■文/陳 菁 劉靖永 錢 煒

目前，我國農(nóng)業(yè)正處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，對智慧農(nóng)業(yè)的需求日趨迫切。5G與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)深度融合，能有效為智慧農(nóng)業(yè)平臺提供基礎(chǔ)。通過5G和物聯(lián)網(wǎng)實時獲取農(nóng)業(yè)各個層面信息，利用云服務(wù)分布計算存儲性能對數(shù)據(jù)分析處理，可提升大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用價值，為農(nóng)業(yè)園區(qū)提供相應(yīng)的AI能力和定制化管理服務(wù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化。

黨的十九大報告指出，農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問題是關(guān)系國計民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作重中之重?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院關(guān)于堅持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展做好“三農(nóng)”工作的若干意見》強調(diào)：發(fā)展壯大鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)，拓寬農(nóng)民增收渠道，需要實施數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略，深入推進“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”，擴大農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)示范應(yīng)用。

當(dāng)前，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在以下不足：一是科技含量低，環(huán)境控制能力低，栽培管理主要靠經(jīng)驗，與數(shù)量化和指標(biāo)化生產(chǎn)管理的要求相差甚遠；二是設(shè)施水平低，農(nóng)業(yè)機械的配套水平不高，機械化作業(yè)水平低，生產(chǎn)仍以人力為主，勞動強度大；三是管理水平低，我國還沒有建立起與市場相適應(yīng)的運行管理機制，仍然以經(jīng)驗的和粗放的管理手段為主。

政府為改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在的問題，出臺了支持農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的相關(guān)政策。例如，2021年8月出臺的《廣東省推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化“十四五”規(guī)劃》提出：廣東省將建設(shè)農(nóng)業(yè)人工智能裝備研究中心，打造10個粵港澳大灣區(qū)無人農(nóng)場，建設(shè)5G智慧農(nóng)業(yè)試驗區(qū)、科創(chuàng)園。

“5G+物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”為智慧農(nóng)業(yè)賦能

針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的不足，5G與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)深度融合，構(gòu)建基于5G和物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺，可以為智慧農(nóng)場、智慧農(nóng)機、智慧林業(yè)、智慧畜牧、智慧漁場、5G聯(lián)網(wǎng)無人機噴灑農(nóng)藥、遠程農(nóng)業(yè)直播、數(shù)字鄉(xiāng)村等智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)應(yīng)用場景賦能。平臺通過5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時獲取農(nóng)業(yè)各層面數(shù)據(jù)，利用邊緣云的近端實時計算能力和中心云強大的計算和存儲服務(wù)性能，可對農(nóng)作物海量數(shù)據(jù)進行分析處理，從而挖掘出有用的信息。在微服務(wù)架構(gòu)下，開發(fā)者對智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺的各個功能進行模塊化處理，實現(xiàn)云平臺統(tǒng)一管控。后臺基于邊緣云平臺與現(xiàn)場終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，能有效進行農(nóng)事信息分析處理和農(nóng)業(yè)管理決策，為農(nóng)業(yè)園區(qū)提供相應(yīng)的AI能力和定制化的管理服務(wù)。

農(nóng)場主在農(nóng)作物現(xiàn)場部署多個不同類型的傳感器，可采集農(nóng)作物生長過程、種植土壤等數(shù)據(jù)。利用5G切片和物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到近端移動邊緣計算（MEC）云平臺，可實現(xiàn)近端計算和存儲，從而提高遠程控制農(nóng)機設(shè)備的實時性并緩解網(wǎng)絡(luò)壓力，防止海量數(shù)據(jù)在網(wǎng)上傳輸造成擁塞。將多個農(nóng)業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)部署于中心云上，由中心云集中分析計算存儲，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理。網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲示意

智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺通過對農(nóng)業(yè)園區(qū)5G視頻監(jiān)控、農(nóng)田微環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)作物生理監(jiān)測，可滿足農(nóng)作物生長信息和數(shù)字平臺同步，從而實時管控農(nóng)作物的生長。5G網(wǎng)絡(luò)和農(nóng)業(yè)監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還可實現(xiàn)智能預(yù)警、農(nóng)作物品質(zhì)管控、輸出分析報告等功能，能幫助用戶隨時隨地掌握農(nóng)作物生長狀況、環(huán)境變化趨勢和病蟲害智能識別與預(yù)警。5G農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺對溫室內(nèi)光照、溫度、濕度、二氧化碳含量和土壤溫濕度進行智能化實時監(jiān)測，并對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，可對溫室的風(fēng)機、加濕器、補光系統(tǒng)、水泵等自動化設(shè)備進行控制，從而實現(xiàn)整個溫室的智能化自動控制，并能根據(jù)作物生長環(huán)境信息智能化提供特定的營養(yǎng)補充，保證農(nóng)作物良好的生長環(huán)境，使農(nóng)業(yè)園區(qū)無人化及自動化，降低人力成本，提高效率。

