楊 雷

（煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 煙臺(tái) 264000）

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝備尤其是大田機(jī)械的機(jī)械作業(yè)部分已發(fā)展得較為成熟。目前，農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)正向著小眾化、細(xì)分化發(fā)展，但受到物理原理、材料技術(shù)等限制，研發(fā)速度較慢，進(jìn)入“瓶頸期”。隨著5G技術(shù)的發(fā)展和普及，人們看到了農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展進(jìn)化的一條新路。筆者經(jīng)過(guò)前期大量的實(shí)地考察、學(xué)習(xí)研判，總結(jié)出了在5G技術(shù)發(fā)展大背景下農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的三大方向，希望有助于明確今后農(nóng)業(yè)裝備的科研方向。

1 技術(shù)背景

第五代移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)覆蓋到了全國(guó)絕大多數(shù)城市以及近50%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模始終保持全球領(lǐng)先，5G基站數(shù)量也占全球70%以上。5G技術(shù)擁有前幾代通信技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，必將掀起萬(wàn)物互聯(lián)、高效協(xié)同的新浪潮，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。2021年7月工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等十部門印發(fā)《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》，旨在推進(jìn)5G賦能千行百業(yè)，促進(jìn)形成“需求牽引供給，供給創(chuàng)造需求”的高水平發(fā)展模式[1]。可以說(shuō)，5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是我國(guó)各類產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車的一個(gè)重要機(jī)會(huì)，必將在全社會(huì)、全行業(yè)迸發(fā)出更加強(qiáng)勁的力量。

5G技術(shù)最大的特點(diǎn)是高速率、大容量、低時(shí)延，理論傳輸速度可達(dá)20 Gbps，理論時(shí)延可低至1 ms，基本能夠支持各類接口實(shí)現(xiàn)無(wú)線化、遠(yuǎn)程化升級(jí)。5G單基站覆蓋范圍較4G小很多，增加了部署成本，但也帶來(lái)了設(shè)備容量高、沖突小等諸多優(yōu)點(diǎn)，且國(guó)家正在積極部署具有覆蓋廣、穿透力強(qiáng)、組網(wǎng)成本低等特點(diǎn)的700 MHz頻段5G網(wǎng)絡(luò)，空曠區(qū)域廣覆蓋優(yōu)勢(shì)明顯，將大大加速5G網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)村地區(qū)的廣泛覆蓋[2]。4G、5G網(wǎng)絡(luò)理論速度、每km2容量、理論時(shí)延的對(duì)比，分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 4G、5G網(wǎng)絡(luò)理論速度（Mbps）對(duì)比

圖2 4G、5G網(wǎng)絡(luò)每km2容量（個(gè)）對(duì)比

圖3 4G、5G網(wǎng)絡(luò)理論時(shí)延（ms）對(duì)比

受現(xiàn)有物理原理、材料技術(shù)等的制約，大部分農(nóng)業(yè)裝備尤其是大田機(jī)械已很難有重大突破?，F(xiàn)有農(nóng)業(yè)裝備想要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，勢(shì)必要依靠新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。5G技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)在汽車、手機(jī)等領(lǐng)域造成了重大影響，為各行各業(yè)提供了極具優(yōu)勢(shì)的通信技術(shù)，正在深刻改變著傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)格局，成為當(dāng)今世界產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要方向。5G網(wǎng)絡(luò)作為整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的“新基建”，正在加速為廣大農(nóng)村地區(qū)提供優(yōu)質(zhì)、高效的“網(wǎng)絡(luò)高速公路”，農(nóng)民的生活方式、農(nóng)業(yè)的發(fā)展方式都將受到其影響。同時(shí)5G技術(shù)也為農(nóng)業(yè)裝備的上下聯(lián)通提供了高速度、大容量、低時(shí)延的通信網(wǎng)絡(luò)。在時(shí)代大潮的影響下，農(nóng)業(yè)裝備也必將乘著5G技術(shù)的“東風(fēng)”，實(shí)現(xiàn)新的突破。

