基于5G技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)設(shè)計

岳 威

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000）

現(xiàn)階段，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)工作依然需要借助人力，才能夠?qū)r(nóng)業(yè)機械進行管理與控制，工作效率較低，造成了人力資源的浪費。而當(dāng)前市場中農(nóng)業(yè)機械遙控設(shè)備以航?？刂葡到y(tǒng)為主，但該類型很難實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的兼容與控制?；诖?，本文針對現(xiàn)有的航模遙控系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計了一個基于5G技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過利用5G通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸和農(nóng)機控制，且系統(tǒng)還具備易操作、安全性高等優(yōu)點，可以有效滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)的需要[1]。

1 農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)整體設(shè)計概述

基于5G技術(shù)設(shè)計開發(fā)的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)主要由兩個部分構(gòu)成：遙控端和接收端。其中，本文選擇利用STM32F030C6主控模塊為系統(tǒng)的中央處理器。而5G通信模塊的應(yīng)用，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的遠距離通信傳輸，接收端主控模塊則在PID算法的作用下，實現(xiàn)了對PWM輸出信號的控制，具體農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于5G技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

2 基于5G技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

遙控系統(tǒng)軟件總體設(shè)計由遙控端主控模塊和接收端主控模塊兩個部分組成。其中，遙控端借助主控模塊中的數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）實現(xiàn)對霍爾操縱桿輸出電壓，對操縱桿的位置信息進行采集后，利用5G通信模塊發(fā)送撥號上網(wǎng)AT指令，并和接收端的5G通信模塊建立起通信。接收端在接收到遙控端所傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)之后，先根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進行解壓處理，然后利用脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器生成相應(yīng)的控制信號，以此實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的運動控制[2]。

2.2 5G技術(shù)的通信軟件設(shè)計

該軟件的設(shè)計，主要是利用5G通信模塊的撥號上網(wǎng)功能，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信連接，當(dāng)通信連接成功之后，可以借助5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問。

2.3 信號數(shù)據(jù)整合及分析

針對操縱桿位置信息的確認，需要利用霍爾操縱桿的兩路電壓信號，通過內(nèi)部的數(shù)字轉(zhuǎn)換器將這兩路的電壓信號轉(zhuǎn)為0~255數(shù)字量的兩路位置信息之后，才能夠幫助遙控端實現(xiàn)對操縱桿位置的標(biāo)定。此外，數(shù)據(jù)的格式為“a和e分別為起始標(biāo)識符和結(jié)束標(biāo)識符，左右、前后等位置數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了校驗”。因此，位置信息可以根據(jù)每一包數(shù)據(jù)的格式進行位置信息打包并發(fā)送到接收端，以此完成位置信息的發(fā)送。

同時，在接收到對應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，需要對其起始標(biāo)志位和結(jié)束標(biāo)志位等進行數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)篩選。接著利用讀取格式化的方式，實現(xiàn)對字符串中數(shù)據(jù)的提取。最后，結(jié)合校驗位檢測后的數(shù)據(jù)準確性，才能夠有效確保所應(yīng)用數(shù)據(jù)的有效性[3]，并采用CPU內(nèi)部的脈沖寬度調(diào)制生成相應(yīng)的輸出信號。

2.4 PID算法分析

若要進一步保障PWM輸出信號的準確性，本文選擇利用比例積分微分算法實現(xiàn)對輸出控制信號的處理。同時，借助主控芯片內(nèi)帶的數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對輸出脈沖寬度調(diào)制的有效電壓值進行測量，從而確認脈沖寬度調(diào)制的實際輸出值。最后，根據(jù)PID算法對預(yù)設(shè)輸出的PWM輸出信號進行運算，本設(shè)計所采用的位置式PID算法為：

從式（1）來看，遙控系統(tǒng)的實際輸出脈沖寬度調(diào)制信號和實際輸出值兩者之間的可控制偏差等分別由u(k)、e(k)來表示，給定預(yù)設(shè)輸出的PWM則由e(i)來表示，而Kp、KI、KD等分別代表了控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)。