智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺架構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺可結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的實際生產(chǎn)情況，以5G網(wǎng)絡(luò)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為技術(shù)支撐，能有效采集視頻監(jiān)控、天氣監(jiān)測、水氧含量、酸堿度、重金屬含量等信息，進行數(shù)據(jù)的匯集和分析處理，提供智慧農(nóng)業(yè)的服務(wù)。平臺整體架構(gòu)包括設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。

設(shè)備層是網(wǎng)絡(luò)層中農(nóng)業(yè)傳感器等終端連接或訪問的部分。5G網(wǎng)絡(luò)接入層利用無線接入技術(shù)作為傳輸基礎(chǔ)，通過5G轉(zhuǎn)Wi-Fi或者窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的方式實現(xiàn)與無線終端連接，提供大帶寬、廣域覆蓋、高可靠性、超低延時的網(wǎng)絡(luò)連接。

網(wǎng)絡(luò)層提供高速帶寬、超高吞吐量、超低延時、超高可靠性的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)等，保障設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，主要涉及5G和物聯(lián)網(wǎng)。

平臺層從應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺架構(gòu)進行建設(shè)，包含農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務(wù)、農(nóng)產(chǎn)品推廣運營平臺。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺能夠有效整合應(yīng)急管理系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、標(biāo)準(zhǔn)化種植、農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)等，為數(shù)據(jù)平臺提供有效的AI分析、AI決策、AI預(yù)測等，進而為電商平臺、銷售產(chǎn)業(yè)鏈等提供更好的服務(wù)。

應(yīng)用層從頂層應(yīng)用服務(wù)出發(fā)，具體為農(nóng)業(yè)的各種服務(wù)應(yīng)用，為農(nóng)戶、農(nóng)產(chǎn)品電商等提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、標(biāo)準(zhǔn)化種植、視頻監(jiān)控、安全溯源、病蟲害監(jiān)測預(yù)警、水肥一體化管理等。

基于“5G+物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”的智慧農(nóng)業(yè)平臺應(yīng)用系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)平臺應(yīng)用系統(tǒng)包括產(chǎn)業(yè)園標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理子系統(tǒng)、農(nóng)作物5G視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、農(nóng)田微環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、農(nóng)作物生理監(jiān)測子系統(tǒng)、展示中心智能溫室控制子系統(tǒng)、農(nóng)作物病蟲害智能識別子系統(tǒng)、農(nóng)作物質(zhì)量安全溯源管理子系統(tǒng)等。

● 產(chǎn)業(yè)園標(biāo)準(zhǔn)化種植子系統(tǒng)

產(chǎn)業(yè)園標(biāo)準(zhǔn)化種植子系統(tǒng)可通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器和5G網(wǎng)絡(luò)，對農(nóng)業(yè)生態(tài)中的各關(guān)鍵因子，如溫度、濕度、光照、土壤含水量等進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和管理。根據(jù)這些參數(shù)，中心云平臺借助人工智能和大數(shù)據(jù)，進行綜合大數(shù)據(jù)建模、構(gòu)建知識圖譜等，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)的數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，幫助農(nóng)資人和企業(yè)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化種植。

● 農(nóng)作物5G視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)園區(qū)地廣，監(jiān)控覆蓋范圍較大，較偏遠區(qū)域的視頻監(jiān)控可以結(jié)合5G高帶寬、低延時的技術(shù)特點，采用5G無線傳輸技術(shù)，通過5G通信模塊連接前端攝像頭，實現(xiàn)視頻監(jiān)控快速布設(shè)，實時回傳視頻信號。用戶只需要通過手機或者電腦就可以對農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)園的情況進行遠程查看。管理人員可以做到遠程輕松監(jiān)控、管理作業(yè)生產(chǎn)。此外，系統(tǒng)利用視頻圖像和防盜周界電子圍欄可對人員非法闖入進行預(yù)警，支持農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測、農(nóng)作物生長情況監(jiān)測等，與病蟲害、災(zāi)情等系統(tǒng)聯(lián)動結(jié)合，對突發(fā)或蟲害情況進行預(yù)警。

