5G時代下的農村物聯網

郭小天

[摘要]農業信息化是國家推進農業“互聯網+”的具體內容。農業信息有著數據量大、種類繁多、地域性強、不確定性、周期性的特點。物聯網是獲取農業信息的合適選擇，建立農村物聯網將是實現農村農業現代化的重要舉措之一，而5G技術的成熟又為農村物聯網的進步鋪平道路。5G時代下的農業物聯網，立足于農村，由5G網絡連接著五湖四海的資源，讓農業變得更加智慧、和諧。

[關鍵詞]5G時代;物聯網;智慧農業;農業信息化

[中圖分類號]TP391.44

[文獻標識碼]A

農業一直是我國經濟、人民生活的重要基礎，農業問題被放在重要位置。目前，我國農業正逐步從傳統走向現代化，農業與資源、環境、人口之間的矛盾亟待解決。而科技是農業發展的重要支撐，是國家糧食安全的有力保障，是農業現代化建設的抓手，要實現農業持續穩定發展，根本出路在科技。近年來，各項信息技術迅速發展，充分利用先進科技幫助農業生產，實現農業信息化，成為農業轉型過程中不可或缺的一部分。農業信息化可以貫穿農業的生產、經營、管理、服務整個過程。本文討論的是5G時代大背景下，如何在農業生產階段應用物聯網技術助力農業信息化。

1 農業物聯網在5G時代下的潛力

物聯網（Internet of Things）是一種信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化、網絡化，在物品與物品之間、物品與人之間、人與現實環境之間實現高效信息交互，并通過新的服務模式使各種信息技術融入社會行為，是信息化在人類社會綜合應用中的更高境界。在農業中應用物聯網有諸多益處，比如真實客觀、連續監測、數據豐富、節省人力?？墒寝r業技術必須考慮技術成本，物聯網技術中，雖然傳感器設備本身并不昂貴，組網需要用到的少量大型設備、處理與服務系統的搭建卻并不便宜。也就是說，小規模農戶自建農業物聯網難以實現。以村落為單位，建立農業物聯網系統是相對理想的選擇。而且同村有較為一致的自然環境，較為統一的農業產業，村民們也相互熟悉，方便管理。

然而，村落規模的農業物聯網，面臨著數據規模巨大、傳輸速率需求高等問題，這些問題在以前并沒有很好地解決方案。人口密度有限，人獲取信息的速度有也限，故以前的互聯網能夠滿足村民們手機、電腦終端的需求。而物聯網的感知終端是密度很大的傳感器設備，即便單個傳感器對傳輸網絡的要求較低，全村規模的物聯網對傳輸網絡的要求也會很高。能夠適應農村物聯網需求的傳輸網絡，就是近幾年興起的5G網絡。

5G指的是第五代移動通信（5th Generation WirelessSystem），能滿足增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器通信（mMTC）3個場景的應用，因此在速率、流量密度、連接數、時延、可靠性方面均有較大的突破。5G時代的到來，意味著更全面的網絡覆蓋、更海量的設備加入互聯網，以及質量更高的通信。網絡性能的提升，讓農業物聯網的發展擁有巨大潛力。

2 農村物聯網的基本架構

農業物聯網通過傳感器技術、射頻識別技術、無線傳感技術把農業生產中的農機設備、動植物生長環境、土壤墑情、病蟲害狀況、受災程度、機械單元與生產者和管理者連接起來，實現了“人、機、物”一體化，逐漸降低物體和機械在農業生產中的作用，大大提高了人的智慧的作用。農業物聯網可以分為感知層、傳輸層、應用層三個層次。

2.1 感知層

感知層，主要功能是利用傳感器技術、射頻識別技術去獲取農業生產階段的信息。這些信息分為自然資源信息、農情信息兩類。對農業來說，主要的自然資源要素包括氣象資源要素（溫度、濕度、光照強度、大氣壓、降水量）、水資源要素（水質、水深、水域面積、水域形狀）、土地資源要素（經緯度、土質、養分、土地面積、土地形狀）。農情資源要素主要有種植面積、作物長勢、病蟲害程度。

各種要素信息都需要特定設備才能采集。水域面積、水域形狀、土地面積、土地形狀，一般可以通過我國的衛星資源來獲得。將原始的衛星遙感圖像進行一定的校正和計算就能獲得符合常規需求的面積數據，形狀也可以直觀顯示。水質測量，常用的傳感器有余氯傳感器、總有機碳（ TOC）傳感器、電導率傳感器、pH傳感器，以及測懸浮固體的濁度傳感器。如果所測水體是漁業水體，一般還會關注葉綠素、黃色物質等指標。土質傳感器主要監測氮磷鉀等化學元素，常使用土壤鹽分傳感器，此外還常用土壤pH傳感器、土壤水勢傳感器、土壤溫濕度傳感器。其他指標一般可以通過溫度傳感器、濕度傳感器、雨量傳感器、光照傳感器、風速風向傳感器、大氣壓力傳感器來測量。

2.2 傳輸層

5G網絡是靈活、智慧的網絡，是物聯網傳輸層的關鍵。物聯網需要因地制宜地布置感知層設備，不同規模、不同密度、不同用途的設備可能使用不一樣的底層無線通信技術。5G網絡的靈活性就在于能與其他無線移動通信技術密切銜接，為移動互聯網的快速發展提供無所不在的基礎性業務能力。其智慧體現在，5G技術的內在革新對于普通用戶來說是透明的，即普通用戶只需要改變接人5C網絡的接口部分，就能享受更高質量的網絡服務。

