5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能收割通信系統(tǒng)優(yōu)化
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摘要:為進(jìn)一步提升我國農(nóng)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(dāng)前引領(lǐng)先進(jìn)的5g網(wǎng)絡(luò)技術(shù),針對智能收割機的通信系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。以收割機主要結(jié)構(gòu)組成與通信原理為切入點,以5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐,結(jié)合智能收割機作業(yè)功能需求,設(shè)定智能精準(zhǔn)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(yōu)化與硬件適應(yīng)配置形成高速率通信系統(tǒng)。同時,展開收割作業(yè)試驗,結(jié)果表明:采用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的收割機通信系統(tǒng),通信準(zhǔn)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(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。該智能收割機的綜合收割效率提升至91.84%,優(yōu)化效果明顯,具有很好的推廣價值。
關(guān)鍵詞:收割機;收割效率;5G網(wǎng)絡(luò);解碼;通信速率
0引言
我國通信技術(shù)不斷進(jìn)步,已逐漸上升到了第五代通信技術(shù),并被應(yīng)用到移動智慧通信領(lǐng)域。目前,我國農(nóng)業(yè)裝備邁進(jìn)智能通信、高效作業(yè)的行列。經(jīng)閱讀文獻(xiàn)可知,用于農(nóng)作物收獲的收割機在軟件、硬件方面表現(xiàn)出來的良好性能可有效促進(jìn)農(nóng)作物的大規(guī)模、高效率收獲,主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化與較為通用的PLC控制方面,通信系統(tǒng)還有待進(jìn)一步增強。5G具有強大的異構(gòu)特性、高速率傳輸、自組織網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點,是綠色通信的主力軍,筆者擬在車載無線通信的基礎(chǔ)上,以提高收割的通信性能與收割效率為預(yù)期目標(biāo),嘗試融入5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù),針對智能收割機的通信系統(tǒng)展開優(yōu)化探究。
1智能收割機概述
智能收割機作為常用的大型農(nóng)機化裝備,主要實現(xiàn)代替人工進(jìn)行高效收割,主要組成結(jié)構(gòu)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(tǒng)包含通信系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)與行走控制系統(tǒng)。其中,行走控制系統(tǒng)下設(shè)有收割機軌跡運行跟蹤與預(yù)測信號指令模塊,傳動系統(tǒng)則負(fù)責(zé)實現(xiàn)收割各部件功與指令的傳遞。智能收割通信系統(tǒng)具有多項傳感裝置,分別對喂入攪籠、輸送攪籠、脫粒滾筒、風(fēng)機、割臺及割刀等的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實時信號傳遞,信號經(jīng)無線傳輸線路匯至監(jiān)測控制中心,從而發(fā)出下一步的收割、行進(jìn)指令。
2.15G網(wǎng)絡(luò)模型
以5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐,針對該智能收割機的通信系統(tǒng)展開優(yōu)化,其5G模型如圖2所示。結(jié)合智能收割機作業(yè)過程的原理與功能需求目標(biāo),考慮編碼與解碼的一致性、多地址干擾等因素,選擇從實質(zhì)作業(yè)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(tǒng)優(yōu)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(tǒng)數(shù)據(jù)解碼路徑下的接收信號;rkEH—智能收割機通信系統(tǒng)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(tǒng)單一信道發(fā)送信號量;Vs—智能收割機通信信道數(shù)量;nk—智能收割機通信系統(tǒng)模塊分支數(shù)量;wk—該智能收割機通信系統(tǒng)中存在的噪聲值。根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)控制內(nèi)部算法,融入信號的覆蓋面與路徑?jīng)Q策參數(shù),以及收割作物特點、收割區(qū)域與未收割區(qū)域等采集參數(shù)信息進(jìn)行靈活識別且選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信通道,并給出用于智能收割通信系統(tǒng)優(yōu)化的模型布局。具體做法為:在農(nóng)田設(shè)置5G基站,根據(jù)收割區(qū)域的大小設(shè)置微基站,通過高速率的光纖通信、信息調(diào)制后輸入該智能收割機的通信系統(tǒng),并經(jīng)信息解調(diào)后實現(xiàn)收割各裝置的精準(zhǔn)化動作輸出。
2.2系統(tǒng)軟件布局
在原智能收割系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過集成、封裝等方式確保通信網(wǎng)絡(luò)的知識庫與數(shù)據(jù)庫得到同步更新。結(jié)合表1所示的基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能收割機通信核心參數(shù)優(yōu)化列表,增設(shè)各收割信號的自適應(yīng)模塊,可作為實現(xiàn)5G通信的核心條件之一。針對系統(tǒng)的功能分配,結(jié)合基于5G技術(shù)的智能收割通信系統(tǒng)信號傳輸簡圖(見圖3),在信道編碼通過比特流、網(wǎng)絡(luò)映射傳輸至RF的這一路徑中植入FEC編碼反饋,作為信息數(shù)據(jù)流閉環(huán)調(diào)控的主控功能;同時,在網(wǎng)絡(luò)映射、符合級交織與補零功能三者間亦構(gòu)成閉環(huán),確保智能收割的執(zhí)行部件的作業(yè)信息得到實時共享。在5G網(wǎng)絡(luò)通信控制模型的基礎(chǔ)上,在收割信息進(jìn)行分解之前,融入時間轉(zhuǎn)換模塊,將時間細(xì)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(nèi)部的算法優(yōu)化則根據(jù)通信主流程執(zhí)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(zhuǎn)速、行進(jìn)速度等關(guān)鍵信息經(jīng)多功能傳感模塊、各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計、收割程序的驅(qū)動環(huán)節(jié)實現(xiàn)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(jiān)控與信息調(diào)用。
