基于北斗定位的视日追踪中草药晾晒机的设计

　　摘要：中草药在进行采摘后的初加工需要对其进行切片晾晒，研磨成粉。而传统中草药的干燥晾晒是在太阳光下进行的，晾晒场地具有局限性，且太阳光强和光照方向是实时变化的，不能持续性地高效利用太阳光照就使得一般人工晾晒需要周期较长。本文讲解了一款中草药晾晒机的设计，该机器可以通过跟踪系统高效利用太阳能，完成自动晾晒，以此便捷相关生产生活作业并顺应社会发展高效利用清洁能源。

　　关键字：北斗定位;中草药;机器人

　　1.国内外研究现状和发展动态

　　以“中草药晾晒”为关键词，研究数据综合收录了中外文献的中国知网和万方数据知识服务平台两大网站发表的相关文献加以分析。

　　国外发表的中草药晾晒装置相关文献暂且未查询到。国内关于中草药晾晒装置共发文45篇，最早发文于2003年，设计人韩希英提出中草药晾晒器并申请专利，其设计概念为罗底以钢丝网制作增加通气性能，罗底下方放置木板防细粉药物掉落，装置主要性能为通风透气，加快晾晒速度。其中2016年，发明人唐燕明发明了一款具有追踪太阳功能的中草药晾晒板系统，系统包括转向装置、回转装置、控制装置、机架以及驱动电动机，主要研究系统结构的稳定性。最新发文于2020年6月，截止2020年9月份全年共发文7篇，其中设计者楼国桦最新提出在设备中设检测机构，当检测天气异常时可自动收纳中草药。国内关于中草药晾晒装置设计理念大概可分为三种，一种为分层晾晒，有效增加晾晒数量;一种为通过设通气孔、改善晾晒架材质等提高通气程度，加快晾晒速度;另一种即增设烘干系统，在阴雨天对中草药进行烘干作用，防止发霉。综上，国内对于中草药晾晒多采用传统人工方法，对于自动晾晒、自动收纳以及智能手机控制缺乏一定的研究。

　　2.研究内容

　　(1)太阳能跟踪系统

　　本系统采用的支架为X-Y双轴设计，可根据太阳的不同角度实现全方位的跟踪。结构由一号电机带动二号电机水平方向旋转，二号电机带动晾晒板垂直旋转。本文论述的中草药晾晒机依据视日运动轨迹跟踪原理对太阳能实现实时监测、跟踪功能。

　　视日运动轨迹跟踪是一种利用天文地理信息的主动式跟踪方法，即根据太阳的运动轨迹与当地时刻、纬度和赤纬角计算出太阳的高度角和方位角。北斗卫星于今年组网成功并正式投入商用，定位导航系统强大，因此将北斗定位原理应用到太阳跟踪领域是很有必要性。

　　该机器计划利用北斗模块获取当前位置的经纬度位置和时间通过STM32单片机计算套用高度角公式和方位角公式得到当前太阳方位，确定俯仰角为电机驱动晾晒版转动提供信息。用于视日运动轨迹方法的两种常见跟踪运动控制方法包括：连续跟踪和间歇跟踪。太阳的高度角与方位角在发生变化时是不均匀的而且还随日期而变化。因此，系统采用间歇跟踪方法，通过给定时间间隔的方式来达到调整晾晒板的目的，在时间间隔之内，晾晒板所在当前机构的位置固定不变，从而实现对太阳能的实时跟踪。

　　(2)自动收取

　　晾晒作业时铺摊面积大，晾晒完毕后收取工作量多，考虑到天气因素(如临时降水)等各种需要即时收取的情况，我们追加设计了自动收取功能。通过功能按键或工作人员远程控制驱动Y轴使晾晒板调整至一定倾斜角度，中草药克服静摩擦力落入收储箱中。收储箱采用摇盖设计，灵活摇盖自动闭合，晾晒版采用窄六边形设计，其中一条窄边于收储箱摇盖契合，便于盖子打开，其余五边加上防掉落挡板保证晾晒草药有序滑落。

　　(3)避风功能

　　中草药晾晒机结合天气因素、装置设计因素等加入风传感器用于实时监测风速等级，避免大风带来的不稳定性对中草药和装置造成的损失。在设置好基准风向之后， 风传感器能够准确将风向和风速信号转换成电流， 并将信号传送至单片机。默认情况下，当风传感器检测到风速等级<5级时，只进行追踪功能;当风速>=5级时，单片机控制电机转动，并由偏航编码器计算此时晾晒板与风向的夹角，调整晾晒板角度使晾晒板与风向平行，避免大风带来的损失;当风传感器检测到風速等级>=8级时，对装置和晾晒物造成直接影响则自动收取后进行避风动作。用户终端可在“小晒助手”APP根据晾晒板大小自行设置风速阈值。

　　(4)远程控制

　　本设计所采用的控制器以单片机为核心，配置ATK-ESP8266串口WiFi模块，连接到物联网云服务器，云端发送数据到8266模块，用户终端连接热点通过“小晒助手”实现对装置系统控制。调用天气预报查询接口，根据经纬度或城市名查询天气情况，给晾晒工作提供参考。在远程控制的手机界面加入天气和风速显示，同时还有自动收取、定时提醒功能，便捷晾晒作业。

　　3.创新点与优势

　　(1)装载北斗模块。目前 BDS 系统已经具备全球定位服务能力，且是亚太地区定位性能最优的卫星导航系统，建成后将成为全球定位性能最优的卫星导航系统之一。通过装在北斗模块提高太阳能系统精确追踪太阳方位的可靠性，并以此调整晾晒板的角度和俯仰角达到更高的晾晒效率。

　　(2)装载避风系统。通过风向传感器检测到的风速和风向数字信号传递给系统控制单元令晾晒板调整避风动作，使晾晒平面与风向平行，保护太阳能跟踪系统，提高系统稳定性。

　　(3)自动和定时收取功能。晾晒板斜下方设置有摇盖设计的收储箱，晾晒板被设计为窄六边形，使其在收集时具有更高的准确度。通过物联网控制模块，当远程控制命令下达时，晾晒板转动使中草药材滑落至收集箱中。

　　4.结束语

　　中草药在进行采摘后的初加工需要对其进行切片晾晒，研磨成粉。而传统中草药的干燥晾晒是在太阳光下进行的，晾晒场地具有局限性，且太阳光强和光照方向是实时变化的，不能持续性地高效利用太阳光照就使得一般人工晾晒需要周期较长。本文设计的这款中草药晾晒机有效的解决了晾晒时间长，人工劳作大等问题，推进了中草药的发展。

　　参考文献：

　　[1]于素君，易昌华，李春芬，陈传庚.北斗卫星导航系统定位原理及其应用综述[J].物探装备，2020，30(01)：59-63.

　　[2]王敬平，姜鑫，褚少鹤，沈晨，黄子君.北斗卫星导航系统定位精度研究[J].软件，2019，40(10)：152-154.

　　[3]吴立国，苗振坤，魏娜，满大为，李艳娜，徐克生.我国中草药产业机械化发展现状及探索[J].林业机械与木工设备，2021，49(09)：13-18+21.

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文章名称： 基于北斗定位的视日追踪中草药晾晒机的设计

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