中国日光温室机械卷帘技术发展现状与趋势

第 33卷 增刊1 农 业 工 程 学 报 Vol.33 Supp.1 2017年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2017 1 中国日光温室机械卷帘技术发展现状与趋势张国祥 1,3 ，傅泽田 1,2,3 ，张领先 2,4 ，严 谨 2 ，张 标 1,3 ，李鑫星 2,3,4※（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083； 3. 食品质量与安全北京实验室，北京 100083；4. 农业部农业信息化标准化重点实验室，北京 100083） 摘 要自上世纪 90年代以来，以设施蔬菜为代表的设施农业规模化发展促进了日光温室机械卷帘技术的产生，日光温 室机械卷帘技术在实际应用中具体表现为国内各种类型的日光温室卷帘机。依据卷帘形式的不同，日光温室卷帘机分为 后置卷绳上拉式和棚面自走式 2 类。概述 2 大类日光温室卷帘机的发展历程及其主要技术特点，就其卷帘机械结构、工 作原理、制造等方面进行了详细的针对性特点分析与技术对比，详细阐述日光温室机械卷帘技术在发展应用过程中的 3 种主要关键技术日光温室卷帘减速机技术、日光温室卷帘位置检测和控制技术、日光温室机械卷帘安全保障技术的发 展和应用现状。并针对目前的日光温室机械卷帘技术发展现状，指出日光温室机械卷帘技术的重要发展方向和趋势日 光温室机械卷帘装置向提高装置卷帘效率和装置适用性方向进行优化；日光温室机械卷帘安全保障技术得到更多关注和 更大规模的发展应用；通过环境传感器技术、非接触式测控技术等信息化手段，结合基于日光温室卷帘的温室环境预测 模型形成的智能化、信息化的日光温室机械卷帘控制系统。 关键词温室；卷帘；机械；发展；智能化；信息化；机械卷帘安全保障；卷帘位置检测和控制 doi10. 11975/j. issn. 1002-6819. 2017.z1.001 中图分类号S625.3 文献标志码A 文章编号1002-68192017-Supp.1-0001-10 张国祥，傅泽田，张领先，严 谨，张 标，李鑫星. 中国日光温室机械卷帘技术发展现状与趋势[J]. 农业工程学报， 2017，33增刊 11－10. doi10.11975/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 China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE, 2017, 33Supp.1 1－10. in Chinese with English abstract doi10.11975/j.issn.1002-6819. 2017.z1.001 http//www.tcsae.org 0 引 言 20 世纪 90 年代以来， 以日光温室为代表的设施农业 在中国北方地区得到了迅速普及，为连续性的农事活动 和农产品的提早或延后收获、全年无间歇收获提供了可 能 [1-3] 。 日光温室可以在夜间外界环境温度较低的条件下， 将后墙体昼间吸收的太阳能以热量的形式散发出来，维 持室内温度，满足作物生长需要，相比传统的加温温室 每年可节煤 37 kg/m 2 ，在当今化石能源逐渐枯竭，环境恶 化严重的背景下，日光温室已成为中国设施农业突破资 源环境瓶颈、保持农产品长期有效市场供给的重要手 段 [4-9] 。 日光温室通过在棚面上覆盖卷帘等保温材料，可以 有效地减少日光温室在外界环境温度较低情况下的热量 散失，将日光温室棚室内部温度维持在作物生长发育所 需较为适宜的范围内，满足室内种植作物生长和发育的 需要，且卷帘可以在白天太阳光照过强时，用以遮阳或收稿日期2016-12-14 修订日期2017-01-17 基金项目北京市项目“叶类蔬菜产业技术体系北京市创新团队建设专项资 金项目BAIC07-2016” ；2017教育部基本科研业务费支持 作者简介张国祥，男，博士生，主要从事农业装备与机械化工程研究。北 京 中国农业大学工学院，100083。E ※通信作者李鑫星，男，河北承德人，博士，副教授，研究方向为农业系 统与知识工程。