摘要 我国通信技术不断进步,已逐渐上升到了第五代通信技术,并被应用到移动智慧通信领域。目前,我国农业装备迈进智能通信、高效作业的行列。经阅读文献可知,用于农作物收获的收割机在软件、
我国通信技术不断进步,已逐渐上升到了第五代通信技术,并被应用到移动智慧通信领域。目前,我国农业装备迈进智能通信、高效作业的行列。经阅读文献可知,用于农作物收获的收割机在软件、硬件方面表现出来的良好性能可有效促进农作物的大规模、高效率收获,主要体现在结构优化与较为通用的PLC控制方面,通信系统还有待进一步增强。5G具有强大的异构特性、高速率传输、自组织网络优点,是绿色通信的主力军,笔者拟在车载无线通信的基础上,以提高收割的通信性能与收割效率为预期目标,尝试融入5G网络技术,针对智能收割机的通信系统展开优化探究。
1智能收割机概述
智能收割机作为常用的大型农机化装备,主要实现代替人工进行高效收割,主要组成结构如图1所示。其核心的硬件装置包含输送装置、行走装置、脱粒装置和分离装置;核心的软件系统包含通信系统、传动系统与行走控制系统。其中,行走控制系统下设有收割机轨迹运行跟踪与预测信号指令模块,传动系统则负责实现收割各部件功与指令的传递。智能收割通信系统具有多项传感装置,分别对喂入搅笼、输送搅笼、脱粒滚筒、风机、割台及割刀等的作业状态进行实时信号传递,信号经无线传输线路汇至监测控制中心,从而发出下一步的收割、行进指令。
2通信系统优化
2.15G网络模型
以5G网络技术为支撑,针对该智能收割机的通信系统展开优化,其5G模型如图2所示。结合智能收割机作业过程的原理与功能需求目标,考虑编码与解码的一致性、多地址干扰等因素,选择从实质作业时的功率分割入手,分解为智能收割和信息高速解码,并引入功率分割因子,建立适用于智能收割通信系统优化的理论模型,即rIDk=ρk(HkVs+nk)+wkrEHk=1-ρk(HkVs+nk){(1)式中rkID—智能收割机通信系统数据解码路径下的接收信号;rkEH—智能收割机通信系统功率分割路径下的接收信号;ρk—智能收割机的功率分割因子;Hk—智能收割机通信系统单一信道发送信号量;Vs—智能收割机通信信道数量;nk—智能收割机通信系统模块分支数量;wk—该智能收割机通信系统中存在的噪声值。根据5G网络控制内部算法,融入信号的覆盖面与路径决策参数,以及收割作物特点、收割区域与未收割区域等采集参数信息进行灵活识别且选择相应的网络通信通道,并给出用于智能收割通信系统优化的模型布局。具体做法为:在农田设置5G基站,根据收割区域的大小设置微基站,通过高速率的光纤通信、信息调制后输入该智能收割机的通信系统,并经信息解调后实现收割各装置的精准化动作输出。
2.2系统软件布局
在原智能收割系统的基础上,通过集成、封装等方式确保通信网络的知识库与数据库得到同步更新。结合表1所示的基于5G网络技术智能收割机通信核心参数优化列表,增设各收割信号的自适应模块,可作为实现5G通信的核心条件之一。针对系统的功能分配,结合基于5G技术的智能收割通信系统信号传输简图(见图3),在信道编码通过比特流、网络映射传输至RF的这一路径中植入FEC编码反馈,作为信息数据流闭环调控的主控功能;同时,在网络映射、符合级交织与补零功能三者间亦构成闭环,确保智能收割的执行部件的作业信息得到实时共享。在5G网络通信控制模型的基础上,在收割信息进行分解之前,融入时间转换模块,将时间细化为上行信道估计段、信息传输段与收割能量传输段,充分利用无线传输装置;内部的算法优化则根据通信主流程执行原则,匹配收割路径可视化功能与精确度较好的差分算法。此时,智能收割机的割台高度、滚筒转速、行进速度等关键信息经多功能传感模块、各网络节点设计、收割程序的驱动环节实现合理衔接,采用帧格式接入AMP通信检测算法,确保实时收割监控与信息调用。
2.3系统硬件优化
