第 33 卷 增刊 1 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol.33 Supp.1 2017 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2017 1 中國日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢張國祥1,3，傅澤田1,2,3，張領(lǐng)先2,4，嚴(yán) 謹(jǐn)2，張 標(biāo)1,3，李鑫星2,3,4（ 1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 3. 食品質(zhì)量與安全北京實驗室，北京 100083； 4. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化重點實驗室，北京 100083） 摘 要： 自上世紀(jì) 90 年代以來，以設(shè)施蔬菜為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模化發(fā)展促進了日光溫室機械卷簾技術(shù)的產(chǎn)生，日光溫室機械卷簾技術(shù)在實際應(yīng)用中具體表現(xiàn)為國內(nèi)各種類型的日光溫室卷簾機。依據(jù)卷簾形式的不同，日光溫室卷簾機分為后置卷繩上拉式和棚面自走式 2 類。概述 2 大類日光溫室卷簾機的發(fā)展歷程及其主要技術(shù)特點，就其卷簾機械結(jié)構(gòu)、工作原理、制造等方面進行了詳細的針對性特點分析與技術(shù)對比，詳細闡述日光溫室機械卷簾技術(shù)在發(fā)展應(yīng)用過程中的 3種主要關(guān)鍵技術(shù)：日光溫室卷簾減速機技術(shù)、日光溫室卷簾位置檢測和控制技術(shù)、日光溫室機械卷簾安全保障技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。并針對目前的日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，指出日光溫室機械卷簾技術(shù)的重要發(fā)展方向和趨勢：日光溫室機械卷簾裝置向提高裝置卷簾效率和裝置適用性方向進行優(yōu)化；日光溫室機械卷簾安全保障技術(shù)得到更多關(guān)注和更大規(guī)模的發(fā)展應(yīng)用；通過環(huán)境傳感器技術(shù)、非接觸式測控技術(shù)等信息化手段，結(jié)合基于日光溫室卷簾的溫室環(huán)境預(yù)測模型形成的智能化、信息化的日光溫室機械卷簾控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞： 溫室；卷簾；機械；發(fā)展；智能化；信息化；機械卷簾安全保障；卷簾位置檢測和控制 doi： 10. 11975/j. issn. 1002-6819. 2017.z1.001 中圖分類號： S625.3 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1002-6819(2017)-Supp.1-0001-10 張國祥，傅澤田，張領(lǐng)先，嚴(yán) 謹(jǐn)，張 標(biāo)，李鑫星 . 中國日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017， 33(增刊 1)： 1 10. doi： 10.11975/j. issn.1002-6819.2017.z1.001 http:/www. tcsae. org Zhang Guoxiang, Fu Zetian, Zhang Lingxian, Yan Jin, Zhang Biao, Li Xinxing. Development status and prospect of mechanical rolling shutter technology in solar greenhouse in ChinaJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(Supp.1): 1 10. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819. 2017.z1.001 http:/www.tcsae.org 0 引 言20 世紀(jì) 90 年代以來， 以日光溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)在中國北方地區(qū)得到了迅速普及，為連續(xù)性的農(nóng)事活動和農(nóng)產(chǎn)品的提早或延后收獲、全年無間歇收獲提供了可能1-3。 日光溫室可以在夜間外界環(huán)境溫度較低的條件下，將后墻體晝間吸收的太陽能以熱量的形式散發(fā)出來，維持室內(nèi)溫度，滿足作物生長需要，相比傳統(tǒng)的加溫溫室每年可節(jié)煤 37 kg/m2，在當(dāng)今化石能源逐漸枯竭，環(huán)境惡化嚴(yán)重的背景下，日光溫室已成為中國設(shè)施農(nóng)業(yè)突破資源環(huán)境瓶頸、保持農(nóng)產(chǎn)品長期有效市場供給的重要手 段4-9。 