● 農(nóng)田微環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

農(nóng)田微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由墑情傳感器、災(zāi)情攝像機、蟲情測報燈、農(nóng)作物生理生態(tài)監(jiān)測儀以及預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)、信息管理平臺組成。各級用戶通過5G訪問該系統(tǒng)，對每個監(jiān)測點的病蟲狀況、農(nóng)作物生長情況、災(zāi)害情況等農(nóng)作物生長過程重要參數(shù)進行實時監(jiān)測、管理。該子系統(tǒng)聯(lián)動農(nóng)作物標(biāo)準(zhǔn)化管理知識、災(zāi)害指標(biāo)、蟲害圖庫等模塊，對農(nóng)作物實時遠程監(jiān)測與診斷，提供智能化、自動化管理決策，是農(nóng)戶的“千里眼”和“聽診器”。

● 農(nóng)作物生理監(jiān)測子系統(tǒng)

該農(nóng)作物生理監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測部分、采集部分、傳輸部分組成。對農(nóng)作物生理指標(biāo)的實時監(jiān)測可通過5G傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺形成農(nóng)作物生理軸線圖，為數(shù)據(jù)分析提供參考。該系統(tǒng)可以根據(jù)客戶的需要添加或減少傳感器，可長期監(jiān)測農(nóng)作物生理變化，使農(nóng)作物“說”出自己真實需求，從而實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的高效優(yōu)化管理，為提高果實品質(zhì)增加科學(xué)管理環(huán)節(jié)。

● 智能溫室控制子系統(tǒng)

該系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫室內(nèi)光照、溫度、濕度、二氧化碳含量和土壤溫濕度實時監(jiān)測，通過LED大屏幕顯示出來。系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，可對溫室中的風(fēng)機、加濕器、補光系統(tǒng)、水泵等自動化設(shè)備進行實時控制，以最低能耗打造農(nóng)作物最佳生長環(huán)境。用戶通過手機App可以實時查看環(huán)境信息、環(huán)境信息預(yù)警、影像視頻、各類參數(shù)設(shè)置，并對設(shè)備進行遠程控制。

● 農(nóng)作物病蟲害智能識別子系統(tǒng)

針對農(nóng)作物病蟲害生態(tài)防控需求，利用遠程拍照式巡航無人機、遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、手機App拍照識別等方式，5G病蟲害識別模型/智能決策系統(tǒng)可通過終端設(shè)備提取圖像數(shù)據(jù)，基于5G將數(shù)據(jù)自動上傳至MEC邊緣云或中心云服務(wù)器。該系統(tǒng)通過云端圖像信息庫及AI分析功能，實時分析田間農(nóng)作物的病蟲害情況，自動診斷識別病蟲害，聯(lián)動病蟲害知識庫及專家系統(tǒng)可實現(xiàn)專家遠程咨詢診斷，對病蟲害、災(zāi)害進行預(yù)防，對種植進行科學(xué)的農(nóng)技指導(dǎo)。

● 農(nóng)作物質(zhì)量安全溯源管理子系統(tǒng)

質(zhì)量安全溯源管理子系統(tǒng)對種植生產(chǎn)過程進行信息記錄，規(guī)范產(chǎn)業(yè)園生產(chǎn)種植行為，提高生產(chǎn)者和管理者的質(zhì)量安全意識，完成對生產(chǎn)作業(yè)計劃、生產(chǎn)農(nóng)事作業(yè)、投入品等的全過程追溯管理。

“聯(lián)網(wǎng)農(nóng)場”是農(nóng)業(yè)的未來，物聯(lián)網(wǎng)思維正在改變著日常的農(nóng)業(yè)實踐。5G和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用有助于增加整個農(nóng)業(yè)價值鏈的營業(yè)收入，因而已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向。利用5G和物聯(lián)網(wǎng)提供的實時數(shù)據(jù)，農(nóng)場主可以隨時隨地獲取其資產(chǎn)的最新信息，包括農(nóng)作物、機械和市場等。當(dāng)前，隨著5G的發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)的智能程度和安全性在不斷提高，農(nóng)業(yè)的未來在于5G、NB-IoT等無線連接，MEC邊緣云平臺近端處理和中心云大數(shù)據(jù)平臺的深度分析計算，應(yīng)用層各系統(tǒng)歸集各類農(nóng)機設(shè)備及終端的海量數(shù)據(jù)，完成大數(shù)據(jù)收集、分析、匯總、呈現(xiàn)，最大限度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化水平。