5G通信技術助力智慧農業(yè)的深度發(fā)展

徐敬端 王慶 莊靖萱 高燕

摘 要 自2019年5G技術啟動以來，各領域都在探索5G的應用。農業(yè)在4G時代已逐漸成熟，新興的智慧農業(yè)也已萌芽并取得了一定的成效，但由于4G通信技術的局限性，智慧農業(yè)的發(fā)展困難重重。未來，5G通信技術將如何助力智慧農業(yè)在生產管理上的深度發(fā)展？本文在對5G通信技術與智慧農業(yè)進行介紹的基礎上，從農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、人工智能三方面論述了5G通信技術助力智慧農業(yè)的深度發(fā)展。

關鍵詞 5G 智慧農業(yè) 物聯(lián)網(wǎng) 云計算 人工智能

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）02-0035-02

農業(yè)一直以來都受到國家和地方的高度重視。我國農業(yè)種植和收割雖然實現(xiàn)了很大的技術進步，但農業(yè)生產管理的精準化和智能化上還有很長的路要走。如今，無線通信網(wǎng)絡技術正在經(jīng)歷從4G到5G的跨越性轉變，第五代無線通信網(wǎng)絡技術無論在傳播速度、傳播質量還是在傳播容量，以及傳播范圍等方面都有跨越式進步。5G通信技術如何助力智慧農業(yè)在生產管理上的深度發(fā)展？本文認為，5G通信技術可通過云平臺為精準管理提供大數(shù)據(jù)支撐、保障農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行、農業(yè)生產和管理無人化來為農業(yè)提供支撐和保障。

1 5G通信技術簡述

第五代移動通信技術（5th-Generation），簡稱5G，是最新一代蜂窩通信技術。相較于3G、4G，5G的主要優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠高于以往的蜂窩網(wǎng)絡，最高可達10Gbit/s，這比4GLTE蜂窩網(wǎng)絡快100倍，是名副其實的“大寬帶”（eMBB）。其次，5G擁有超高可靠超低時延通信（uRLLC），網(wǎng)絡延遲在1毫秒以內，從而有助于保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。同時，5G可以容納海量的通信設備連接，構建大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC），可實現(xiàn)每平方公里100萬臺設備同時平穩(wěn)運行。

2019年6月6日，工業(yè)和信息化部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，標志著中國正式進入5G時代。在農業(yè)領域，5G的應用尚處于摸索階段，但一致公認的是，未來的“5G+智慧農業(yè)”模式的發(fā)展將實現(xiàn)各種先進設備和農業(yè)的結合，讓農業(yè)生產、管理實現(xiàn)精準化、智能化、便捷化。5G通信網(wǎng)絡的普及，也必將為農村、農民、農業(yè)企業(yè)提供更多智慧農業(yè)所需要的基礎設施，帶動相關產業(yè)的蓬勃發(fā)展。

2 智慧農業(yè)簡述

智慧農業(yè)是相對于現(xiàn)代農業(yè)而言的，現(xiàn)代農業(yè)則是相對于傳統(tǒng)農業(yè)而言的，傳統(tǒng)農業(yè)是以手工耕作為特征的小規(guī)模的個體化的農業(yè)，現(xiàn)代農業(yè)相比較于傳統(tǒng)農業(yè)的進步在于農業(yè)生產的規(guī)模化和機械化，從而使生產效率比傳統(tǒng)農業(yè)大大提高，智慧農業(yè)在現(xiàn)代農業(yè)的基礎上又實現(xiàn)了一次革命性的進步。這個進步體現(xiàn)在將技術融入農業(yè)的耕種、生產、管理、銷售甚至耕種前的種子培育的智慧化，種植過程中的實時監(jiān)控以及收割后的篩選、分析。3G和4G在農業(yè)領域有一定應用，主要體現(xiàn)在農業(yè)信息的采集以及物聯(lián)網(wǎng)的構建，有專家提出利用4G無線監(jiān)控大棚農業(yè)的生產過程中的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣濕度、溫度土壤等，但截至目前應用范圍很有限。[1]

智慧農業(yè)是將物聯(lián)網(wǎng)技術運用到農業(yè)領域，運用傳感器和軟件通過移動終端或電腦平臺對農業(yè)生產和管理進行有效的助推。具體來看，可利用各種智能設備，通過收集農業(yè)生產過程中的土壤水分、大氣溫濕度、二氧化碳、病蟲害、作物影像等多方面的信息與數(shù)據(jù)，實時可控地指導農業(yè)生產。可以看到，智慧農業(yè)依托部署在農業(yè)生產現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點和無線通信網(wǎng)絡，將移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術融為一體，是農業(yè)生產的高級階段，是物聯(lián)網(wǎng)技術在現(xiàn)代農業(yè)領域的應用。智慧農業(yè)首先催生的是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術是實現(xiàn)智慧農業(yè)的基礎和保障，而智慧農業(yè)又是農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不斷進步的應用，二者相互聯(lián)系，相互依存。目前，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有實時監(jiān)測、遠程控制、數(shù)據(jù)查詢、信息警告的功能，有利于實現(xiàn)科學栽培、精準操控、進步功率、綠色農業(yè)等，可為智慧農業(yè)提供有力的技術支持。[2]

3 5G通信技術在智慧農業(yè)的應用

3.1 利用云平臺，為精準管理提供大數(shù)據(jù)支撐

5G通信技術的發(fā)展，使得信息傳輸更加便捷與通暢，在農業(yè)領域，構建于5G通信技術之上的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云計算相互融合的云平臺也將可以更快速地實現(xiàn)農業(yè)信息傳輸?shù)谋憬萃〞常@必然能更加精準地為農業(yè)管理提供大數(shù)據(jù)的支持和決策指導。通過利用引入云平臺的智能化設備，可構建智慧農場，打造全新的農業(yè)生產與管理模式。[3]