2 5G時(shí)代農(nóng)業(yè)裝備特征

農(nóng)業(yè)裝備在5G通信技術(shù)的影響下，將充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)高速度、大容量、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，向智能化、電氣化、模塊化方向發(fā)展。

2.1 智能化

為了推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，各大高校、科研院所、農(nóng)機(jī)企業(yè)已經(jīng)根據(jù)基本國(guó)情和農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀研制和推廣了如控制器、傳感器、采集器等大量的智能化設(shè)備[4]。但由于通信技術(shù)以及社會(huì)大環(huán)境的制約，這些設(shè)備基本采用了傳統(tǒng)的LoRa、NFC、ZigBee等通信技術(shù)[5]，都或多或少地存在著時(shí)延高、精度低、流量小、無(wú)統(tǒng)一接口等問(wèn)題，且大多數(shù)都是用于被動(dòng)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)，沒(méi)有被充分、直接地用于控制作業(yè)，幾乎無(wú)法起到改進(jìn)生產(chǎn)方式和提高生產(chǎn)效率的作用。5G通信技術(shù)的發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)接口以及信息傳輸?shù)男峦黄?，大大提高?shù)據(jù)上傳、下載速度，通過(guò)把傳感器與作業(yè)機(jī)構(gòu)、控制中心高效連接，可達(dá)到低時(shí)延閉環(huán)生產(chǎn)，從而突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制與操作環(huán)節(jié)的空間限制，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)調(diào)度、遠(yuǎn)程作業(yè)、人工智能生產(chǎn)等一系列目標(biāo)[6-7]。

通信技術(shù)的更新為農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展特別是控制系統(tǒng)的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。5G技術(shù)幾乎可以承載任何大小、任何復(fù)雜程度的控制信號(hào)。未來(lái)，將實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)農(nóng)業(yè)裝備的集中監(jiān)測(cè)、集中調(diào)度、集中控制，這就對(duì)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)[8]。如何提高控制中心的軟硬件水平，對(duì)大量不同類型的農(nóng)業(yè)裝備實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度、精準(zhǔn)控制、高效分配，需要包括制造業(yè)、網(wǎng)絡(luò)通信、云服務(wù)、軟件開發(fā)在內(nèi)的各行各業(yè)通力合作，這也是未來(lái)農(nóng)業(yè)裝備科研發(fā)展的一個(gè)重要方向[9]。

2.2 電氣化

智能化的控制系統(tǒng)也對(duì)農(nóng)業(yè)裝備的生產(chǎn)執(zhí)行方式提出了新的要求。從執(zhí)行的角度來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化控制，傳統(tǒng)的手動(dòng)式、按鈕式的控制方式就要被淘汰。大規(guī)模運(yùn)用單片機(jī)、PLC、電磁繼電器、電動(dòng)控制閥、自動(dòng)變速箱、步進(jìn)電機(jī)等元件取代傳統(tǒng)機(jī)械式的控制方法，既能降低生產(chǎn)過(guò)程中人工操作的難度，又便于控制系統(tǒng)替代人工控制生產(chǎn)[10]。從動(dòng)力的角度來(lái)說(shuō)，由于機(jī)械信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換較難且控制精度較低，傳統(tǒng)使用油氣能源的農(nóng)業(yè)裝備也會(huì)逐漸被淘汰。隨著電池技術(shù)、充電技術(shù)以及電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展和完善，農(nóng)業(yè)機(jī)械像汽車一樣向新能源方向進(jìn)化也是必然趨勢(shì)。全面電氣化后，數(shù)據(jù)控制中心才能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)裝備的全面管理、調(diào)度和控制。電氣控制全面取代機(jī)械操作是農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展進(jìn)化的必要條件，也是必由之路，起到了承上啟下的銜接作用。農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)過(guò)程中應(yīng)做到盡早籌劃布局，升級(jí)控制方式，提高電氣控制覆蓋率，為接入智能控制系統(tǒng)提前做好硬件準(zhǔn)備。