2.3系統(tǒng)硬件優(yōu)化
以實現(xiàn)最優(yōu)路徑、最高效率收割行走路徑為目標(biāo),并與該系統(tǒng)的軟件模塊相適應(yīng),選擇并給出基于5G技術(shù)的智能收割通信系統(tǒng)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(yè)速度信號、輸送攪籠信號及輸送裝置信號,各通信數(shù)據(jù)傳至中心控制器后在內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化分配。針對該通信系統(tǒng)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(shù)目,將電路中各收割信號端口,如限位、光電、輸入、輸出、驅(qū)動等有序正確連接。智能收割實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)通信,進(jìn)行關(guān)鍵協(xié)議參量設(shè)定,如表2所示。當(dāng)智能收割的作業(yè)信息經(jīng)5G基站轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)流分配后到達(dá)智能收割機本體;此時,需設(shè)置功率分配器,當(dāng)信息數(shù)據(jù)經(jīng)多路特征信道后匯總至功率分配器,實現(xiàn)MIMO模式下的收割能量輸出,體現(xiàn)出5G高速低延遲的優(yōu)勢。智能收割機的駕駛室內(nèi)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(yīng)裝置,視頻中間轉(zhuǎn)換配置DSP+ARM復(fù)合模塊,與5G發(fā)送模塊實現(xiàn)嵌入式對接,最終在人機交互界面顯示。
3收割作業(yè)試驗
3.1試驗條件
對優(yōu)化的智能收割機系統(tǒng)調(diào)試后,展開收割作業(yè)試驗。收割作物選擇為冬小麥,收割面積為800mm×800m,行進(jìn)速度在1.5~2.8m/s可調(diào),同時需滿足如下條件:①收割滾筒轉(zhuǎn)速、攪籠轉(zhuǎn)速、輸送槽轉(zhuǎn)速配合符合性能要求;②通信系統(tǒng)采集線路、接口牢靠、數(shù)據(jù)傳輸顯示正常;③收割機各執(zhí)行裝置可按指令動作、協(xié)調(diào)性好。
3.2過程分析
在同等的收割外部試驗基礎(chǔ)上,選擇該通信系統(tǒng)的收發(fā)信號量作自變量,進(jìn)行5組數(shù)據(jù)監(jiān)測,對比每次信號準(zhǔn)確執(zhí)行量的變化,進(jìn)而得到如表3所示的基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能收割機作業(yè)試驗通信數(shù)據(jù)統(tǒng)計。由表3可看出:信號發(fā)送量為1000時,接收量為996,準(zhǔn)確執(zhí)行量為980,信號準(zhǔn)確率為98.39%;信號發(fā)送量為1500時,準(zhǔn)確執(zhí)行量為1450,信號準(zhǔn)確率為97.97%;信號發(fā)送量為2500時,準(zhǔn)確執(zhí)行量為2456,信號準(zhǔn)確率為98.95%;信號發(fā)送量為3000時,準(zhǔn)確執(zhí)行量為2882,信號準(zhǔn)確率為98.83%。該通信系統(tǒng)由于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)據(jù)表明了該智能收割機通信系統(tǒng)優(yōu)化的可行性。按照一定的評定基準(zhǔn),將經(jīng)5G通信優(yōu)化后的智能收割機作業(yè)性能指標(biāo)深入分析對比,選定系統(tǒng)通信準(zhǔn)確率、通信速率、收割作物損失率、系統(tǒng)穩(wěn)定性及整機收割效率作為核心性能指標(biāo),得到智能收割機通信系統(tǒng)優(yōu)化的收割效果與核心性能指標(biāo)對比,如表4所示。由表4可得出:與具有普通網(wǎng)絡(luò)通信控制功能的農(nóng)作物收割機相比較,采用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的通信控制系統(tǒng)的農(nóng)收割機,系統(tǒng)通信準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特性;同時,經(jīng)轉(zhuǎn)換核算后的農(nóng)作物損失率大大降低,由9.46%降低至3.26%,通信系統(tǒng)穩(wěn)定性相應(yīng)地由83.40%提升至91.33%。由此驗證了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)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(biāo)試驗效果符合預(yù)期功能要求。
4結(jié)論
1)根據(jù)當(dāng)前技術(shù)較為成熟的農(nóng)作物收割機結(jié)構(gòu)組成與作業(yè)機理,融入5G通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),以提高收割通信系統(tǒng)的性能為主旨,將5G網(wǎng)絡(luò)理論模型植入收割通信系統(tǒng),并從主要軟件布局與硬件匹配兩大方面進(jìn)行綜合優(yōu)化,得到完整可行的智能收割通信系統(tǒng)。2)開展該智能收割通信系統(tǒng)優(yōu)化下的收割作業(yè)試驗,結(jié)果表明:基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的收割機的智能化程度得到有效改善,系統(tǒng)的通信速率與通信準(zhǔn)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(yōu)化可行。
作者:王敏 單位:河南藝術(shù)職業(yè)學(xué)院實驗實訓(xùn)管理中心