日光溫室通過在棚面上覆蓋卷簾等保溫材料，可以有效地減少日光溫室在外界環(huán)境溫度較低情況下的熱量散失，將日光溫室棚室內(nèi)部溫度維持在作物生長發(fā)育所需較為適宜的范圍內(nèi)，滿足室內(nèi)種植作物生長和發(fā)育的需要，且卷簾可以在白天太陽光照過強時，用以遮陽或收稿日期： 2016-12-14 修訂日期： 2017-01-17 基金項目：北京市項目“葉類蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團隊建設(shè)專項資金項目 (BAIC07-2016)” ； 2017 教育部基本科研業(yè)務(wù)費支持 作者簡介：張國祥，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)裝備與機械化工程研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 100083。 Email： zhangguoxiangcau.edu.cn 通信作者：李鑫星，男，河北承德人，博士，副教授，研究方向為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與知識工程。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 100083。 Email： lxxcaucau.edu.cn 是在雨雪天氣為作物提供必要的保護10-11， 但是由于棚面面積較大，如果完全依靠人力進行卷簾的收放作業(yè)，費時費力又難以滿足作物生長所需要的光照時間，影響作物生長，且不適宜大規(guī)模作業(yè)生產(chǎn)，為適應(yīng)市場需求，日光溫室機械卷簾技術(shù)便因此產(chǎn)生。 日光溫室機械卷簾技術(shù)的廣泛應(yīng)用，減輕了人工勞動強度，大幅度減少日光溫室的卷簾作業(yè)時間，且由于機械卷簾速度快，可以實現(xiàn)早卷簾和晚放簾，增加了日光溫室內(nèi)種植作物的受照時間，有效地增加熱效應(yīng)，促進作物生長發(fā)育，從而提高了溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟效益12。 1 日光溫室卷簾機械裝置發(fā)展概述 在實際卷簾作業(yè)過程中，日光溫室卷簾機械裝置通常是指日光溫室卷簾機的硬件結(jié)構(gòu)部分。日光溫室卷簾機為中國具有完全知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，為中國獨有，是為了解決卷簾勞動強度大而發(fā)明的機械化設(shè)備，其發(fā)展歷史較短，但自發(fā)明以來不斷進行技術(shù)革新，目前市場上卷簾機種類繁多、形式多樣，但依照其卷簾方式的不同可分為后置卷繩上拉式卷簾機和棚面自走式卷簾機 2 大類13-15。 1.1 后置卷繩上拉式卷簾機 后置卷繩上拉式卷簾機，又稱“牽引式”、“上拉式”卷簾機等，是最早的卷簾機類型。目前常用的后置卷繩上拉式卷簾機，其工作基本原理是通過驅(qū)動主機轉(zhuǎn)c綜合研究 c關(guān)鍵技術(shù) c 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 2動卷繩桿，纏繞拉繩，牽引拉繩拉動卷簾，實現(xiàn)卷簾卷起；鋪放卷簾時，則利用卷簾自身質(zhì)量，使之沿棚面坡度自然滑落。驅(qū)動裝置一般安裝在后墻中間或在其一側(cè)的位置上，其輸出軸大多通過法蘭盤與軸承支架上的卷繩桿固結(jié)，以實現(xiàn)驅(qū)動力的傳遞。 后置卷繩上拉式卷簾機適用于各種棚長的日光溫室，甚至可以用于棚長達到 200 m 的日光溫室卷簾作業(yè)，對于卷簾桿的強度要求也較低，卷簾磨損小、壽命長，且可雙面卷簾，卷簾整齊；但其同樣存在牽引繩索纏繞混亂、整理不便等作業(yè)問題，且在安裝使用過程中，存在著眾多的安全隱患，是安全生產(chǎn)事故發(fā)生比例最多的卷簾機類型，且其鋪放卷簾主要依靠自身質(zhì)量，并沒有驅(qū)動力的存在，故不能用于棚面坡度較小溫室的卷簾作業(yè)。但從整體來看，后置卷繩上拉式簾機適用性較強，應(yīng)用廣泛12。 “第一代”的后置卷繩上拉式卷簾機由劉吉16在1992 年設(shè)計完成，如圖 1a 所示，通過主動輪和被動輪的滾動摩擦將動力傳遞給卷軸，卷軸旋轉(zhuǎn)纏繞牽引繩索，將卷簾拉起，從而進行卷簾操作，但是該裝置機構(gòu)較為復(fù)雜，且不能對卷簾進行整體卷鋪作業(yè)，其應(yīng)用也受到很大的限制。此后，韓宏偉17利用同時啟動若干雙軸電機驅(qū)動卷筒卷簾實現(xiàn)了卷簾的整體卷鋪作業(yè)（如圖 1b 所示） ，高福華等18通過在溫室后墻頂處安裝軸承支架和卷繩桿（如圖 1c 所示） ，采用鏈輪式傳動實現(xiàn)單機卷簾作業(yè)，其后有生維普19設(shè)計單級渦輪蝸桿減速裝置，可實現(xiàn)機構(gòu)自鎖，提高卷簾安全性，李永春20在 2000 年，通過溫室后墻布置的固定三角軸承支架安裝卷繩桿，在溫室后墻中間位置安裝動力裝置，采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速器，減速機輸出軸與卷繩桿連接，帶動卷繩桿牽引繩索，實現(xiàn)卷簾的卷起和鋪放，如圖 1d 所示，這種卷簾機已經(jīng)和目前普遍使用的后置卷繩上拉式卷簾機在卷簾形式上沒有太多的區(qū)別。 圖 1 后置卷繩上拉式卷簾機的形式變化 Fig.1 Development of rear upper pulling type rolling shutter machine 至 2008 年，李樹標(biāo)21設(shè)計了如圖 2 所示的后置絲杠式卷簾機，將變速箱與卷繩桿接合部位的一段卷軸加工成絲杠，利用絲杠傳動原理使卷繩桿在做定軸轉(zhuǎn)動的同時做軸向平動，使拉繩相對于卷繩桿做纏繞動作的同時，做軸向的平動，且拉繩始終垂直于卷繩桿，可以均勻纏繞在卷軸。 