北京 中国农业大学信息与电气工程学院，100083。 E 是在雨雪天气为作物提供必要的保护 [10-11] ， 但是由于棚面 面积较大，如果完全依靠人力进行卷帘的收放作业，费 时费力又难以满足作物生长所需要的光照时间，影响作 物生长，且不适宜大规模作业生产，为适应市场需求， 日光温室机械卷帘技术便因此产生。 日光温室机械卷帘技术的广泛应用，减轻了人工劳 动强度，大幅度减少日光温室的卷帘作业时间，且由于 机械卷帘速度快，可以实现早卷帘和晚放帘，增加了日 光温室内种植作物的受照时间，有效地增加热效应，促 进作物生长发育，从而提高了温室生产的经济效益 [12] 。 1 日光温室卷帘机械装置发展概述 在实际卷帘作业过程中，日光温室卷帘机械装置通 常是指日光温室卷帘机的硬件结构部分。日光温室卷帘 机为中国具有完全知识产权的技术，为中国独有，是为 了解决卷帘劳动强度大而发明的机械化设备，其发展历 史较短，但自发明以来不断进行技术革新，目前市场上 卷帘机种类繁多、形式多样，但依照其卷帘方式的不同 可分为后置卷绳上拉式卷帘机和棚面自走式卷帘机 2 大 类 [13-15] 。 1.1 后置卷绳上拉式卷帘机 后置卷绳上拉式卷帘机，又称“牵引式”、“上拉 式”卷帘机等，是最早的卷帘机类型。目前常用的后置 卷绳上拉式卷帘机，其工作基本原理是通过驱动主机转 综合研究 关键技术 农业工程学报（http//www.tcsae.org） 2017年 2 动卷绳杆，缠绕拉绳，牵引拉绳拉动卷帘，实现卷帘卷 起；铺放卷帘时，则利用卷帘自身质量，使之沿棚面坡 度自然滑落。驱动装置一般安装在后墙中间或在其一侧 的位置上，其输出轴大多通过法兰盘与轴承支架上的卷 绳杆固结，以实现驱动力的传递。 后置卷绳上拉式卷帘机适用于各种棚长的日光温 室，甚至可以用于棚长达到 200 m的日光温室卷帘作业， 对于卷帘杆的强度要求也较低，卷帘磨损小、寿命长， 且可双面卷帘，卷帘整齐；但其同样存在牵引绳索缠绕 混乱、整理不便等作业问题，且在安装使用过程中，存 在着众多的安全隐患，是安全生产事故发生比例最多的 卷帘机类型，且其铺放卷帘主要依靠自身质量，并没有 驱动力的存在，故不能用于棚面坡度较小温室的卷帘作 业。但从整体来看，后置卷绳上拉式卷帘机适用性较强， 应用广泛 [12] 。 “第一代”的后置卷绳上拉式卷帘机由刘吉 [16] 在 1992 年设计完成，如图 1a 所示，通过主动轮和被动轮的 滚动摩擦将动力传递给卷轴，卷轴旋转缠绕牵引绳索， 将卷帘拉起，从而进行卷帘操作，但是该装置机构较为 复杂，且不能对卷帘进行整体卷铺作业，其应用也受到 很大的限制。此后，韩宏伟 [17] 利用同时启动若干双轴电 机驱动卷筒卷帘实现了卷帘的整体卷铺作业（如图 1b 所 示） ，高福华等 [18] 通过在温室后墙顶处安装轴承支架和卷 绳杆（如图 1c 所示） ，采用链轮式传动实现单机卷帘作 业，其后有生维普 [19] 设计单级涡轮蜗杆减速装置，可实 现机构自锁，提高卷帘安全性，李永春 [20] 在 2000 年，通 过温室后墙布置的固定三角轴承支架安装卷绳杆，在温 室后墙中间位置安装动力装置，采用具有自锁功能的蜗 轮蜗杆减速器，减速机输出轴与卷绳杆连接，带动卷绳 杆牵引绳索，实现卷帘的卷起和铺放，如图 1d 所示，这 种卷帘机已经和目前普遍使用的后置卷绳上拉式卷帘机 在卷帘形式上没有太多的区别。 图1 后置卷绳上拉式卷帘机的形式变化 Fig.1 Development of rear upper pulling type rolling shutter machine 至 2008 年，李树标 [21] 设计了如图 2所示的后置丝杠 式卷帘机，将变速箱与卷绳杆接合部位的一段卷轴加工 成丝杠，利用丝杠传动原理使卷绳杆在做定轴转动的同 时做轴向平动，使拉绳相对于卷绳杆做缠绕动作的同 时，做轴向的平动，且拉绳始终垂直于卷绳杆，可以均 匀缠绕在卷轴。 1. 丝杠 2. 变速箱 3. 卷帘 4. 卷绳杆 5. 