5G網絡技術智能收割通信系統優化

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摘要:為進一步提升我國農作物收割機的智能化通信水平,全面提高其收割效率,融合當前引領先進的5g網絡技術,針對智能收割機的通信系統進行了優化。以收割機主要結構組成與通信原理為切入點,以5G網絡技術為支撐,結合智能收割機作業功能需求,設定智能精準收割和信息高速解碼為分解因素,建立用于收割機智能通信的核心理論模型,通過核心軟件模塊優化與硬件適應配置形成高速率通信系統。同時,展開收割作業試驗,結果表明:采用5G網絡技術的收割機通信系統,通信準確率與通信速率分別相對提升了9.19%與9.98%,收割損失率降低了6.20%,體現了5G網絡技術的應用優勢。該智能收割機的綜合收割效率提升至91.84%,優化效果明顯,具有很好的推廣價值。

關鍵詞:收割機;收割效率;5G網絡;解碼;通信速率

0引言

我國通信技術不斷進步,已逐漸上升到了第五代通信技術,并被應用到移動智慧通信領域。目前,我國農業裝備邁進智能通信、高效作業的行列。經閱讀文獻可知,用于農作物收獲的收割機在軟件、硬件方面表現出來的良好性能可有效促進農作物的大規模、高效率收獲,主要體現在結構優化與較為通用的PLC控制方面,通信系統還有待進一步增強。5G具有強大的異構特性、高速率傳輸、自組織網絡優點,是綠色通信的主力軍,筆者擬在車載無線通信的基礎上,以提高收割的通信性能與收割效率為預期目標,嘗試融入5G網絡技術,針對智能收割機的通信系統展開優化探究。

1智能收割機概述

智能收割機作為常用的大型農機化裝備,主要實現代替人工進行高效收割,主要組成結構如圖1所示。其核心的硬件裝置包含輸送裝置、行走裝置、脫粒裝置和分離裝置;核心的軟件系統包含通信系統、傳動系統與行走控制系統。其中,行走控制系統下設有收割機軌跡運行跟蹤與預測信號指令模塊,傳動系統則負責實現收割各部件功與指令的傳遞。智能收割通信系統具有多項傳感裝置,分別對喂入攪籠、輸送攪籠、脫粒滾筒、風機、割臺及割刀等的作業狀態進行實時信號傳遞,信號經無線傳輸線路匯至監測控制中心,從而發出下一步的收割、行進指令。

2通信系統優化

2.15G網絡模型

以5G網絡技術為支撐,針對該智能收割機的通信系統展開優化,其5G模型如圖2所示。結合智能收割機作業過程的原理與功能需求目標,考慮編碼與解碼的一致性、多地址干擾等因素,選擇從實質作業時的功率分割入手,分解為智能收割和信息高速解碼,并引入功率分割因子,建立適用于智能收割通信系統優化的理論模型,即rIDk=ρk(HkVs+nk)+wkrEHk=1-ρk(HkVs+nk){(1)式中rkID—智能收割機通信系統數據解碼路徑下的接收信號;rkEH—智能收割機通信系統功率分割路徑下的接收信號;ρk—智能收割機的功率分割因子;Hk—智能收割機通信系統單一信道發送信號量;Vs—智能收割機通信信道數量;nk—智能收割機通信系統模塊分支數量;wk—該智能收割機通信系統中存在的噪聲值。根據5G網絡控制內部算法,融入信號的覆蓋面與路徑決策參數,以及收割作物特點、收割區域與未收割區域等采集參數信息進行靈活識別且選擇相應的網絡通信通道,并給出用于智能收割通信系統優化的模型布局。具體做法為:在農田設置5G基站,根據收割區域的大小設置微基站,通過高速率的光纖通信、信息調制后輸入該智能收割機的通信系統,并經信息解調后實現收割各裝置的精準化動作輸出。

2.2系統軟件布局

在原智能收割系統的基礎上,通過集成、封裝等方式確保通信網絡的知識庫與數據庫得到同步更新。結合表1所示的基于5G網絡技術智能收割機通信核心參數優化列表,增設各收割信號的自適應模塊,可作為實現5G通信的核心條件之一。針對系統的功能分配,結合基于5G技術的智能收割通信系統信號傳輸簡圖(見圖3),在信道編碼通過比特流、網絡映射傳輸至RF的這一路徑中植入FEC編碼反饋,作為信息數據流閉環調控的主控功能;同時,在網絡映射、符合級交織與補零功能三者間亦構成閉環,確保智能收割的執行部件的作業信息得到實時共享。在5G網絡通信控制模型的基礎上,在收割信息進行分解之前,融入時間轉換模塊,將時間細化為上行信道估計段、信息傳輸段與收割能量傳輸段,充分利用無線傳輸裝置;內部的算法優化則根據通信主流程執行原則,匹配收割路徑可視化功能與精確度較好的差分算法。此時,智能收割機的割臺高度、滾筒轉速、行進速度等關鍵信息經多功能傳感模塊、各網絡節點設計、收割程序的驅動環節實現合理銜接,采用幀格式接入AMP通信檢測算法,確保實時收割監控與信息調用。