1. 絲杠 2. 變速箱 3. 卷簾 4. 卷繩桿 5. 拉繩 1. Lead screw 2. Gearbox 3. Rolling shutter 4. Pole of winding rope 5. Rope 圖 2 后置絲杠式卷簾機 Fig.2 Rear screw type rolling shutter machine 這種利用絲杠傳動的拉繩纏繞形式在張國祥等22所設(shè)計改進型日光溫室后置固定式卷簾裝置中也有所體現(xiàn)，能夠有效地避免后置卷繩上拉式卷簾機普遍存在的無序疊線、卷簾不齊等作業(yè)問題，提高了后置卷繩上拉式卷簾機的適用性。 1. 2 棚面自走式卷簾機 棚面自走式卷簾機，又稱“自走式卷簾機”，相比后置卷繩上拉式卷簾機，并不需要在棚面事先鋪設(shè)牽引繩索，而是通過架設(shè)輔助支架，依靠卷簾本身的牽引及其與棚面所存在的摩擦力，動力裝置驅(qū)動卷軸和動力裝置隨著保溫材料沿著日光溫室棚面一起運動，卷簾的卷起和鋪放均有動力支持，不受棚面坡度的限制23。根據(jù)所架設(shè)的輔助支架位置，棚面自走式卷簾機可分為“前置卷軸上推式卷簾機”和“側(cè)置卷軸上推式卷簾機” 2類，又可根據(jù)有無輔助軌道分為“導(dǎo)軌式”和“無軌式” 2 種12。 1.2.1 側(cè)置卷軸上推式卷簾機 側(cè)置卷軸上推式卷簾機，又稱“側(cè)卷式”卷簾機，動力裝置一般安裝在溫室山墻一側(cè)，結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝，是較為經(jīng)濟的卷簾機機型，但由于卷簾驅(qū)動裝置位于卷簾軸的一端，動力輸出效果不均，遠離動力放置的一側(cè)往往出現(xiàn)卷簾不到位，卷簾不齊等現(xiàn)象，卷簾效果較差，并且隨著棚面跨度增大，卷簾機負荷較大，卷簾軸容易折損。因此，側(cè)置卷軸上推式卷簾機往往僅適用于棚長較小的日光溫室卷簾作業(yè)24。1999 年，李金城25為克服后置卷繩上拉式卷簾機對于坡度較小的日光溫室卷、放簾困難的缺點，設(shè)計了帶有導(dǎo)軌的棚面自走式卷簾機，如圖 3a 所示，在溫室山墻一側(cè)安裝導(dǎo)軌，動力裝置可沿著軌道上下自由運動，由于動力裝置的質(zhì)量由導(dǎo)軌承擔(dān)，可減小棚面被壓損的風(fēng)險，卷簾直接隨著卷軸上下運動，卷簾的卷起和鋪放都有動力支持，不受溫室坡度的影響，此外，該設(shè)計中提及將導(dǎo)軌用支撐桿代替，這便是目前側(cè)置卷軸上推式卷簾機的雛形，該卷簾機機型設(shè)計的出現(xiàn)，使得大量的日光溫室機械卷簾裝置研究開始向棚面自走式卷簾機方向靠攏。同年，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)劉偉等26所發(fā)明的“日光溫室軸式卷簾機”，通過在溫室山墻一側(cè)安裝可伸縮的活動支臂，與動力裝置固結(jié)，減速機傳動軸與卷簾軸聯(lián)接，利用卷簾自身的牽引和棚面摩擦來實現(xiàn)卷簾的卷起和鋪放，如圖 3b 所示。此后有葛樹祥27-29等對側(cè)置卷軸上推式卷簾機減速機等結(jié)構(gòu)部件進行改進，但于其卷簾工作原理上并未有太大改動。 增刊 1 張國祥等：中國日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 3 1. 溫室山墻 2. 導(dǎo)軌 3. 動力裝置 4. 卷簾軸 5. 卷簾 6. 活動支臂 1. Gable wall of greenhouse 2. Sliding guide 3. Motor driving device 4. Pole of rolling shutter 5. Rolling shutter 6. Movable support 圖 3 側(cè)置卷軸上推式卷簾機的改進 Fig.3 Development of side reel push rolling shutter machine 1.2.2 前置卷軸上推式卷簾機 前置卷軸上推式卷簾機，又稱“前屈伸臂式”、“懸臂式”卷簾機等。 1999 年，田伯江30所設(shè)計的“日光溫室卷簾機”，其基本結(jié)構(gòu)為在日光溫室前端安裝鉸桿座，架設(shè)懸臂支架，其由支架桿和單臂桿 2 節(jié)支桿組成，大多采用鉸鏈連接，支架桿的另一端固結(jié)動力裝置，減速機為雙軸輸出，采用法蘭盤與卷簾軸固結(jié)，轉(zhuǎn)動卷簾軸卷起或鋪放卷簾，這也是目前常見的前置卷軸上推式卷簾機結(jié)構(gòu)形式，如圖 4 所示。之后也有支架及減速機等方面的改進，但其卷簾工作原理上并無太大改動。 1. 支架桿 2. 動力裝置 3. 卷簾軸 4. 卷簾 5. 單臂桿 1. Support pole 2. Motor driving device 3. Pole of rolling shutter 4. Rolling shutter 5. Single arm pole 圖 4 前置卷軸上推式卷簾機 Fig.4 Push on the front reel rolling shutter machine 前置卷軸上推式卷簾機相對于側(cè)置卷軸上推式卷簾機，其卷簾工作原理相仿，但由于其動力裝置固結(jié)的輔助支架位于溫室中部，避免了動力輸出不勻，卷簾效果也有所改善，但由于結(jié)構(gòu)的原因，其適用于 80 m 棚長以下的日光溫室的卷簾作業(yè)，且由于支架結(jié)構(gòu)，在溫室棚面底部會存在部分位置無法被卷簾完全覆蓋，除此之外，由于動力裝置位于棚面中間位置，其質(zhì)量完全由溫室骨架承受，易發(fā)生棚面壓損等安全事故31。 