拉绳 1. Lead screw 2. Gearbox 3. Rolling shutter 4. Pole of winding rope 5. Rope 图2 后置丝杠式卷帘机 Fig.2 Rear screw type rolling shutter machine 这种利用丝杠传动的拉绳缠绕形式在张国祥等 [22] 所 设计改进型日光温室后置固定式卷帘装置中也有所体现， 能够有效地避免后置卷绳上拉式卷帘机普遍存在的无序 叠线、卷帘不齐等作业问题，提高了后置卷绳上拉式卷 帘机的适用性。 1. 2 棚面自走式卷帘机 棚面自走式卷帘机，又称“自走式卷帘机”，相比 后置卷绳上拉式卷帘机，并不需要在棚面事先铺设牵引 绳索，而是通过架设辅助支架，依靠卷帘本身的牵引及 其与棚面所存在的摩擦力，动力装置驱动卷轴和动力装 置随着保温材料沿着日光温室棚面一起运动，卷帘的卷 起和铺放均有动力支持，不受棚面坡度的限制 [23] 。根据 所架设的辅助支架位置，棚面自走式卷帘机可分为“前 置卷轴上推式卷帘机”和“侧置卷轴上推式卷帘机”2 类，又可根据有无辅助轨道分为“导轨式”和“无轨 式”2 种 [12] 。 1.2.1 侧置卷轴上推式卷帘机 侧置卷轴上推式卷帘机，又称“侧卷式”卷帘机， 动力装置一般安装在温室山墙一侧，结构简单，方便安 装，是较为经济的卷帘机机型，但由于卷帘驱动装置位 于卷帘轴的一端，动力输出效果不均，远离动力放置的 一侧往往出现卷帘不到位，卷帘不齐等现象，卷帘效果 较差，并且随着棚面跨度增大，卷帘机负荷较大，卷帘 轴容易折损。因此，侧置卷轴上推式卷帘机往往仅适用 于棚长较小的日光温室卷帘作业 [24] 。1999 年，李金城 [25] 为克服后置卷绳上拉式卷帘机对 于坡度较小的日光温室卷、放帘困难的缺点，设计了带 有导轨的棚面自走式卷帘机，如图 3a所示，在温室山墙 一侧安装导轨，动力装置可沿着轨道上下自由运动，由 于动力装置的质量由导轨承担，可减小棚面被压损的风 险，卷帘直接随着卷轴上下运动，卷帘的卷起和铺放都 有动力支持，不受温室坡度的影响，此外，该设计中提 及将导轨用支撑杆代替，这便是目前侧置卷轴上推式卷 帘机的雏形，该卷帘机机型设计的出现，使得大量的日 光温室机械卷帘装置研究开始向棚面自走式卷帘机方向 靠拢。同年，沈阳农业大学刘伟等 [26] 所发明的“日光温 室轴式卷帘机”，通过在温室山墙一侧安装可伸缩的活 动支臂，与动力装置固结，减速机传动轴与卷帘轴联接， 利用卷帘自身的牵引和棚面摩擦来实现卷帘的卷起和铺 放，如图 3b 所示。此后有葛树祥 [27-29] 等对侧置卷轴上推 式卷帘机减速机等结构部件进行改进，但于其卷帘工作 原理上并未有太大改动。 增刊 1 张国祥等中国日光温室机械卷帘技术发展现状与趋势 3 1. 温室山墙 2. 导轨 3. 动力装置 4. 卷帘轴 5. 卷帘 6. 活动支臂 1. Gable wall of greenhouse 2. Sliding guide 3. Motor driving device 4. Pole of rolling shutter 5. Rolling shutter 6. Movable support 图3 侧置卷轴上推式卷帘机的改进 Fig.3 Development of side reel push rolling shutter machine 1.2.2 前置卷轴上推式卷帘机 前置卷轴上推式卷帘机，又称“前屈伸臂式”、“悬 臂式”卷帘机等。1999 年，田伯江 [30] 所设计的“日光温 室卷帘机”，其基本结构为在日光温室前端安装铰杆 座，架设悬臂支架，其由支架杆和单臂杆 2 节支杆组成， 大多采用铰链连接，支架杆的另一端固结动力装置，减 速机为双轴输出，采用法兰盘与卷帘轴固结，转动卷帘 轴卷起或铺放卷帘，这也是目前常见的前置卷轴上推式 卷帘机结构形式，如图 4 所示。之后也有支架及减速机 等方面的改进，但其卷帘工作原理上并无太大改动。 1. 支架杆 2. 动力装置 3. 卷帘轴 4. 卷帘 5. 