物聯網常用的無線通信技術有：ZigBee、SimpliciTl、BLE、SimpleLink WiFi。由它們構成的無線傳感器網絡一般包括匯聚結點、管理結點和傳感器結點。傳感器結點之間通過自組織的方式構建起無線網絡，當某個結點檢測到數據并需要向上傳輸時，以自組多跳的形式進行數據傳輸。眾多數據首先被集中到匯聚結點，匯聚結點可以通過5G網絡將數據傳送到管理結點。

ZigBee技術是一種短距離的無線通信技術，特點是功耗很低、復雜度低、容量高、可靠性強、無需人工干預，成本低。例如林地、田地、草場等廣闊農業區域，如果完全由人為監管，將會耗時費力。而ZigBee技術可以容納數萬個傳感器結點，覆蓋范圍大，安裝干電池就能用一年左右時間，監控這些大面積區域非常合適。

SimpliciTI網絡是小型射頻網絡，可以容納100個以內的傳感器結點。它的特點是規模小、對硬件要求低、占用資源最小化。比如蔬菜大棚、小面積魚塘可以使用這種網絡。

低功耗藍牙BLE，這是一種功能相對復雜的無線通信技術，適用于數據發送量小、發送頻率低，但要求實時、可靠的異步傳輸。可應用于豬、牛等較大型動物的養殖場，對動物的生物特征變化進行精細監控。低功耗藍牙和經典藍牙類似，可以讓物聯網設備與人們常用的手機終端相連接，這樣就能實現人與眼前設備的直接交互，而不通過云端服務器來控制。

SimpleLink WiFi是能夠快速連接、具有硬件加密引擎的無線通信技術。它比其他底層的無線通信技術更安全，同時對硬件設備的要求也更高。所以它一般不用于普通傳感器結點單向地向上層傳遞數據，而常用于集成了復合功能的智能物聯網設備和上層之間雙向傳輸數據。

2.3 應用層

應用層在現代科技發展的推動下，已經從物理上的“層次”變為邏輯上的“層次”?？梢哉f，感知層、傳輸層必定存在于物聯網所在的村落，但應用層是傳輸層以上的部分，可以通過5G網絡突破地域限制，與分布在祖國各地、甚至世界各地的云服務平臺相連接。

農村物聯網的數據量將會很龐大，需要控制的設備也會很多，自己組建機房、搭建私有的計算機中心難度很高，而且需要日常維護，耗費人力物力。在“云計算”技術日益成熟的今天，完全可以租用云端的計算資源，將大數據處理、深度學習、智能決策等功能放在云計算中心，按需付費，享受可靠、安全、穩定、高性能的彈性計算服務。

云計算是分布式處理（distributed computing）、并行處理（parallel computing）、網格計算（grid computing）的商業實現。這是一種革命性的舉措，好比從古老的單臺發電機模式轉向了電廠集中供電的模式。它意味著計算能力也可以作為一種商品進行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便，費用低廉。公共云由一個組織管理維護，提供對外的云服務，可以被公眾所擁有。從云計算服務的角度，可以將其分為基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）。

IaaS可以提供虛擬機、存儲器、操作系統等基礎服務，村物聯網獲得的數據可以通過這項服務實現初步處理、存儲。PaaS提供的是一個開發環境，用戶可以在這個平臺編寫軟件程序，這項服務一般是軟件開發企業使用，農村物聯網的搭建者自行開發軟件系統難度大、效率低，一般不會使用。SaaS提供軟件托管服務，即用戶付費使用云端的軟件程序，農村物聯網的數據并不能直接被農戶們接受，需要經過相應的軟件處理，最終呈現到他們的手機、電腦終端上才能使用。現在已經有較為成熟的物聯網云端服務了，比如智云物聯公共服務平臺（ZCLOUD）。

3 農村物聯網的數據應用

農村物聯網的數據量大、種類繁多，再加上自然環境變化莫測，采集到的數據會有錯誤、冗余、丟失。必須經過一系列的處理，才能充分利用物聯網數據。物聯網采集的大數據，通過5G網絡傳輸到云端后，需要進過清洗、集成、轉換、規約等預處理操作，目的是去除冗余和噪聲數據、規整數據、精簡壓縮數據。粗糙的數據還不能直接使用，一般通過數據挖掘算法提煉關鍵信息，再用可視化技術呈現給用戶，或者共享給農業科研人員，促進農業發展。

如果后續還需要結合一系列策略構建農業自動控制系統，那么數據可視化還遠遠不夠。比如，策略的形成需要用到卷積神經網絡、深度學習神經網絡、專家系統等技術。而農業生產的遠程控制、自動控制還需要融入機械、電氣方面的技術。總之，對于整個農業信息化系統，物聯網僅為其中一個重要部分，其他部分和物聯網相輔相成、密不可分，但討論起來將是另一番天地。

4 結語

5G時代將是萬物互聯的時代，農村物聯網有著光明的發展前景。實現農業信息化是未來的發展趨勢，需要全社會貢獻力量，需要更多科技人才加入到建設隊伍當中。

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