基于北斗定位的視日追蹤中草藥晾曬機的設計

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并順應社會發展高效利用清潔能源。

關鍵字：北斗定位;中草藥;機器人

1.國內外研究現狀和發展動態

以“中草藥晾曬”為關鍵詞，研究數據綜合收錄了中外文獻的中國知網和萬方數據知識服務平臺兩大網站發表的相關文獻加以分析。

國外發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文45篇，最早發文于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，發明人唐燕明發明了一款具有追蹤太陽功能的中草藥晾曬板系統，系統包括轉向裝置、回轉裝置、控制裝置、機架以及驅動電動機，主要研究系統結構的穩定性。最新發文于2020年6月，截止2020年9月份全年共發文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，在陰雨天對中草藥進行烘干作用，防止發霉。綜上，國內對于中草藥晾曬多采用傳統人工方法，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

本系統采用的支架為X-Y雙軸設計，可根據太陽的不同角度實現全方位的跟蹤。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視日運動軌跡跟蹤原理對太陽能實現實時監測、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，即根據太陽的運動軌跡與當地時刻、緯度和赤緯角計算出太陽的高度角和方位角。北斗衛星于今年組網成功并正式投入商用，定位導航系統強大，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：連續跟蹤和間歇跟蹤。太陽的高度角與方位角在發生變化時是不均勻的而且還隨日期而變化。因此，系統采用間歇跟蹤方法，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，從而實現對太陽能的實時跟蹤。

（2）自動收取

晾曬作業時鋪攤面積大，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測風速等級，避免大風帶來的不穩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，連接到物聯網云服務器，云端發送數據到8266模塊，用戶終端連接熱點通過“小曬助手”實現對裝置系統控制。調用天氣預報查詢接口，根據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。

3.創新點與優勢

（1）裝載北斗模塊。目前 BDS 系統已經具備全球定位服務能力，且是亞太地區定位性能最優的衛星導航系統，建成后將成為全球定位性能最優的衛星導航系統之一。通過裝在北斗模塊提高太陽能系統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。通過風向傳感器檢測到的風速和風向數字信號傳遞給系統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，提高系統穩定性。

（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。通過物聯網控制模塊，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，推進了中草藥的發展。

參考文獻：

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