单臂杆 1. Support pole 2. Motor driving device 3. Pole of rolling shutter 4. Rolling shutter 5. Single arm pole 图4 前置卷轴上推式卷帘机 Fig.4 Push on the front reel rolling shutter machine 前置卷轴上推式卷帘机相对于侧置卷轴上推式卷帘 机，其卷帘工作原理相仿，但由于其动力装置固结的辅 助支架位于温室中部，避免了动力输出不匀，卷帘效果 也有所改善，但由于结构的原因，其适用于 80 m棚长以 下的日光温室的卷帘作业，且由于支架结构，在温室棚 面底部会存在部分位置无法被卷帘完全覆盖，除此之 外，由于动力装置位于棚面中间位置，其质量完全由温 室骨架承受，易发生棚面压损等安全事故 [31] 。 1.2.3 导轨式卷帘机 张军武 [32] 在 2000 年设计的“大棚自动卷帘机”，在 温室棚体上方架设吊轨，安装滑车引导动力装置爬升或 下滑，以实现卷帘的收放，这种在温室棚体上方架设大 型吊轨，引导卷帘机卷起和铺放卷帘的方式，便是目前 典型的“导轨式”日光温室卷帘机。相对于通过架设辅 助支架的“无轨”棚面自走式卷帘机，导轨式卷帘机在 安全性上有了很大的提高。该卷帘装置的主体质量由所 架设在吊轨承担，减轻棚室骨架荷载，减小棚面被压损 的危险，且由于轨道的引导，卷帘机的卷帘动作准确性 更高，卷帘效果也更好。但由于需要架设大型吊轨，所 以需要花费的生产成本也较高。 1.3 日光温室卷帘机类型归纳对比 中国的日光温室按照棚长大小又可分为大、中、小 型 3 种，小型棚室的长度可在 60 m以下，大型棚室的长 度最长可达 200 m，且中国各个地区因为水土、地势、光 照环境等因素的不同，其建造的日光温室在规格上（棚 室高度、棚面坡度等）存在差异，所适用的卷帘机类型 也不尽相同，这也是造成中国的日光温室卷帘机种类繁 多，难以甄别的重要原因 [33-35] 。对比后置卷绳上拉式卷 帘机和棚面自走式卷帘机 2 大类卷帘机，它们在主要机 械部件、工作原理、造价及其适用要求都有所不同，具 体到棚面自走式卷帘机的不同分类卷帘机，也存在差 异。具体如表 1 所示 [12,36-38] 。 表1 两大类日光温室卷帘机的对比 Table 1 Comparison of two types of rolling shutter machine 日光温室卷帘机类型 Type of rolling shutter machine 主要机械部件Main mechanical components 工作原理Working principle 造价及其适用要求Cost and its application requirements 后置卷绳上拉式卷帘机 后墙固定式，上拉式等 动力装置、固定支架、卷绳杆、 绳索、卷帘、卷帘轴 动力装置卷紧牵引绳索，绳索牵拉卷 轴向上滚动，卷起保温材料（卷帘的 铺放依靠自身重力，形式与之类似）。 3 0003 500元/台（100 m棚长，10 m棚宽的 日光温室），适用于棚面坡度较大各类棚长 的日光温室，适用棚长最大可达 200 m 前置卷轴上推式卷帘 机（前屈伸臂式，悬臂 式） 动力装置、 辅助铰接支架、 卷帘、 卷帘轴 5 0006 000元/台（80 m棚长，10 m棚宽的 日光温室），适用于中、小型棚长的日光温 室（棚长 80 m及以下，超过 80 m卷帘效果 较差，不受棚面坡度限制） 棚面自走 式卷帘机 侧置卷轴上推式卷帘 机（侧卷式） 动力装置、 辅助套筒支架、 卷帘、 卷帘轴 架设辅助支架，依靠卷帘本身的牵引 和存在棚面摩擦力，动力装置驱动卷 轴和动力装置随着保温材料沿着日光 温室棚面一起运动。 3 0004 000元/台（60 m棚长，10 m棚宽的 日光温室），适用于小型棚长的日光温室（棚 长 60 m及以下，不受棚面坡度限制） 2 日光温室机械卷帘关键技术 日光温室机械卷帘技术在发展和实际应用的过程 中，涉及到的 3 种关键技术部分尤受重视，其分别为日 光温室卷帘减速机技术、日光温室卷帘位置的检测和控 制技术以及日光温室机械卷帘安全保障技术， 3 种机械卷 帘关键技术的不断改进和应用推进着日光温室机械卷帘 技术的革新与发展。 农业工程学报（http//www.tcsae.org） 2017年 4 2.1 日光温室卷帘减速机技术 减速机技术是日光温室机械卷帘核心的技术之一， 这点对于棚面自走式卷帘机尤为明显。