5G的應用通過快速收集農業(yè)是農業(yè)生產、管理的內外部信息，如：溫室大棚溫濕度變化、土壤水分及鹽堿度變化、國家農業(yè)政策信息、區(qū)域氣候變化信息、相關農產品價格變化等，為農業(yè)生產與管理提供大數(shù)據(jù)分析的基礎，從而為農業(yè)決策提供依據(jù)和指導。在農產品種植初始階段，專業(yè)人員運用5G和物聯(lián)網(wǎng)技術，實時分析土壤狀況，實時調整使農作物種植的土壤環(huán)境適宜于農產品的生長。[4]在農產品培育過程中，利用傳感器實時監(jiān)測和調控農作物生長必備的溫度、光照、水分等，制定合理的培育方案。全程采用高智能設備，自動完成種植、培育、采摘等流程，借助視頻檢測系統(tǒng)實時監(jiān)控農場內的情況和農作物的生長狀況。

大量的農作物傳感器的數(shù)據(jù)可以實時穩(wěn)定地上傳到云端，不用再擔心網(wǎng)絡容量小和傳輸速率低的問題，通過云計算分析得出相應結果。[5]生產與管理人員也可以通過移動終端或電腦平臺在云端查詢信息，或者當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動且超出預設范圍，云端將實時發(fā)出信息警告，反饋給生產與管理人員。這一切將取代以往的經(jīng)驗種植，在農作物的灌溉、施肥、防治病蟲害等方面都將發(fā)揮重要作用，實現(xiàn)精準管理。

3.2 5G通信技術，保障農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運行

現(xiàn)階段農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術雖已有了一定應用，但在實際操作過程中仍然存在不少技術障礙，如物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的質量問題、射頻識別的問題、數(shù)據(jù)傳輸速率和容量不足的問題等，這些都阻礙著物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧農業(yè)生產管理中的應用。而5G通信技術將可化解以上難題，保證農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的平穩(wěn)運行。[6]

5G通信技術的速率優(yōu)勢、便捷優(yōu)勢、安全優(yōu)勢等都將帶動農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在5G通信技術建設中，大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）將可以大大增強空間分辨率，大幅度降低干擾，從而使得頻效提升，并且其擁有的毫米波技術將顯著提高無線傳輸?shù)娜萘亢皖l譜利用率，進而大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕沟棉r業(yè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)可以有效地便捷地進行傳輸。超密集組網(wǎng)技術（Ultra Dense Network）通過更加“密集化”的無線網(wǎng)絡基礎設施部署和建設更加密集的站點，可獲得更高的頻率復用效率，從而在局部熱點區(qū)域實現(xiàn)百倍量級的系統(tǒng)容量提升，所以農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸容量可以更大。最后，5G通信技術在研究4G網(wǎng)絡的安全架構后，增加了無線空口安全等機制，使得其擁有的安全防護機制越來越完善，而且5G通信技術在建筑防盜和高速監(jiān)控等方面的安全機制也非常完善，將進一步確保農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運行的安全，保障其穩(wěn)定運行。[7]

3.3 人工智能，實現(xiàn)農業(yè)生產和管理無人化

在5G通信技術發(fā)展的背景下，人工智能（AI）技術在農業(yè)領域的應用也會越來越廣泛。從農村現(xiàn)狀來看，農村人口外流、農村勞動力減少、社會老齡化、部分農村地區(qū)農田荒廢等現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，這也進一步促進了農業(yè)生產管理模式的變革，推動了人工智能在農業(yè)中的發(fā)展。過去4G時代，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、高時延等問題導致無人駕駛、無人飛機在局域網(wǎng)內不能穩(wěn)定運行。在5G通信技術的加持下，智能導航駕駛、機器智能化運行可以真正得到應用，無人噴灑飛機、無人播種車、無人收割車、采摘機器人等人工智能將會不斷涌現(xiàn)在農業(yè)領域。人工智能的應用，不僅解放了以前大量的勞動力，降低了人工成本，同時也提升了農民的科學技術水平，使得農業(yè)生產和管理實現(xiàn)智能化運作。[8]

4 結語

農業(yè)生產、管理效率的提升，關乎著城市化背景下以及農村環(huán)境保護背景下，我國糧食保障的安全問題。在國外，一個大型農場僅需幾個農業(yè)工人，農業(yè)機械化與智慧化程度比較高，而我國很多地方的農業(yè)生產、管理、運輸、加工等仍以人力為主，效率相比國外低很多，其中原因是多方面的，而通信技術的應用尤其是5G通信技術的應用可以實現(xiàn)跨越式進步。上文分析了在5G通信技術加持下，信息數(shù)據(jù)傳輸速率可得到提高，傳輸容量可得到擴展，連接設備的數(shù)量更加龐大，進而使得農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的運行更加穩(wěn)定，云計算和人工智能的操作更加便捷。5G通信技術將助力智慧農業(yè)深度發(fā)展，實現(xiàn)農業(yè)生產、管理、營銷等各方面的精準化和智能化，大大提高農業(yè)產出效率。一方面可使現(xiàn)有種植土地得到更有效的利用，另一方面可對不適合于耕種的土地予以綠化，提高植被保護程度，還可以解放生產力，提高低效率產出地區(qū)農民以及農業(yè)工人的生活水平和素質。[9]

參考文獻：

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[6] 佚名.“5G+ 農業(yè)”將如何改變我們的未來[J]，農家之友， 2019（06）.

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[9] 趙春江，李瑾，馮獻，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農業(yè)國內外應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國工程科學，2018（02）：50-56.