1.2.3 導(dǎo)軌式卷簾機 張軍武32在 2000 年設(shè)計的“大棚自動卷簾機”，在溫室棚體上方架設(shè)吊軌，安裝滑車引導(dǎo)動力裝置爬升或下滑，以實現(xiàn)卷簾的收放，這種在溫室棚體上方架設(shè)大型吊軌，引導(dǎo)卷簾機卷起和鋪放卷簾的方式，便是目前典型的“導(dǎo)軌式”日光溫室卷簾機。相對于通過架設(shè)輔助支架的“無軌”棚面自走式卷簾機，導(dǎo)軌式卷簾機在安全性上有了很大的提高。該卷簾裝置的主體質(zhì)量由所架設(shè)在吊軌承擔(dān)，減輕棚室骨架荷載，減小棚面被壓損的危險，且由于軌道的引導(dǎo)，卷簾機的卷簾動作準(zhǔn)確性更高，卷簾效果也更好。但由于需要架設(shè)大型吊軌，所以需要花費的生產(chǎn)成本也較高。 1.3 日光溫室卷簾機類型歸納對比 中國的日光溫室按照棚長大小又可分為大、中、小型 3 種，小型棚室的長度可在 60 m 以下，大型棚室的長度最長可達 200 m，且中國各個地區(qū)因為水土、地勢、光照環(huán)境等因素的不同，其建造的日光溫室在規(guī)格上（棚室高度、棚面坡度等）存在差異，所適用的卷簾機類型也不盡相同，這也是造成中國的日光溫室卷簾機種類繁多，難以甄別的重要原因33-35。對比后置卷繩上拉式卷簾機和棚面自走式卷簾機 2 大類卷簾機，它們在主要機械部件、工作原理、造價及其適用要求都有所不同，具體到棚面自走式卷簾機的不同分類卷簾機，也存在差異。具體如表 1 所示12,36-38。 表 1 兩大類日光溫室卷簾機的對比 Table 1 Comparison of two types of rolling shutter machine 日光溫室卷簾機類型 Type of rolling shutter machine 主要機械部件Main mechanical components 工作原理Working principle 造價及其適用要求Cost and its application requirements 后置卷繩上拉式卷簾機 (后墻固定式，上拉式等 ) 動力裝置、固定支架、卷繩桿、繩索、卷簾、卷簾軸 動力裝置卷緊牽引繩索，繩索牽拉卷軸向上滾動，卷起保溫材料（卷簾的鋪放依靠自身重力，形式與之類似）。3 0003 500 元 /臺（ 100 m 棚長， 10 m 棚寬的日光溫室），適用于棚面坡度較大各類棚長的日光溫室，適用棚長最大可達 200 m 前置卷軸上推式卷簾機（前屈伸臂式，懸臂式） 動力裝置、 輔助鉸接支架、 卷簾、卷簾軸 5 0006 000 元 /臺（ 80 m 棚長， 10 m 棚寬的日光溫室），適用于中、小型棚長的日光溫室（棚長 80 m 及以下，超過 80 m 卷簾效果較差，不受棚面坡度限制） 棚面自走式卷簾機 側(cè)置卷軸上推式卷簾機（側(cè)卷式） 動力裝置、 輔助套筒支架、 卷簾、卷簾軸 架設(shè)輔助支架，依靠卷簾本身的牽引和存在棚面摩擦力，動力裝置驅(qū)動卷軸和動力裝置隨著保溫材料沿著日光溫室棚面一起運動。 3 0004 000 元 /臺（ 60 m 棚長， 10 m 棚寬的日光溫室），適用于小型棚長的日光溫室（棚長 60 m 及以下，不受棚面坡度限制） 2 日光溫室機械卷簾關(guān)鍵技術(shù) 日光溫室機械卷簾技術(shù)在發(fā)展和實際應(yīng)用的過程中，涉及到的 3 種關(guān)鍵技術(shù)部分尤受重視，其分別為日光溫室卷簾減速機技術(shù)、日光溫室卷簾位置的檢測和控制技術(shù)以及日光溫室機械卷簾安全保障技術(shù)， 3 種機械卷簾關(guān)鍵技術(shù)的不斷改進和應(yīng)用推進著日光溫室機械卷簾技術(shù)的革新與發(fā)展。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 42.1 日光溫室卷簾減速機技術(shù) 減速機技術(shù)是日光溫室機械卷簾核心的技術(shù)之一，這點對于棚面自走式卷簾機尤為明顯。與其他機械裝置中的減速機不同，日光溫室卷簾減速機需要滿足高載荷、低轉(zhuǎn)速、安全性強等工作條件要求，且其大多處于露天復(fù)雜工作環(huán)境下，干擾因素較多，且由于應(yīng)用對象的原因，其成本不能過高，操作應(yīng)盡量簡單，由于這些因素，減速機技術(shù)一直是日光溫室機械卷簾技術(shù)的研究重點。 目前常見的日光溫室機械卷簾減速機主要包括直齒圓柱齒輪式，蝸輪蝸桿式，少齒差行星輪式，蝸輪蝸桿柱齒輪式，斜齒輪式等類型，每種減速機型都有其自身的優(yōu)勢和存在的缺陷12。 1）直齒圓柱齒輪式 直齒圓柱齒輪式是最早的日光溫室機械卷簾減速機型，目前市場應(yīng)用比例最大，具有傳動效率高，加工難度低，裝配精度要求不高，成本較低，便于維修等優(yōu)點。為實現(xiàn)日光溫室機械卷簾所需的較大傳動比，直齒圓柱齒輪式機械卷簾減速機一般需要 3 級或 4 級齒輪傳動減速，自身機體質(zhì)量較大，且直齒圓柱齒輪式往往因為裝配精度不高，齒輪磨損嚴(yán)重等原因，故障發(fā)生率高、安全性較差。