基于5G網絡技術的遠程控制菠蘿自動采摘機

魯 燕，王占鳳，尹耀君，陶立春，劉瑞軍

（北華大學 土木與交通學院，吉林 吉林 132013）

菠蘿在我國廣泛種植于廣東、海南、廣西等地區，仍采用人工采摘作業方式。菠蘿是季節性水果，采收時間集中，人工采摘勞動強度高，人工成本高。受菠蘿種植環境的限制，除了少數位置優越地區可以配備機械化或半機械化輔助采摘裝置，其他地區采收還形成機械化，專業化和規模化。

隨著農機智能化的發展，國內學者對菠蘿采摘機械展開了一些研究。傅旻[1]等設計了一種半自動擰取式菠蘿采摘收集機，以手推為驅動形式，采用龍門式結構，該機器仍需大量人工輔助工作且操作步驟復雜。劉玉杰[2]等提出了一種菠蘿半自動采摘機，工作人員駕駛機器，人為控制操作進行單列作業，對操縱人員技術要求較高。吳沛晟[3]等提出一種實用菠蘿采摘機器人設計，采用履帶式自走平臺，利用雙目定位系統對菠蘿定位，械手擰斷式單列采摘。現有菠蘿采摘機械需要人工輔助完成采摘作業，效率不夠理想，對采摘人員的操控水平有一定要求，關于采摘機械靈活應對菠蘿生長環境，處理突發狀況的有關研究涉及甚少。

本研究設計了一種基于5G 通信技術的遠程操控菠蘿自動采摘機，以STC89C52 單片機作為遠程控制系統，利用5G網絡通信技術提升人機信息交流速率和穩定性，實現對機器工作狀態和自身指標遠程實時監測，改善工作環境，降低勞作強度，節省人工成本。

1 工作原理

1.1 菠蘿物理特性

菠蘿果實呈橢圓狀，下部為蓮座式，整個菠蘿植株都帶有芒刺，縱向直徑約為20～26 cm，橫向直徑約為18～24 cm，果實平均質量為1.8 kg/個，果柄直徑約為3～6 cm。隨機選取10個菠蘿測量[4]，數據見表1。

表1 菠蘿果實相關參數表Tab.1 Related parameters of pineapple fruit

1.2 工作原理

根據菠蘿種植環境及其果實的自身特點，設計了一種遠程操控的菠蘿自動采摘機。該設計采用STC89C52 單片機為核心的控制程序作為控制系統，來進行遠程操控機器采摘代替人工采摘。整體設計包括硬件設計和軟件設計2部分。硬件部分包括車體整體設計、車載微型相機、傳感器系統和STC89C52 單片機芯片等，軟件部分包括單片機控制程序設計、操作功能設計和實時工況檢測系統。

遠程終端控制采用按鍵式遙控設備，借助esp8266 模塊芯片連接5G 通訊信號收發指令。操作人員在遠程終端發出指令，經過5G 通信技術的傳輸至單片機控制的控制系統，控制系統啟動采摘機，各系統進入工作狀態，開始采摘作業。中央控制中心控制的菠蘿循環采收作業，能夠準確定位采摘，減少果實損失率，保證果實的完好；循環作業，有效提高采收效率，避免因采收不及時造成菠蘿過于成熟的壞果率。

2 硬件設計

2.1 整體設計

菠蘿采摘機主要有車身、切割裝置、傳送裝置、中央控制中心和收納箱等幾部分。整體結構圖見圖1。車身是整個機器的支撐體，中央控制中心位于整個機器車身的中間，與機器上的所有裝置設備相通，切割裝置位于車身的前方，采用W 型刀作為切割刀具，傳送裝置位于整個車身的左右兩側，收納箱在車身的后方，可進行拆卸，便于果實的采收。具體技術參數見表2。

圖1 菠蘿采摘機整體結構Fig.1 Overall structure of pineapple picker

表2 菠蘿采摘機技術參數表Tab.2 Technical parameters of pineapple picker

2.2 切割裝置的設計

切割裝置主要由紅外線感知器、W 型刀具、質量傳感器、彈射裝置和擋片等組成，切割裝置利用滾珠絲杠和曲柄滑塊實現軸向移動和橫向移動。切割裝置見圖2。W 型刀具采用ELMAX 鉻鉬釩合金鋼，在切割刀具附近安裝紅外線感知器，感知菠蘿的具體位置，在刀具下方的擋片上裝有壓力傳感器，與內側的彈射裝置相連。

圖2 切割裝置結構圖Tab.2 Technical parameters of pineapple picker

切割裝置工作時，紅外感知器輔助定位菠蘿位置，測量出菠蘿的直徑、高度，并將數據傳輸給中央控制中心，經過算法運行，得出刀具切割位置結果并將位置信號傳送給刀具，由滾珠絲杠和曲柄滑塊將刀具調節到正確的切割位置。菠蘿切割時，刀片下方的質量傳感器將菠蘿的質量信息傳遞給中央控制中心，然后，內側的彈射裝置負責將切割后的菠蘿推射到傳送帶上。