与其他机械装置 中的减速机不同，日光温室卷帘减速机需要满足高载 荷、低转速、安全性强等工作条件要求，且其大多处于 露天复杂工作环境下，干扰因素较多，且由于应用对象 的原因，其成本不能过高，操作应尽量简单，由于这些 因素，减速机技术一直是日光温室机械卷帘技术的研究 重点。 目前常见的日光温室机械卷帘减速机主要包括直齿 圆柱齿轮式，蜗轮蜗杆式，少齿差行星轮式，蜗轮蜗杆 柱齿轮式，斜齿轮式等类型，每种减速机型都有其自身 的优势和存在的缺陷 [12] 。 1）直齿圆柱齿轮式 直齿圆柱齿轮式是最早的日光温室机械卷帘减速机 型，目前市场应用比例最大，具有传动效率高，加工难 度低，装配精度要求不高，成本较低，便于维修等优点。 为实现日光温室机械卷帘所需的较大传动比，直齿圆柱 齿轮式机械卷帘减速机一般需要 3 级或 4 级齿轮传动减 速，自身机体质量较大，且直齿圆柱齿轮式往往因为装 配精度不高，齿轮磨损严重等原因，故障发生率高、安 全性较差。而且由于齿轮传动原因，没有自锁功能，需 要另加装一套刹车（制动）机构，刹车机构一般为带摩 擦片的棘轮机构，长期磨损下极易导致制动失效，导致 生产安全事故的发生 [39] 。 2）蜗轮蜗杆式 生维普在 1996年设计的卷帘机已经将蜗轮蜗杆减速 机应用到日光温室机械卷帘中，蜗轮蜗杆结构具有很好 的自锁性能，减速机结构也较为紧凑，可以有效的防止 卷帘失控下滑，目前在卷帘机市场应用中也较为广泛，可 实现较大传动比，但蜗轮蜗杆传动效率往往较低，结构磨损 严重，所造成的生产损耗较大 [19] 。2003 年，连序平所设 计的双蜗式卷帘机采用两级的蜗轮蜗杆减速，由于传动结 构磨损严重，传动效率较低，难以应用于市场 [40] 。 3）少齿差行星轮式 少齿差行星轮式减速机，其传动形式又称“摆线针 轮传动”，能够以较小的齿差的内啮合齿轮实现较大的 传动比，内、外齿轮齿数差越少，每级传动所得到的传 动比越大，传动效率较高，结构也较为紧凑，有效地减 小了机械卷帘减速机自身质量，且由于行星轮的结构， 减速机具有很好的制动性能，可靠性较高 [41] 。但由于其 结构加工精度要求较高，安装复杂，维修不便，其市场 价格也较高，目前在于市场应用较少。 4）蜗轮蜗杆柱齿轮式 蜗轮蜗杆柱齿轮式减速机兼具蜗轮蜗杆及齿轮传动 的优点，在实现较大传动比的同时，能够实现装置自锁， 结构较为简单，对加工，安装精度等要求也较低，造价 不高，是目前采用的较为理想的日光温室机械卷帘减速 机 [42] ，应用广泛，但同时也存在由于齿轮传动部分的接 触点少，而导致传递不稳定，承载力差等问题，损坏率 也比较高。 5）斜齿轮式 斜齿轮式减速机具有啮合齿数多，重合度高，耐冲 击强，振动小，承载能力高等优点，生产加工较易，质 量也容易保证，替换方便，但传动时会存在轴向力，难 以消除，影响机械卷帘减速机安全 [43] 。 除以上 5 种主要的机械卷帘减速机型外，还存在其 它类型的机械卷帘减速机和多种减速形式融合的减速机 型，例如双箱体减速机，采用将蜗轮蜗杆传动与斜齿轮 传动分别放置在 2 个独立箱体中，具有 2 种传动形式优 势，但目前其研究与市场应用较少 [44] 。 2.2 日光温室卷帘位置的检测与控制技术 机械卷帘装置安全、有效的控制在日光温室机械卷 帘技术生产实际应用中尤为重要，日光温室卷帘位置的 检测与控制技术便成为日光温室机械卷帘的关键技术， 只有确定卷帘的位置，才能控制日光温室机械卷帘装置 的具体动作，以实现对日光温室环境的有效控制。目前 常用的日光温室卷帘位置的检测和控制技术有机械式 限位控制，角度传感检测，非接触式测控，时间继电器 控制，室内环境传感测控等 [45-48] 。 1）机械式限位控制技术 机械式限位控制技术是最早的日光温室卷帘位置的 检测和控制技术，但目前大多只能实现对有限数量的卷 帘位置点的检测，检测力度极为有限，通常仅用于机械 卷帘装置本身的安全限位控制。其工作原理是通过在日 光温室相应位置安装机械式触动限位开关，将开关接入 控制电路，当卷帘运动至所限定的位置，触动开关，切 断电路，卷帘停至预定位置 [49] ，这种限位控制结构也可 以在动力输出装置中实现，同样可以达到控制卷帘位置 的效果 [50] 。所需的技术含量低，可自行安装等优点，使 其在日光温室卷帘位置检测和控制过程中得到广泛应用。 