2.5 農(nóng)機脫控檢測設(shè)計

基于5G技術(shù)設(shè)計農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)時，為了有效防止和避免被遙控系統(tǒng)控制的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備在未收到對應(yīng)的遙控信號時發(fā)生錯誤的運動動作，在系統(tǒng)設(shè)計過程中增加了一個定時脫控檢測模塊。該模塊的設(shè)計，需要每隔10 ms，對系統(tǒng)是否接收到農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)的遙控端數(shù)據(jù)，進行定期檢測。如果檢測模塊沒有接收到遙控端的數(shù)據(jù)，這時該模塊會強制性停止農(nóng)業(yè)機械的PWM輸出信號波形，以此控制并停止農(nóng)業(yè)機械工作，有效避免農(nóng)業(yè)機械設(shè)備在運行狀態(tài)和脫控狀態(tài)下發(fā)生安全事故[4]。

3 農(nóng)機遙控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 遙控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

首先，該農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)計由5G通信模塊、電源模塊、霍爾操縱桿模塊和主控模塊四個部分組成。其次，接收端的硬件設(shè)計由5G通信模塊、電源模塊、主控模塊以及信號輸出端口模塊等四個部分共同構(gòu)成，并在霍爾操縱桿的控制作用下，能夠?qū)敵龅拿}沖寬度調(diào)制信號實施控制。

3.2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

3.2.1 5G通信模塊設(shè)計

針對5G通信模塊的設(shè)計，本文選擇利用5G通信模塊MW800實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，且該模塊為多接口的工業(yè)級5G通信模塊，擁有多個類型的硬件接口，為現(xiàn)有的設(shè)備升級提供了條件。這樣一來不僅降低了研發(fā)的成本，還縮短了通信模塊的研發(fā)周期。同時，該通信模塊的設(shè)計擁有一路二線UART接口和一路四線UART接口。其中，二線UART接口實現(xiàn)了模塊的調(diào)試，四線UART接口實現(xiàn)了和5G通信模塊之間的通信，并可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸[5]。

3.2.2 霍爾操縱桿模塊設(shè)計

1）霍爾操縱桿。遙控系統(tǒng)的操作桿模塊設(shè)計，本文選擇利用霍爾操縱桿傳感器，該傳感器具備較高的靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對位移幅度的檢測，并從一定程度上降低由于操縱桿遙控的角度過大導(dǎo)致故障發(fā)生的概率。同時，當(dāng)通電之后傳感器的內(nèi)部會出現(xiàn)磁場，操縱桿的位置變化時，傳感器內(nèi)部的磁場也會改變。并且，磁場的強度改變會由操縱桿內(nèi)部輸出的霍爾電壓反映出來，并通過操縱桿搖動到不同的位置，改變輸出電壓的大小，使得CPU可以借助兩路電壓信號的大小實現(xiàn)對霍爾操縱桿的位置的判斷。

2）濾波電路設(shè)計。該電路的設(shè)計，主要是由于霍爾操縱桿的輸出電壓信號一般在0 V~5 V，因此會受到干擾的影響，這時就需要借助濾波電路的設(shè)計，來阻抗匹配，通過過濾的方式消除干擾問題。

3.2.3 單片機主控模塊設(shè)計

該模塊的設(shè)計本文選擇利用STM32F030C6芯片、5 V電源等實現(xiàn)該單片機主控模塊的設(shè)計。不過為了進一步保障系統(tǒng)遙控端的電流能夠正常供應(yīng)，可以選擇利用12 V的電池為電源，結(jié)合降壓電路實現(xiàn)單片機主控模塊的正常工作。同時，該主板模塊具備異步收發(fā)傳輸器，可以處理5G模塊所接收的數(shù)據(jù)信息，具備控制農(nóng)業(yè)機械脈沖寬度調(diào)制信號的生產(chǎn)以及操縱桿位置數(shù)據(jù)的采集和算法處理等功能。在降壓電路的設(shè)計上，本文選擇利用LM2576降壓芯片來實現(xiàn)，該芯片的最大輸出電流為3 A，且擁有更加完善的保護電路。最后在降壓電路的設(shè)計過程中通過增加一個二極管和電感還能夠使得續(xù)流和儲能效果得到提高，以此使其輸出電能的連續(xù)性得到保證[6]。

