡(luò)時期壽命周期要明顯高于不使用多跳網(wǎng)絡(luò)，從而驗證了移動多跳網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)越性。

圖11為使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時節(jié)點的能耗測試曲線。由圖11可以看出：在3 000輪以內(nèi)測測試使用多跳網(wǎng)絡(luò)能耗要明顯低于不使用多跳網(wǎng)絡(luò)，從而進一步驗證了多跳網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，因此可以應(yīng)用在地膜回收機的移動通信系統(tǒng)中。

圖9　終結(jié)節(jié)點數(shù)隨測試輪數(shù)的變化曲線

圖10　使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時節(jié)點壽命測試

圖11　使用和不使用多跳網(wǎng)絡(luò)時能量消耗測試

表3為殘膜回收機的回收率和作業(yè)時間的測試表。由表3可以看出：殘膜機作業(yè)的回收率較高，達到了90%以上，其作業(yè)時間較短，在100×100m的作業(yè)范圍內(nèi)，作業(yè)時間不超過過13min，滿足了高效殘膜回收機的設(shè)計需求。

表3　殘膜回收率和作業(yè)時間測試

4結(jié)論

依據(jù)殘膜回收機的作業(yè)原理，對起膜和卷膜機械裝置進行了改進，使地膜回收機可以根據(jù)地膜的密度進行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)前進速度，提高了地膜的回收精度和回收效率。依據(jù)多跳網(wǎng)絡(luò)的通信原理，設(shè)計了多地膜回收機協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)，利用無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)了地膜回收機的協(xié)同控制。對多跳通信網(wǎng)絡(luò)進行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：使用多跳網(wǎng)絡(luò)通信可以有效地延長節(jié)點的生命周期，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

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Optimization of Plastic Film Recycling Mechanism Based on Multi Hop Routing Algorithm

Wu Donglin, Zhang Yuhua

(Luohe Food Vocational College, Luohe 462300, China)

Abstract：In order to enhance the communication capacity of plastic recycling machine the adapt to different plastic film density plots, improve the work efficiency of the mulching film recovery machine, realize the coordinated control of multiple plastic film recycling machine, it designed a new multi hop wireless network of plastic recycling machine and recycling machine based on coordination control system. The modified film recycling machine is equipped with a film resistance sensor on the shaft of the film,which can be tested in real time. In order to be adaptive to the speed of the film, the film is equipped with a speed sensor, which can control the film speed and improve the operation accuracy of the film and film. A multi hop communication network with five points was designed, and the cooperative control of plastic film was realized by using wireless local area network. Finally the mulching film recovery machine performance was tested to find that plastic film machine operation recovery rate reached more than 90%, the operating time is short, which meet the demand of high residual film recovery machine design. The research can control other modernization of agriculture machinery of spread to the design process of the system.

Key words：plastic film recycling machine; adaptive adjustment; multi hop network; film shovel; sensor

中圖分類號：S223.5； TP242.6

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0209-05

作者簡介：吳東林(1977-)，男，河南汝南人，講師，碩士。通訊作者：張玉華(1979-)，女，河南臺前人，講師，(E-mail) yuliangjun1984@126.com。

基金項目：河南省科技廳科技攻關(guān)項目(12B520035)；漯河食品職業(yè)學(xué)院科技攻關(guān)項目(2014-JSJ-06);河南省社科聯(lián)項目(SKL-2014-791)

收稿日期：2015-07-16