2）角度传感检测技术 角度传感器检测技术是目前较为有效的日光温室卷 帘位置检测技术，但其在使用过程中，并不用于直接观 察或检测卷帘所处位置，而是通过类似于测量前置卷轴 上推式卷帘机上、下支撑臂铰链及下支撑臂的活动支架 处的角度变化，结合上、下支撑杆长度及安装位置确定 卷帘位置的水平投影，再通过曲线拟合的方法，间接确 定卷帘在日光温室棚面上的位置，同时在实际应用中， 角度传感器的安装位置可以根据实地情况进行调整，以 达到对卷帘位置有效检测目的。角度传感器检测技术实 现的卷帘位置检测精确度较高，且不受检测位置节点数 量的影响，配合机械卷帘装置的控制，可以达到很好的 卷帘效果 [51-52] ，但由于角度传感器安装位置多处于温室 外部环境中，且角度信息采集部件运用过程中会存在较 大的震动，会对角度传感器的角度数值采集造成干扰与 影响，需要经常对其进行重新的校正和调整。 3）非接触式测控技术 非接触式测控技术技术在目前日光温室卷帘位置检 测和控制过程中，也较为常见。其工作原理大多是利用 类似于电感式传感器的电磁感应把被测的物理量如位 移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感增刊 1 张国祥等中国日光温室机械卷帘技术发展现状与趋势 5 系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输 出，实现非电量到电量的转换，用以检测所测物理量 [53] 。 在其应用过程中，将电感式传感器其安装在卷帘行程限 定位置，当卷帘到达预定位置，被传感器感知，信号传 回控制中心，即可实现对日光温室卷帘的行程控制。除 此之外，超声波测控技术、激光测控技术也与之具有类 似原理，非接触式测控技术对卷帘位置检测和控制同样 可能受到外界自然环境的影响，但其准确性与可靠性相 对较高，目前被广泛应用于日光温室的智能化、信息化 控制中 [54-55] 。 4）时间继电器测控技术 时间继电器测控技术，其工作原理是利用时间继电 器的延时控制实现对日光温室机械卷帘装置的时间限位 控制，通过对机械卷帘速度与卷帘时间的计算，从而估 算卷帘行程位置，相比较前三者的卷帘位置检测及控制 技术，由于可时间继电器可直接安装在室内的卷帘控制 电路系统上，受到的外界自然因素影响较小，安全性高， 但由于受卷放阻力、起卷位置等因素的影响，将时间作 为日光温室卷帘位置的检测和控制参数，其准确性和精 度较低，卷帘位置的检测和控制误差往往较大 [56-57] 。 5）室内环境传感技术 卷帘位置的变化会引起日光温室内部光照条件、空 气温度等环境因素的改变，室内环境传感器技术便是依 据这种原理，通过实现对日光温室内的光照，空气温度 等与卷帘位置相关的环境因素的有效感知，以实现对日 光温室卷帘位置的智能化控制 [58] 。目前常用于日光温室 卷帘位置控制的室内环境传感器主要是光照传感器和空 气温度传感器，主要原因为卷帘位置对于日光温室光照 条件和空气温度的影响较为直接和有效，但是就日光温 室环境本身而言，日光温室是一个非线性、多输入多输 出、强耦合、时变、大时延的动态复杂环境对象，其各 个环境因素存在很强的耦合关系，例如在同一时间内， 卷帘位置变化直接影响的光照条件变化会影响温室内部 的温度、湿度和 CO 2 浓度等多个环境因素 [59-60] ，所以室 内传感器技术在应用于日光温室卷帘位置控制过程，往 往需要多种室内环境传感器组成整体温室的环境信息感 知网络，且由于卷帘位置的变化对于日光温室环境因素 的影响具有滞后性，所以通常需要建立基于卷帘位置变 化的日光温室环境预测模型。室内传感器技术应用于日 光温室卷帘位置控制过程中，往往和其他的卷帘位置检 测和控制技术相互配合，以形成日光温室卷帘位置控制 系统，其系统典型结构如图 5 所示。 图5 日光温室卷帘位置控制系统的典型结构 Fig.5 Typical structure of the position control system for rolling shutter in solar greenhouse 目前常用日光温室卷帘位置控制的环境预测模型多 涉及模糊控制算法，遗传算法优化 BP 人工神经网络控制 等智能控制技术，实现日光温室卷帘位置控制系统的通 信网络涉及的信息化技术主要有用于近距离通信的 ZigBee 技术、Wi-Fi 技术等和用于远程控制的 GSM、 GPRS、CDMA 等远程通信技术 [61-66] 。 