3.2.4 光耦隔離模塊設(shè)計

該模塊的設(shè)計解決了單片機的I/O端口驅(qū)動能力弱以及負載電流過大的問題。同時，利用該模塊還能夠解決被控系統(tǒng)電流由于倒灌造成損壞的情況。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

基于5G技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)設(shè)計完成之后，還需要對系統(tǒng)進行調(diào)試。因此，在系統(tǒng)調(diào)試過程當(dāng)中需要將12 V電壓經(jīng)過降壓模塊降低到5 V。然后借助電壓跟隨器在濾波電路中實現(xiàn)干擾阻抗匹配以及穩(wěn)定電壓。并通過對電壓跟隨器的輸入電壓進行改變，將其和輸出電壓進行測量對比，就可以得到相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。而降壓模塊電路的應(yīng)用，可以為農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的電壓[7]。

4.2 農(nóng)機試驗

4.2.1 5G通信模塊試驗

為了進一步對本文設(shè)計的遙控系統(tǒng)的可行性與實用性進行驗證，將該遙控系統(tǒng)安裝在平臺車上，利用驅(qū)動器實現(xiàn)對車輛的控制試驗。從5G通信模塊測試方面來看，借助AT指令的5G通信模塊，能夠和5G網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)建相應(yīng)的連接，然后利用回復(fù)指令對是否通信連接成功進行判斷[8]。當(dāng)系統(tǒng)的四線UART接口實施的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收顯示正常時，則代表能夠?qū)崿F(xiàn)5G通信。

4.2.2 霍爾操縱桿試驗

針對霍爾操縱桿的試驗分析，在對車輛進行遙控操控時，通過操作操縱桿進行前后、左后的軸位置轉(zhuǎn)換為兩路電壓信號。實際所采集到的信號變化和其理論相同。并且兩路信號和操縱桿的移動角度兩者之間呈現(xiàn)正比關(guān)系，也就是信號電壓大小會隨著操縱桿的角度轉(zhuǎn)向變大而變大[9]。

4.2.3 農(nóng)業(yè)機械遙控行駛試驗

從農(nóng)業(yè)機械車輛控制行駛方面的測試來看，將本文設(shè)計的遙控系統(tǒng)安裝在平臺車上，可以借助遙控端實現(xiàn)對遙控系統(tǒng)的測試。因此，當(dāng)操縱桿處于停止工作狀態(tài)，也就是中間位置時，則被測試的車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)[10]。當(dāng)操作操縱桿進行前（后）、左（右）等軸向操作時，車輛會呈現(xiàn)出前進或后退的運動，并且隨著操縱桿的推動位移增加，其速度也會得到增加。當(dāng)操作操縱桿向前（后）操作，并向左（右）操作操縱桿時，被測試的車輛會呈現(xiàn)出前進或者后退的運動且同時會向左或者向右轉(zhuǎn)彎。最后經(jīng)過行駛測試證明了基于5G技術(shù)設(shè)計的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)語

本文基于5G技術(shù)研發(fā)的農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)，在脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）信號和5G通信的共同作用下，利用霍爾操縱桿可以實現(xiàn)對大部分的農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的運動進行控制。并且，在比例積分微分算法的控制下，即使農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)發(fā)生控制信號終端或者農(nóng)業(yè)機械設(shè)備運動超出使用范圍等問題，系統(tǒng)也會自動實施緊急停止功能，以此有效避免發(fā)生安全事故。仿真結(jié)果表明，該農(nóng)機遙控系統(tǒng)具備易操作、安全性高等優(yōu)點，可以有效滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)的需要[1]。