而且由于齒輪傳動原因，沒有自鎖功能，需要另加裝一套剎車（制動）機構(gòu)，剎車機構(gòu)一般為帶摩擦片的棘輪機構(gòu)，長期磨損下極易導(dǎo)致制動失效，導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故的發(fā)生39。 2）蝸輪蝸桿式 生維普在 1996 年設(shè)計的卷簾機已經(jīng)將蝸輪蝸桿減速機應(yīng)用到日光溫室機械卷簾中，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)具有很好的自鎖性能，減速機結(jié)構(gòu)也較為緊湊，可以有效的防止卷簾失控下滑，目前在卷簾機市場應(yīng)用中也較為廣泛，可實現(xiàn)較大傳動比，但蝸輪蝸桿傳動效率往往較低，結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重，所造成的生產(chǎn)損耗較大19。 2003 年，連序平所設(shè)計的雙蝸式卷簾機采用兩級的蝸輪蝸桿減速，由于傳動結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重，傳動效率較低，難以應(yīng)用于市場40。 3）少齒差行星輪式 少齒差行星輪式減速機，其傳動形式又稱“擺線針輪傳動”，能夠以較小的齒差的內(nèi)嚙合齒輪實現(xiàn)較大的傳動比，內(nèi)、外齒輪齒數(shù)差越少，每級傳動所得到的傳動比越大，傳動效率較高，結(jié)構(gòu)也較為緊湊，有效地減小了機械卷簾減速機自身質(zhì)量，且由于行星輪的結(jié)構(gòu)，減速機具有很好的制動性能，可靠性較高41。但由于其結(jié)構(gòu)加工精度要求較高，安裝復(fù)雜，維修不便，其市場價格也較高，目前在于市場應(yīng)用較少。 4）蝸輪蝸桿柱齒輪式 蝸輪蝸桿柱齒輪式減速機兼具蝸輪蝸桿及齒輪傳動的優(yōu)點，在實現(xiàn)較大傳動比的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置自鎖，結(jié)構(gòu)較為簡單，對加工，安裝精度等要求也較低，造價不高，是目前采用的較為理想的日光溫室機械卷簾減速機42，應(yīng)用廣泛，但同時也存在由于齒輪傳動部分的接觸點少，而導(dǎo)致傳遞不穩(wěn)定，承載力差等問題，損壞率也比較高。 5）斜齒輪式 斜齒輪式減速機具有嚙合齒數(shù)多，重合度高，耐沖擊強，振動小，承載能力高等優(yōu)點，生產(chǎn)加工較易，質(zhì)量也容易保證，替換方便，但傳動時會存在軸向力，難以消除，影響機械卷簾減速機安全43。 除以上 5 種主要的機械卷簾減速機型外，還存在其它類型的機械卷簾減速機和多種減速形式融合的減速機型，例如雙箱體減速機，采用將蝸輪蝸桿傳動與斜齒輪傳動分別放置在 2 個獨立箱體中，具有 2 種傳動形式優(yōu)勢，但目前其研究與市場應(yīng)用較少44。 2.2 日光溫室卷簾位置的檢測與控制技術(shù) 機械卷簾裝置安全、有效的控制在日光溫室機械卷簾技術(shù)生產(chǎn)實際應(yīng)用中尤為重要，日光溫室卷簾位置的檢測與控制技術(shù)便成為日光溫室機械卷簾的關(guān)鍵技術(shù)，只有確定卷簾的位置，才能控制日光溫室機械卷簾裝置的具體動作，以實現(xiàn)對日光溫室環(huán)境的有效控制。目前常用的日光溫室卷簾位置的檢測和控制技術(shù)有：機械式限位控制，角度傳感檢測，非接觸式測控，時間繼電器控制，室內(nèi)環(huán)境傳感測控等45-48。 1）機械式限位控制技術(shù) 機械式限位控制技術(shù)是最早的日光溫室卷簾位置的檢測和控制技術(shù)，但目前大多只能實現(xiàn)對有限數(shù)量的卷簾位置點的檢測，檢測力度極為有限，通常僅用于機械卷簾裝置本身的安全限位控制。其工作原理是通過在日光溫室相應(yīng)位置安裝機械式觸動限位開關(guān)，將開關(guān)接入控制電路，當(dāng)卷簾運動至所限定的位置，觸動開關(guān)，切斷電路，卷簾停至預(yù)定位置49，這種限位控制結(jié)構(gòu)也可以在動力輸出裝置中實現(xiàn)，同樣可以達到控制卷簾位置的效果50。所需的技術(shù)含量低，可自行安裝等優(yōu)點，使其在日光溫室卷簾位置檢測和控制過程中得到廣泛應(yīng)用。 2）角度傳感檢測技術(shù) 角度傳感器檢測技術(shù)是目前較為有效的日光溫室卷簾位置檢測技術(shù)，但其在使用過程中，并不用于直接觀察或檢測卷簾所處位置，而是通過類似于測量前置卷軸上推式卷簾機上、下支撐臂鉸鏈及下支撐臂的活動支架處的角度變化，結(jié)合上、下支撐桿長度及安裝位置確定卷簾位置的水平投影，再通過曲線擬合的方法，間接確定卷簾在日光溫室棚面上的位置，同時在實際應(yīng)用中，角度傳感器的安裝位置可以根據(jù)實地情況進行調(diào)整，以達到對卷簾位置有效檢測目的。角度傳感器檢測技術(shù)實現(xiàn)的卷簾位置檢測精確度較高，且不受檢測位置節(jié)點數(shù)量的影響，配合機械卷簾裝置的控制，可以達到很好的卷簾效果51-52，但由于角度傳感器安裝位置多處于溫室外部環(huán)境中，且角度信息采集部件運用過程中會存在較大的震動，會對角度傳感器的角度數(shù)值采集造成干擾與影響，需要經(jīng)常對其進行重新的校正和調(diào)整。 3）非接觸式測控技術(shù) 非接觸式測控技術(shù)技術(shù)在目前日光溫室卷簾位置檢測和控制過程中，也較為常見。