2.3 日光温室机械卷帘安全保障技术 安全事故的频繁发生一直是日光温室机械卷帘技术 难以大范围普及的重要原因，机械卷帘生产事故的发 生，轻则影响作物产量，重则棚体严重受损，且可能会 造成生产人员的伤亡。而对于不同类型的日光温室机械 卷帘装置，所存在的安全隐患也相应有所不同 [67-70] 。 后置卷绳上拉式卷帘机的牵引绳索缺乏必要的约 束，会存在绕线混乱、“无序叠线”等作业问题，且存 在作业人员肢体被绳索缠绕或是衣物被卷绳杆上的固定 螺栓等凸起部件挂到，进而造成人员伤亡，此类事故在 日光温室机械卷帘技术应用过程中极为常见 [71] ；卷帘载 荷异常猛增、结构锈蚀、受力分布不均等原因会造成卷 帘轴、支撑杆、卷绳杆等部件的断裂或损坏，这在棚面 自走式卷帘机使用过程中尤为常见 [12] ，且棚面自走式卷 帘机还存在卷帘机机体压损棚体、减速机损坏等安全隐 患 [72] 。除此之外，卷帘机操作不当、缺乏限位装置、恶 劣自然因素均会对日光温室机械卷帘安全造成严重的威 胁，因此关于日光温室机械卷帘安全保障技术近年来尤 受重视 [73-76] 。 目前主要用于保障日光温室机械卷帘安全的技术分 为机械卷帘执行端保护技术和机械卷帘控制端保护技 术。其中，执行端保护技术主要包括机械卷帘装置的自 锁技术和安全防护技术，如目前常用的蜗轮蜗杆减速机 构，可有效地实现机械卷帘装置自锁，防止卷帘失控下滑 [19] ；在减速机内部的机械限位保护结构以及在危险部件 位置安装防护罩等 [50] 。而控制端保护技术，主要采用从 机械卷帘控制电路或是控制系统方面来实现对日光温室 机械卷帘安全的保障。例如目前所使用的各类机械卷帘 行程保护开关，形成卷帘到达预定位置的自动断电保护 电 路 [22,76] ， 以及类似于在对卷帘控制系统进行防护性的 优化和改进，2015 年，樊庚 [57] 在进行基于全防护性上拉 式卷帘控制系统优化时，将卷帘机的控制模式分为日常 模式、应急模式和维修模式 3 种，针对卷帘机不同的工 作状态采用不同的控制模式，例如在触发应急模式时， 不能开启日常模式，只能在消除应急状态才可以复位， 正常使用日常模式。 日光温室机械卷帘的安全保障近年来也逐渐受到国 家及相关部门的重视，推出了日光温室机械卷帘技术的 相关生产标准及其技术规范 [77-80] 。 3 趋势分析与展望 随着设施农业的发展和日光温室的迅速普及，日光 温室机械卷帘技术在日光温室农业生产实践中得到了广农业工程学报（http//www.tcsae.org） 2017年 6 泛应用，但目前针对日光温室机械卷帘技术仍有许多问 题需要深入研究。 1）日光温室机械卷帘装置向提高装置卷帘效率和装 置适用性方向进行优化 虽然目前市场上的各类日光温室卷帘机种类繁多， 但其卷帘装置依旧存在卷帘效率低，卷帘不齐、效果不 佳、适用性不强、安全性差等问题，日光温室机械卷帘 装置的优化将是日光温室机械卷帘技术的重要发展趋 势。且其将主要体现在以下 2 个方面 ①提高卷帘效率， 减少日光温室卷帘作业时间，解决现有机械卷帘装置在 使用过程中出现的绳索整理不便、卷帘不到位、卷帘不 齐等作业问题，优化卷帘效果； ②提高卷帘装置适用性， 使得机械卷帘装置可以适用于不同规格的日光温室棚 室，提高卷帘装置适用性也将有益于日光温室机械卷帘 技术的市场推广与实践应用。 2）机械卷帘安全保障技术将受到更多关注和更大规 模地应用发展 安全保障依旧是日光温室机械卷帘技术应用过程中 需要重视的关键性问题，日光温室机械卷帘安全保障相 关技术标准和规范需进一步完善。通过日光温室机械卷 帘装置的改进、安装安全防护装置，增强机械卷帘执行 端的作业安全性，提高机械卷帘装置在恶劣自然环境下 的可靠性；通过控制保护电路和机械卷帘安全防护系统 设计实现机械卷帘控制端的机械卷帘安全保障都将是机 械卷帘安全保障技术的重要发展方向， 这也将使日光温室 机械卷帘安全保障技术得到更大规模地应用和发展。 3）日光温室机械卷帘控制系统将向更加智能化和信 息化的方向发展 集约化、规模化的日光温室生产需要更加智能化、 信息化的日光温室机械卷帘技术。