以实现最优路径、最高效率收割行走路径为目标,并与该系统的软件模块相适应,选择并给出基于5G技术的智能收割通信系统硬件分配简图,如图4所示。在主信号控制电路下接入脱粒滚筒信号、作业速度信号、输送搅笼信号及输送装置信号,各通信数据传至中心控制器后在内部进行优化分配。针对该通信系统的控制电路,选择C8051系列的单片机作为主控装置,确保各引脚、接口、定时及中断端口的数目,将电路中各收割信号端口,如限位、光电、输入、输出、驱动等有序正确连接。智能收割实现5G网络通信,进行关键协议参量设定,如表2所示。当智能收割的作业信息经5G基站转换处理、数据流分配后到达智能收割机本体;此时,需设置功率分配器,当信息数据经多路特征信道后汇总至功率分配器,实现MIMO模式下的收割能量输出,体现出5G高速低延迟的优势。智能收割机的驾驶室内部配备高速率的通信与视频显示装置,信号采集时配置CCD感应装置,视频中间转换配置DSP+ARM复合模块,与5G发送模块实现嵌入式对接,最终在人机交互界面显示。
3收割作业试验
3.1试验条件
对优化的智能收割机系统调试后,展开收割作业试验。收割作物选择为冬小麦,收割面积为800mm×800m,行进速度在1.5~2.8m/s可调,同时需满足如下条件:①收割滚筒转速、搅笼转速、输送槽转速配合符合性能要求;②通信系统采集线路、接口牢靠、数据传输显示正常;③收割机各执行装置可按指令动作、协调性好。
3.2过程分析
在同等的收割外部试验基础上,选择该通信系统的收发信号量作自变量,进行5组数据监测,对比每次信号准确执行量的变化,进而得到如表3所示的基于5G网络技术的智能收割机作业试验通信数据统计。由表3可看出:信号发送量为1000时,接收量为996,准确执行量为980,信号准确率为98.39%;信号发送量为1500时,准确执行量为1450,信号准确率为97.97%;信号发送量为2500时,准确执行量为2456,信号准确率为98.95%;信号发送量为3000时,准确执行量为2882,信号准确率为98.83%。该通信系统由于5G网络技术的融入,在抗干扰与误传输率方面也有所改善,在此不做赘述,表3数据表明了该智能收割机通信系统优化的可行性。按照一定的评定基准,将经5G通信优化后的智能收割机作业性能指标深入分析对比,选定系统通信准确率、通信速率、收割作物损失率、系统稳定性及整机收割效率作为核心性能指标,得到智能收割机通信系统优化的收割效果与核心性能指标对比,如表4所示。由表4可得出:与具有普通网络通信控制功能的农作物收割机相比较,采用5G网络技术的通信控制系统的农收割机,系统通信准确率可由89.44%提至98.63%,通信速率由88.89%提高至98.87%,速率提升明显,符合5G网络技术的特性;同时,经转换核算后的农作物损失率大大降低,由9.46%降低至3.26%,通信系统稳定性相应地由83.40%提升至91.33%。由此验证了系统的优化设计的合理性,从而确保该智能收割机的综合收割效率由83.25%提升为91.84%,相对提升了8.59%,各项指标试验效果符合预期功能要求。
4结论
1)根据当前技术较为成熟的农作物收割机结构组成与作业机理,融入5G通信网络控制技术,以提高收割通信系统的性能为主旨,将5G网络理论模型植入收割通信系统,并从主要软件布局与硬件匹配两大方面进行综合优化,得到完整可行的智能收割通信系统。2)开展该智能收割通信系统优化下的收割作业试验,结果表明:基于5G网络技术的收割机的智能化程度得到有效改善,系统的通信速率与通信准确率均可相对提升9.0%以上,整机综合收割效率可提升至90.0%以上,优化可行。
《基于5G网络技术的智能收割通信系统优化》来源：《农机化研究. 2023,45(03)》，作者:王敏
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