其工作原理大多是利用類似于電感式傳感器的電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感增刊 1 張國祥等：中國日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 5 系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換，用以檢測所測物理量53。在其應(yīng)用過程中，將電感式傳感器其安裝在卷簾行程限定位置，當(dāng)卷簾到達預(yù)定位置，被傳感器感知，信號傳回控制中心，即可實現(xiàn)對日光溫室卷簾的行程控制。除此之外，超聲波測控技術(shù)、激光測控技術(shù)也與之具有類似原理，非接觸式測控技術(shù)對卷簾位置檢測和控制同樣可能受到外界自然環(huán)境的影響，但其準(zhǔn)確性與可靠性相對較高，目前被廣泛應(yīng)用于日光溫室的智能化、信息化控制中54-55。 4）時間繼電器測控技術(shù) 時間繼電器測控技術(shù)，其工作原理是利用時間繼電器的延時控制實現(xiàn)對日光溫室機械卷簾裝置的時間限位控制，通過對機械卷簾速度與卷簾時間的計算，從而估算卷簾行程位置，相比較前三者的卷簾位置檢測及控制技術(shù)，由于可時間繼電器可直接安裝在室內(nèi)的卷簾控制電路系統(tǒng)上，受到的外界自然因素影響較小，安全性高，但由于受卷放阻力、起卷位置等因素的影響，將時間作為日光溫室卷簾位置的檢測和控制參數(shù)，其準(zhǔn)確性和精度較低，卷簾位置的檢測和控制誤差往往較大56-57。 5）室內(nèi)環(huán)境傳感技術(shù) 卷簾位置的變化會引起日光溫室內(nèi)部光照條件、空氣溫度等環(huán)境因素的改變，室內(nèi)環(huán)境傳感器技術(shù)便是依據(jù)這種原理，通過實現(xiàn)對日光溫室內(nèi)的光照，空氣溫度等與卷簾位置相關(guān)的環(huán)境因素的有效感知，以實現(xiàn)對日光溫室卷簾位置的智能化控制58。目前常用于日光溫室卷簾位置控制的室內(nèi)環(huán)境傳感器主要是光照傳感器和空氣溫度傳感器，主要原因為卷簾位置對于日光溫室光照條件和空氣溫度的影響較為直接和有效，但是就日光溫室環(huán)境本身而言，日光溫室是一個非線性、多輸入多輸出、強耦合、時變、大時延的動態(tài)復(fù)雜環(huán)境對象，其各個環(huán)境因素存在很強的耦合關(guān)系，例如在同一時間內(nèi)，卷簾位置變化直接影響的光照條件變化會影響溫室內(nèi)部的溫度、濕度和 CO2濃度等多個環(huán)境因素59-60，所以室內(nèi)傳感器技術(shù)在應(yīng)用于日光溫室卷簾位置控制過程，往往需要多種室內(nèi)環(huán)境傳感器組成整體溫室的環(huán)境信息感知網(wǎng)絡(luò)，且由于卷簾位置的變化對于日光溫室環(huán)境因素的影響具有滯后性，所以通常需要建立基于卷簾位置變化的日光溫室環(huán)境預(yù)測模型。室內(nèi)傳感器技術(shù)應(yīng)用于日光溫室卷簾位置控制過程中，往往和其他的卷簾位置檢測和控制技術(shù)相互配合，以形成日光溫室卷簾位置控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。 圖 5 日光溫室卷簾位置控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) Fig.5 Typical structure of the position control system for rolling shutter in solar greenhouse 目前常用日光溫室卷簾位置控制的環(huán)境預(yù)測模型多涉及模糊控制算法，遺傳算法優(yōu)化 BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)，實現(xiàn)日光溫室卷簾位置控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)涉及的信息化技術(shù)主要有用于近距離通信的ZigBee 技術(shù)、 Wi-Fi 技術(shù)等和用于遠程控制的 GSM、GPRS、 CDMA 等遠程通信技術(shù)61-66。 2.3 日光溫室機械卷簾安全保障技術(shù) 安全事故的頻繁發(fā)生一直是日光溫室機械卷簾技術(shù)難以大范圍普及的重要原因，機械卷簾生產(chǎn)事故的發(fā)生，輕則影響作物產(chǎn)量，重則棚體嚴(yán)重受損，且可能會造成生產(chǎn)人員的傷亡。而對于不同類型的日光溫室機械卷簾裝置，所存在的安全隱患也相應(yīng)有所不同67-70。 后置卷繩上拉式卷簾機的牽引繩索缺乏必要的約束，會存在繞線混亂、“無序疊線”等作業(yè)問題，且存在作業(yè)人員肢體被繩索纏繞或是衣物被卷繩桿上的固定螺栓等凸起部件掛到，進而造成人員傷亡，此類事故在日光溫室機械卷簾技術(shù)應(yīng)用過程中極為常見71；卷簾載荷異常猛增、結(jié)構(gòu)銹蝕、受力分布不均等原因會造成卷簾軸、支撐桿、卷繩桿等部件的斷裂或損壞，這在棚面自走式卷簾機使用過程中尤為常見12，且棚面自走式卷簾機還存在卷簾機機體壓損棚體、減速機損壞等安全隱患72。除此之外，卷簾機操作不當(dāng)、缺乏限位裝置、惡劣自然因素均會對日光溫室機械卷簾安全造成嚴(yán)重的威脅，因此關(guān)于日光溫室機械卷簾安全保障技術(shù)近年來尤受重視73-76。 目前主要用于保障日光溫室機械卷簾安全的技術(shù)分為機械卷簾執(zhí)行端保護技術(shù)和機械卷簾控制端保護技術(shù)。