2.3 模塊化

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)接口的更新，農(nóng)業(yè)裝備模塊化發(fā)展已具備成熟的理論基礎(chǔ)，只是缺少應(yīng)用技術(shù)的積累以及大規(guī)模的市場(chǎng)認(rèn)知。目前，農(nóng)業(yè)裝備市場(chǎng)已顯現(xiàn)出了多功能、小批量、定制化、多樣化的用戶需求特征[11]，模塊化的發(fā)展形式可以更好地實(shí)現(xiàn)這些需求目標(biāo)，并且有利于節(jié)約成本、管控質(zhì)量和提升效率[12]。以目前廣泛使用的拖拉機(jī)掛載松、耕、種、收等器具的生產(chǎn)形式為例，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作門檻低，但很難實(shí)現(xiàn)智能化、信息化，且?guī)缀踔贿m用于大田作業(yè)，在果園等需要精細(xì)化作業(yè)的環(huán)境中工作效率較低。未來(lái)，傳統(tǒng)的拖拉機(jī)將向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，或由各類多功能行走平臺(tái)取代，衍生出標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的機(jī)械和數(shù)據(jù)接口；各類作業(yè)模塊也將兼具機(jī)械和數(shù)據(jù)接口，可與基礎(chǔ)行走平臺(tái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)接。農(nóng)業(yè)機(jī)械將由能源模塊、通信模塊、控制模塊、行走模塊、執(zhí)行模塊等幾大基礎(chǔ)模塊組成，并且可以高自由度地組合，實(shí)現(xiàn)一平臺(tái)多用途。模塊化能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)接口、機(jī)械接口的發(fā)展和統(tǒng)一，需要各行業(yè)、各部門的協(xié)同設(shè)計(jì)，并制定和推廣優(yōu)質(zhì)、高效的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 實(shí)例分析

以筆者團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)的一款小型果園行走平臺(tái)為例進(jìn)行分析，果園行走平臺(tái)功能模塊如圖4所示。該行走平臺(tái)以輪式驅(qū)動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)為主體，單片機(jī)主板搭載5G通信模塊、控制模塊、能源模塊、視頻模塊、雷達(dá)模塊等基礎(chǔ)模塊以及拓展數(shù)據(jù)接口、機(jī)械接口，后續(xù)可搭載植保模塊、除草模塊等功能性模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或自動(dòng)化果園打藥、除草等功能。

圖4 果園行走平臺(tái)功能模塊示意圖

控制模塊以STM32F103單片機(jī)為主體，通過(guò)外接5G工業(yè)模組、攝像頭、雷達(dá)以及預(yù)留各類外設(shè)接口，組成平臺(tái)的電路系統(tǒng)。行走機(jī)構(gòu)為雙電機(jī)輪式機(jī)構(gòu)，由動(dòng)力電機(jī)直接控制轉(zhuǎn)向，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、轉(zhuǎn)向半徑小等優(yōu)點(diǎn)，并且可以根據(jù)需求更換履帶模塊，兼容多種地形，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。此平臺(tái)可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口掛載多種作業(yè)模塊，為生產(chǎn)者降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，為消費(fèi)者減少重復(fù)購(gòu)買動(dòng)力機(jī)械數(shù)量，提高農(nóng)機(jī)利用率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

5G不僅是一種新型通信技術(shù)，更是一種底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，是“新基建”戰(zhàn)略的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，可以與各行各業(yè)深度融合，聯(lián)通各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動(dòng)化、精準(zhǔn)化[13]。農(nóng)業(yè)裝備與5G技術(shù)的融合發(fā)展，是農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展進(jìn)化的一條嶄新道路，是一個(gè)系統(tǒng)性工程，需要多個(gè)學(xué)科、多個(gè)產(chǎn)業(yè)的配合協(xié)作，整合二、三產(chǎn)業(yè)最先進(jìn)的技術(shù)并將其引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促使農(nóng)業(yè)裝備向著智能化、電氣化、模塊化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)調(diào)度、無(wú)人值守化管理，從根本上帶動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。同時(shí)，將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展、解放發(fā)展生產(chǎn)力、改善勞動(dòng)環(huán)境、提高勞動(dòng)者收入、吸引技術(shù)人才服務(wù)“三農(nóng)”，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要途徑。