基于5G技術的農業機械遙控系統設計

岳 威

（遼寧建筑職業學院，遼寧 遼陽 111000）

現階段，國內農業機械化生產工作依然需要借助人力，才能夠對農業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。而當前市場中農業機械遙控設備以航模控制系統為主，但該類型很難實現對農業機械的兼容與控制。基于此，本文針對現有的航模遙控系統，開發設計了一個基于5G技術的農業機械遙控系統。該系統通過利用5G通信模塊能夠實現遠距離的數據傳輸和農機控制，且系統還具備易操作、安全性高等優點，可以有效滿足農業作業的需要[1]。

1 農業機械遙控系統整體設計概述

基于5G技術設計開發的農業機械遙控系統主要由兩個部分構成：遙控端和接收端。其中，本文選擇利用STM32F030C6主控模塊為系統的中央處理器。而5G通信模塊的應用，實現了對數據的遠距離通信傳輸，接收端主控模塊則在PID算法的作用下，實現了對PWM輸出信號的控制，具體農業機械遙控系統的總體結構設計如圖1所示。

圖1 基于5G技術的農業機械遙控系統總體結構設計示意圖

2 基于5G技術的農業機械遙控系統軟件設計與實現

2.1 系統軟件總體設計

遙控系統軟件總體設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字轉換器（ADC）實現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通信模塊發送撥號上網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的信號數據之后，先根據傳輸的數據格式進行解壓處理，然后利用脈沖寬度調制發生器生成相應的控制信號，以此實現對農業機械設備的運動控制[2]。

2.2 5G技術的通信軟件設計

該軟件的設計，主要是利用5G通信模塊的撥號上網功能，實現了網絡通信連接，當通信連接成功之后，可以借助5G網絡數據實現對數據的訪問。

2.3 信號數據整合及分析

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，通過內部的數字轉換器將這兩路的電壓信號轉為0~255數字量的兩路位置信息之后，才能夠幫助遙控端實現對操縱桿位置的標定。此外，數據的格式為“a和e分別為起始標識符和結束標識符，左右、前后等位置數據，并對數據進行了校驗”。因此，位置信息可以根據每一包數據的格式進行位置信息打包并發送到接收端，以此完成位置信息的發送。

同時，在接收到對應的數據之后，需要對其起始標志位和結束標志位等進行數據檢測和數據篩選。接著利用讀取格式化的方式，實現對字符串中數據的提取。最后，結合校驗位檢測后的數據準確性，才能夠有效確保所應用數據的有效性[3]，并采用CPU內部的脈沖寬度調制生成相應的輸出信號。

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對輸出控制信號的處理。同時，借助主控芯片內帶的數字轉換器實現對輸出脈沖寬度調制的有效電壓值進行測量，從而確認脈沖寬度調制的實際輸出值。最后，根據PID算法對預設輸出的PWM輸出信號進行運算，本設計所采用的位置式PID算法為：

從式（1）來看，遙控系統的實際輸出脈沖寬度調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，給定預設輸出的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、積分系數以及微分系數。

2.5 農機脫控檢測設計

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

3 農機遙控系統硬件設計

3.1 遙控系統總體架構設計

首先，該農業機械遙控系統的硬件設計由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成，并在霍爾操縱桿的控制作用下，能夠對輸出的脈沖寬度調制信號實施控制。

3.2 系統主要功能模塊設計

3.2.1 5G通信模塊設計

針對5G通信模塊的設計，本文選擇利用5G通信模塊MW800實現數據通信，且該模塊為多接口的工業級5G通信模塊，擁有多個類型的硬件接口，為現有的設備升級提供了條件。這樣一來不僅降低了研發的成本，還縮短了通信模塊的研發周期。同時，該通信模塊的設計擁有一路二線UART接口和一路四線UART接口。其中，二線UART接口實現了模塊的調試，四線UART接口實現了和5G通信模塊之間的通信，并可以完成相應的數據傳輸[5]。

3.2.2 霍爾操縱桿模塊設計

1）霍爾操縱桿。遙控系統的操作桿模塊設計，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，能夠實現對位移幅度的檢測，并從一定程度上降低由于操縱桿遙控的角度過大導致故障發生的概率。同時，當通電之后傳感器的內部會出現磁場，操縱桿的位置變化時，傳感器內部的磁場也會改變。并且，磁場的強度改變會由操縱桿內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對霍爾操縱桿的位置的判斷。

2）濾波電路設計。該電路的設計，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 單片機主控模塊設計

該模塊的設計本文選擇利用STM32F030C6芯片、5 V電源等實現該單片機主控模塊的設計。不過為了進一步保障系統遙控端的電流能夠正常供應，可以選擇利用12 V的電池為電源，結合降壓電路實現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傳輸器，可以處理5G模塊所接收的數據信息，具備控制農業機械脈沖寬度調制信號的生產以及操縱桿位置數據的采集和算法處理等功能。在降壓電路的設計上，本文選擇利用LM2576降壓芯片來實現，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計過程中通過增加一個二極管和電感還能夠使得續流和儲能效果得到提高，以此使其輸出電能的連續性得到保證[6]。

3.2.4 光耦隔離模塊設計

該模塊的設計解決了單片機的I/O端口驅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電流由于倒灌造成損壞的情況。

4 試驗與結果分析

4.1 系統調試

基于5G技術的農業機械遙控系統設計完成之后，還需要對系統進行調試。因此，在系統調試過程當中需要將12 V電壓經過降壓模塊降低到5 V。然后借助電壓跟隨器在濾波電路中實現干擾阻抗匹配以及穩定電壓。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，就可以得到相應的測試數據。而降壓模塊電路的應用，可以為農業機械遙控系統提供更加穩定的電壓[7]。

4.2 農機試驗

4.2.1 5G通信模塊試驗

為了進一步對本文設計的遙控系統的可行性與實用性進行驗證，將該遙控系統安裝在平臺車上，利用驅動器實現對車輛的控制試驗。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網絡通信構建相應的連接，然后利用回復指令對是否通信連接成功進行判斷[8]。當系統的四線UART接口實施的數據發送和接收顯示正常時，則代表能夠實現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正比關系，也就是信號電壓大小會隨著操縱桿的角度轉向變大而變大[9]。

4.2.3 農業機械遙控行駛試驗

從農業機械車輛控制行駛方面的測試來看，將本文設計的遙控系統安裝在平臺車上，可以借助遙控端實現對遙控系統的測試。因此，當操縱桿處于停止工作狀態，也就是中間位置時，則被測試的車輛處于靜止狀態[10]。當操作操縱桿進行前（后）、左（右）等軸向操作時，車輛會呈現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出前進或者后退的運動且同時會向左或者向右轉彎。最后經過行駛測試證明了基于5G技術設計的農業機械遙控系統的可行性。

5 結語

本文基于5G技術研發的農業機械遙控系統，在脈沖寬度調制（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對大部分的農業機械系統的運動進行控制。并且，在比例積分微分算法的控制下，即使農業機械遙控系統發生控制信號終端或者農業機械設備運動超出使用范圍等問題，系統也會自動實施緊急停止功能，以此有效避免發生安全事故。仿真結果表明，該農機遙控系統具備易操作、安全性高等優點，可以有效滿足農業作業的需要[1]。