其中，執(zhí)行端保護技術(shù)主要包括機械卷簾裝置的自鎖技術(shù)和安全防護技術(shù)，如目前常用的蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，可有效地實現(xiàn)機械卷簾裝置自鎖，防止卷簾失控下滑19；在減速機內(nèi)部的機械限位保護結(jié)構(gòu)以及在危險部件位置安裝防護罩等50。而控制端保護技術(shù)，主要采用從機械卷簾控制電路或是控制系統(tǒng)方面來實現(xiàn)對日光溫室機械卷簾安全的保障。例如目前所使用的各類機械卷簾行程保護開關(guān)，形成卷簾到達預(yù)定位置的自動斷電保護電 路22,76， 以及類似于在對卷簾控制系統(tǒng)進行防護性的優(yōu)化和改進， 2015 年，樊庚57在進行基于全防護性上拉式卷簾控制系統(tǒng)優(yōu)化時，將卷簾機的控制模式分為日常模式、應(yīng)急模式和維修模式 3 種，針對卷簾機不同的工作狀態(tài)采用不同的控制模式，例如在觸發(fā)應(yīng)急模式時，不能開啟日常模式，只能在消除應(yīng)急狀態(tài)才可以復(fù)位，正常使用日常模式。 日光溫室機械卷簾的安全保障近年來也逐漸受到國家及相關(guān)部門的重視，推出了日光溫室機械卷簾技術(shù)的相關(guān)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)規(guī)范77-80。 3 趨勢分析與展望 隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展和日光溫室的迅速普及，日光溫室機械卷簾技術(shù)在日光溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中得到了廣農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 6泛應(yīng)用，但目前針對日光溫室機械卷簾技術(shù)仍有許多問題需要深入研究。 1）日光溫室機械卷簾裝置向提高裝置卷簾效率和裝置適用性方向進行優(yōu)化 雖然目前市場上的各類日光溫室卷簾機種類繁多，但其卷簾裝置依舊存在卷簾效率低，卷簾不齊、效果不佳、適用性不強、安全性差等問題，日光溫室機械卷簾裝置的優(yōu)化將是日光溫室機械卷簾技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。且其將主要體現(xiàn)在以下 2 個方面：提高卷簾效率，減少日光溫室卷簾作業(yè)時間，解決現(xiàn)有機械卷簾裝置在使用過程中出現(xiàn)的繩索整理不便、卷簾不到位、卷簾不齊等作業(yè)問題，優(yōu)化卷簾效果；提高卷簾裝置適用性，使得機械卷簾裝置可以適用于不同規(guī)格的日光溫室棚室，提高卷簾裝置適用性也將有益于日光溫室機械卷簾技術(shù)的市場推廣與實踐應(yīng)用。 2）機械卷簾安全保障技術(shù)將受到更多關(guān)注和更大規(guī)模地應(yīng)用發(fā)展 安全保障依舊是日光溫室機械卷簾技術(shù)應(yīng)用過程中需要重視的關(guān)鍵性問題，日光溫室機械卷簾安全保障相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范需進一步完善。通過日光溫室機械卷簾裝置的改進、安裝安全防護裝置，增強機械卷簾執(zhí)行端的作業(yè)安全性，提高機械卷簾裝置在惡劣自然環(huán)境下的可靠性；通過控制保護電路和機械卷簾安全防護系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)機械卷簾控制端的機械卷簾安全保障都將是機械卷簾安全保障技術(shù)的重要發(fā)展方向， 這也將使日光溫室機械卷簾安全保障技術(shù)得到更大規(guī)模地應(yīng)用和發(fā)展。 3）日光溫室機械卷簾控制系統(tǒng)將向更加智能化和信息化的方向發(fā)展 集約化、規(guī)?；娜展鉁厥疑a(chǎn)需要更加智能化、信息化的日光溫室機械卷簾技術(shù)。利用角度傳感器技術(shù)、非接觸式測控技術(shù)等信息化手段實現(xiàn)對日光溫室卷簾位置的有效檢測和控制；利用環(huán)境傳感器技術(shù)對卷簾影響的日光溫室環(huán)境信息實現(xiàn)有效地感知；通過 WIFI、GSM 等遠、近距離通信技術(shù)實現(xiàn)日光溫室卷簾位置檢測、卷簾控制指令等重要信息的及時有效傳輸都將使日光溫室機械卷簾技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用趨于信息化。在應(yīng)用現(xiàn)代信息化技術(shù)獲取的日光溫室大量環(huán)境信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進一步對數(shù)據(jù)進行融合、智能化處理形成基于日光溫室機械卷簾的溫室環(huán)境預(yù)測模型，從而實現(xiàn)對日光溫室機械卷簾更加智能化、信息化的控制，配合日光溫室其他配套設(shè)施實現(xiàn)日光溫室環(huán)境有效控制，這將是日光溫室機械卷簾技術(shù)的重要發(fā)展方向和趨勢。 