2.3系統硬件優化

以實現最優路徑、最高效率收割行走路徑為目標,并與該系統的軟件模塊相適應,選擇并給出基于5G技術的智能收割通信系統硬件分配簡圖,如圖4所示。在主信號控制電路下接入脫粒滾筒信號、作業速度信號、輸送攪籠信號及輸送裝置信號,各通信數據傳至中心控制器后在內部進行優化分配。針對該通信系統的控制電路,選擇C8051系列的單片機作為主控裝置,確保各引腳、接口、定時及中斷端口的數目,將電路中各收割信號端口,如限位、光電、輸入、輸出、驅動等有序正確連接。智能收割實現5G網絡通信,進行關鍵協議參量設定,如表2所示。當智能收割的作業信息經5G基站轉換處理、數據流分配后到達智能收割機本體;此時,需設置功率分配器,當信息數據經多路特征信道后匯總至功率分配器,實現MIMO模式下的收割能量輸出,體現出5G高速低延遲的優勢。智能收割機的駕駛室內部配備高速率的通信與視頻顯示裝置,信號采集時配置CCD感應裝置,視頻中間轉換配置DSP+ARM復合模塊,與5G發送模塊實現嵌入式對接,最終在人機交互界面顯示。

3收割作業試驗

3.1試驗條件

對優化的智能收割機系統調試后,展開收割作業試驗。收割作物選擇為冬小麥,收割面積為800mm×800m,行進速度在1.5~2.8m/s可調,同時需滿足如下條件:①收割滾筒轉速、攪籠轉速、輸送槽轉速配合符合性能要求;②通信系統采集線路、接口牢靠、數據傳輸顯示正常;③收割機各執行裝置可按指令動作、協調性好。

3.2過程分析

在同等的收割外部試驗基礎上,選擇該通信系統的收發信號量作自變量,進行5組數據監測,對比每次信號準確執行量的變化,進而得到如表3所示的基于5G網絡技術的智能收割機作業試驗通信數據統計。由表3可看出:信號發送量為1000時,接收量為996,準確執行量為980,信號準確率為98.39%;信號發送量為1500時,準確執行量為1450,信號準確率為97.97%;信號發送量為2500時,準確執行量為2456,信號準確率為98.95%;信號發送量為3000時,準確執行量為2882,信號準確率為98.83%。該通信系統由于5G網絡技術的融入,在抗干擾與誤傳輸率方面也有所改善,在此不做贅述,表3數據表明了該智能收割機通信系統優化的可行性。按照一定的評定基準,將經5G通信優化后的智能收割機作業性能指標深入分析對比,選定系統通信準確率、通信速率、收割作物損失率、系統穩定性及整機收割效率作為核心性能指標,得到智能收割機通信系統優化的收割效果與核心性能指標對比,如表4所示。由表4可得出:與具有普通網絡通信控制功能的農作物收割機相比較,采用5G網絡技術的通信控制系統的農收割機,系統通信準確率可由89.44%提至98.63%,通信速率由88.89%提高至98.87%,速率提升明顯,符合5G網絡技術的特性;同時,經轉換核算后的農作物損失率大大降低,由9.46%降低至3.26%,通信系統穩定性相應地由83.40%提升至91.33%。由此驗證了系統的優化設計的合理性,從而確保該智能收割機的綜合收割效率由83.25%提升為91.84%,相對提升了8.59%,各項指標試驗效果符合預期功能要求。

4結論

1)根據當前技術較為成熟的農作物收割機結構組成與作業機理,融入5G通信網絡控制技術,以提高收割通信系統的性能為主旨,將5G網絡理論模型植入收割通信系統,并從主要軟件布局與硬件匹配兩大方面進行綜合優化,得到完整可行的智能收割通信系統。2)開展該智能收割通信系統優化下的收割作業試驗,結果表明:基于5G網絡技術的收割機的智能化程度得到有效改善,系統的通信速率與通信準確率均可相對提升9.0%以上,整機綜合收割效率可提升至90.0%以上,優化可行。

作者:王敏 單位:河南藝術職業學院實驗實訓管理中心