利用角度传感器技 术、非接触式测控技术等信息化手段实现对日光温室卷 帘位置的有效检测和控制；利用环境传感器技术对卷帘 影响的日光温室环境信息实现有效地感知；通过 WIFI、 GSM 等远、近距离通信技术实现日光温室卷帘位置检 测、卷帘控制指令等重要信息的及时有效传输都将使日 光温室机械卷帘技术的发展和应用趋于信息化。在应用 现代信息化技术获取的日光温室大量环境信息数据基础 上，进一步对数据进行融合、智能化处理形成基于日光 温室机械卷帘的温室环境预测模型，从而实现对日光温 室机械卷帘更加智能化、信息化的控制，配合日光温室 其他配套设施实现日光温室环境有效控制，这将是日光 温室机械卷帘技术的重要发展方向和趋势。 4 结 论 日光温室机械卷帘技术的普及和应用给日光温室作 业带来极大的生产便利，随着中国设施农业的发展，对 于日光温室机械卷帘技术需求也在不断增加和更新，从 最初的减少作业人员劳动强度到保证机械卷帘安全和实 现日光温室机械卷帘信息化智能化，这也反映不同需求 背景下的日光温室机械卷帘技术的发展历程。中国的日 光温室机械卷帘技术发展历史较短，研发环境相对独立， 目前在其应用过程中依旧存在着一些类似于卷帘效果不 佳、存在安全隐患等问题，这就要求当今日光温室机械 卷帘技术的发展一方面需要继续对现有的日光温室机械 卷帘装置做提高效率、实用性等方面的优化，针对机械 卷帘过程中所存在的安全隐患，发展和应用机械卷帘安 全保障技术；另一方面需要结合现代信息技术，利用信 息化技术获取的日光温室大量环境信息数据，使用数据 融合、环境预测模型等智能化信息处理技术，从而实现 对日光温室机械卷帘更加智能化、信息化的控制，进而 实现对日光温室环境的有效控制。 [参 考 文 献] [1] 魏晓明，周长吉，曹楠，等. 中国日光温室结构及性能的 演变[J]. 江苏农业学报，2012，284855－860. Wei Xiaoming, Zhou Changji, Cao Nan, et al. Evolution of structure and perance of Chinese solar greenhouse[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2012, 284 855－ 860. in Chinese with English abstract [2] 魏晓明，齐飞，丁小明，等. 我国设施园艺取得的主要成 就[J]. 农机化研究，2010，3212227－231. Wei Xiaoming, Qi Fei, Ding Xiaoming, et al. Main achievements in China facility horticulture[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 3212 227－231. in Chinese with English abstract [3] 李天来. 我国日光温室产业发展现状与前景[J]. 沈阳农业 大学学报，2005，362131－138. Li Tianlai. Current situation and prospects industry development of green house in China[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2005, 362 131－138. in Chinese with English abstract [4] 管勇，陈超，李琢，等. 相变蓄热墙体对日光温室热环境 的改善[J]. 农业工程学报，2012，2810194－201. Guan Yong, Chen Chao, Li Zhuo, et al. Improving thermal environment in solar greenhouse with phase-change thermal storage wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engi