4 結(jié) 論 日光溫室機械卷簾技術(shù)的普及和應(yīng)用給日光溫室作業(yè)帶來極大的生產(chǎn)便利，隨著中國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對于日光溫室機械卷簾技術(shù)需求也在不斷增加和更新，從最初的減少作業(yè)人員勞動強度到保證機械卷簾安全和實現(xiàn)日光溫室機械卷簾信息化智能化，這也反映不同需求背景下的日光溫室機械卷簾技術(shù)的發(fā)展歷程。中國的日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展歷史較短，研發(fā)環(huán)境相對獨立，目前在其應(yīng)用過程中依舊存在著一些類似于卷簾效果不佳、存在安全隱患等問題，這就要求當(dāng)今日光溫室機械卷簾技術(shù)的發(fā)展一方面需要繼續(xù)對現(xiàn)有的日光溫室機械卷簾裝置做提高效率、實用性等方面的優(yōu)化，針對機械卷簾過程中所存在的安全隱患，發(fā)展和應(yīng)用機械卷簾安全保障技術(shù)；另一方面需要結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，利用信息化技術(shù)獲取的日光溫室大量環(huán)境信息數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)融合、環(huán)境預(yù)測模型等智能化信息處理技術(shù)，從而實現(xiàn)對日光溫室機械卷簾更加智能化、信息化的控制，進而實現(xiàn)對日光溫室環(huán)境的有效控制。 參 考 文 獻 1 魏曉明，周長吉，曹楠，等 . 中國日光溫室結(jié)構(gòu)及性能的演變 J. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報， 2012， 28(4)： 855 860. Wei Xiaoming, Zhou Changji, Cao Nan, et al. Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouseJ. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2012, 28(4): 855 860. (in Chinese with English abstract) 2 魏曉明，齊飛，丁小明，等 . 我國設(shè)施園藝取得的主要成就 J. 農(nóng)機化研究， 2010， 32(12)： 227 231. Wei Xiaoming, Qi Fei, Ding Xiaoming, et al. Main achievements in China facility horticultureJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(12): 227 231. (in Chinese with English abstract) 3 李天來 . 我國日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景 J. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2005， 36(2)： 131 138. Li Tianlai. Current situation and prospects industry development of green house in ChinaJ. Journal of Shenyang Agricultural University, 2005, 36(2): 131 138. (in Chinese with English abstract) 4 管勇，陳超，李琢，等 . 相變蓄熱墻體對日光溫室熱環(huán)境的改善 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2012， 28(10)： 194 201. Guan Yong, Chen Chao, Li Zhuo, et al. Improving thermal environment in solar greenhouse with phase-change thermal storage wallJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 194 201. (in Chinese with English abstract) 5 姚中杰，李傳桐，李金華，等 . 我國北方設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境治理失靈的困惑與出路：以溫室大棚蔬菜生產(chǎn)為例 J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展， 2011， 28(5)： 102 107. 6 張真和 . 我國發(fā)展現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)面臨的突出問題與對策J. 中國蔬菜， 2014(8)： 1 6. 7 張志斌 . 國外設(shè)施園藝的發(fā)展與啟示 J. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012， 28(4)： 861 866. Zhang Zhibin. Development and enlightenment of foreign protected horticulture J. Jiangsu Journal of Agricul