3 系統設計

3.1 控制程序系統

遠程控制系統選用的核心芯片是STC89C52 型單片機芯片，具有高速、寬電壓、超強抗干擾能力與高可靠性和超低功耗設計等特點，目前在大型的功能平臺和小型的終端被廣泛選擇。

基于5G技術的遠程控制菠蘿自動采摘機利用STC89C52單片機中央控制程序和遠程終端控制程序實現雙向控制，菠蘿采摘機控制系統結構圖見圖3。

圖3 菠蘿采摘機控制系統結構圖Fig.3 Structure diagram of pineapple picker control system

控制系統采用模塊化設計，將整個需求分解成各個獨立模塊，按照模塊分工任務，從而實現整個系統的功能。控制程序工作時，機器開機進入系統初始化，包括單片機的硬件配置、各系統配置和系統參數初始化，然后進入主循環的輪訓狀態，包括采收系統采摘計算、信息采集系統信息采集和5G通訊模塊等。控制系統主程序流程見圖4。

圖4 控制系統主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart of control system

3.2 功能程序設計

采摘機利用STC89C52 型單片機作為主控制，以5G 通訊技術為網絡環境，提供通訊熱點，機器操縱端和遠程終端的esp8266模塊接收主控的指令。利用Keil軟件，采用C語言開發系統，以Arduino軟件編寫mqtt通訊協議，完成遠程控制采摘功能指令。機器啟動后，遠程終端發送工作指令，經過終端的8266 模塊，利用5G 網絡通訊將指令傳送至機器端的8266模塊，主控程序接收8266模塊的指令控制機器工作。

4 遠程監測與數據統計

工況遠程實時監測系統實現對遠程采摘作業的監測與數據統計，其控制程序是基于STC89C52 單片機實現的，利用5G通訊，信息交互等技術可以實現對采摘機進行各項工作數據實時記錄并對機器自身性能參數進行監測。監測對象包括采摘機各種工作環境、工作狀態以及車體自身的行駛系統、切割系統和傳送系統等。工況遠程實時監測系統硬件設施包括傳感器系統、車載微型攝像頭、中央控制中心，ESP8266模塊和遠程控制終端等。

4.1 數據統計

菠蘿采摘機車輪上裝有車輪轉速傳感器，采集機器工作速度數據；位于切割裝置的質量傳感器將果實的質量信號轉換成電量信號，采集到果實的質量數據；機器不同部位的溫度傳感器利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律把溫度轉換為可用輸出信號，采集到溫度數據。機器上的傳感器裝置負責機器自身性能數據統計。在機器上裝載的車載微型攝像頭可以隨時對機器工作環境進行圖像數據采集。收集到的自身性能數據和環境數據通過中央控制中心處理由云端數據儲存，終端發送指令，進行數據查閱。

4.2 遠程監測

工作時，菠蘿采摘機通過ESP8266 模塊將圖片信息和車輛狀態信息發射出去，經過5G 基站傳送給操控端；同時操控端的控制信號傳輸給5G 基站，由菠蘿采摘機上的車載無線CPE 接收信號傳送至中央控制中心。操控端通過5G 網絡技術與機器端的中央控制中心相互通信。根據菠蘿的生長地域環境氣候，針對機器在不同的情形下的工作進行分析，實時監測工作流程見圖5。

圖5 實時監測分析流程圖Fig.5 Flow chart of real-time monitoring and analysis

（1）菠蘿大多種植在山地，路況復雜，影響采摘效率。當遇到突發情況機器不能前行時，中央控制中心立即做出響應，啟動相關程序，根據車體自身性能的參數，查驗工作故障原因，將結果通過5G模塊傳送至遠程終端的操縱人員。

（2）南方常年多雨并且適合菠蘿種植的土壤污染松軟，在雨天道路泥濘菠蘿采收工作受阻，容易發生側翻等狀況，嚴重拖延采摘時間。基于5G 技術的遠程控制菠蘿自動采摘機面對這種工作環境時，中央控制中心根據收集到的信息判斷工作實際情況，給予解決工作備案，通過5G 網絡，傳送到遠程終端，待操控人員確認后，中央控制中心修改機器運行參數，以保證工作的動力和穩定性，保證機器行駛安全。

5 結論

基于5G 網絡的遠程控制菠蘿自動采摘機可以與大數據平臺進行信息交互，利用云端數據庫存儲實時數據，將數據庫信息與從采摘機上獲得的實時信息進行數據統計對比分析，實現對劃定地塊實時數據查詢、市場趨勢分析和市場產量對比評估等。遠程控制終端可以同步云端數據庫的數據信息，操縱者不僅可以隨時查看采摘機的狀態及其位置和整合果實數據，同時根據云數據平臺，初步估算出經濟效益，得到近幾年產業收益趨勢圖，充分了解行情走向。