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，以此便捷相關生產生活作業(yè)并順應社會發(fā)展高效利用清潔能源。

關鍵字：北斗定位;中草藥;機器人

1.國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

以“中草藥晾曬”為關鍵詞，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)知識服務平臺兩大網(wǎng)站發(fā)表的相關文獻加以分析。

國外發(fā)表的中草藥晾曬裝置相關文獻暫且未查詢到。國內關于中草藥晾曬裝置共發(fā)文45篇，最早發(fā)文于2003年，設計人韓希英提出中草藥晾曬器并申請專利，其設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)包括轉向裝置、回轉裝置、控制裝置、機架以及驅動電動機，主要研究系統(tǒng)結構的穩(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，其中設計者樓國樺最新提出在設備中設檢測機構，當檢測天氣異常時可自動收納中草藥。國內關于中草藥晾曬裝置設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;一種為通過設通氣孔、改善晾曬架材質等提高通氣程度，加快晾曬速度;另一種即增設烘干系統(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雙軸設計，可根據(jù)太陽的不同角度實現(xiàn)全方位的跟蹤。結構由一號電機帶動二號電機水平方向旋轉，二號電機帶動晾曬板垂直旋轉。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?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，定位導航系統(tǒng)強大，因此將北斗定位原理應用到太陽跟蹤領域是很有必要性。

該機器計劃利用北斗模塊獲取當前位置的經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前太陽方位，確定俯仰角為電機驅動晾曬版轉動提供信息。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整晾曬板的目的，在時間間隔之內，晾曬板所在當前機構的位置固定不變，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，我們追加設計了自動收取功能。通過功能按鍵或工作人員遠程控制驅動Y軸使晾曬板調整至一定傾斜角度，中草藥克服靜摩擦力落入收儲箱中。收儲箱采用搖蓋設計，靈活搖蓋自動閉合，晾曬版采用窄六邊形設計，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）避風功能

中草藥晾曬機結合天氣因素、裝置設計因素等加入風傳感器用于實時監(jiān)測風速等級，避免大風帶來的不穩(wěn)定性對中草藥和裝置造成的損失。在設置好基準風向之后， 風傳感器能夠準確將風向和風速信號轉換成電流， 并將信號傳送至單片機。默認情況下，當風傳感器檢測到風速等級<5級時，只進行追蹤功能;當風速>=5級時，單片機控制電機轉動，并由偏航編碼器計算此時晾曬板與風向的夾角，調整晾曬板角度使晾曬板與風向平行，避免大風帶來的損失;當風傳感器檢測到風速等級>=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動作。用戶終端可在“小曬助手”APP根據(jù)晾曬板大小自行設置風速閾值。

（4）遠程控制

本設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。調用天氣預報查詢接口，根據(jù)經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)已經具備全球定位服務能力，且是亞太地區(qū)定位性能最優(yōu)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，建成后將成為全球定位性能最優(yōu)的衛(wèi)星導航系統(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）裝載避風系統(tǒng)。通過風向傳感器檢測到的風速和風向數(shù)字信號傳遞給系統(tǒng)控制單元令晾曬板調整避風動作，使晾曬平面與風向平行，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。晾曬板斜下方設置有搖蓋設計的收儲箱，晾曬板被設計為窄六邊形，使其在收集時具有更高的準確度。通過物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，當遠程控制命令下達時，晾曬板轉動使中草藥材滑落至收集箱中。

4.結束語

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。

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