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(tái)

■文/陳 菁 劉靖永 錢(qián) 煒

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)正處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的需求日趨迫切。5G與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)深度融合，能有效為智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)提供基礎(chǔ)。通過(guò)5G和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)各個(gè)層面信息，利用云服務(wù)分布計(jì)算存儲(chǔ)性能對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，可提升大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用價(jià)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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化。

黨的十九大報(bào)告指出，農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問(wèn)題是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的根本性問(wèn)題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問(wèn)題作為全黨工作重中之重。《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于堅(jiān)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(jiàn)》強(qiáng)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(shí)施數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略，深入推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”，擴(kuò)大農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)示范應(yīng)用。

當(dāng)前，我國(guó)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(yàn)，與數(shù)量化和指標(biāo)化生產(chǎn)管理的要求相差甚遠(yuǎn)；二是設(shè)施水平低，農(nóng)業(yè)機(jī)械的配套水平不高，機(jī)械化作業(yè)水平低，生產(chǎn)仍以人力為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大；三是管理水平低，我國(guó)還沒(méi)有建立起與市場(chǎng)相適應(yīng)的運(yùn)行管理機(jī)制，仍然以經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題，出臺(tái)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(tái)的《廣東省推進(jìn)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(gè)粵港澳大灣區(qū)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)，建設(shè)5G智慧農(nóng)業(yè)試驗(yàn)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(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的不足，5G與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(tái)，可以為智慧農(nóng)場(chǎng)、智慧農(nóng)機(jī)、智慧林業(yè)、智慧畜牧、智慧漁場(chǎng)、5G聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥、遠(yuǎn)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(chǎng)景賦能。平臺(tái)通過(guò)5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)各層面數(shù)據(jù)，利用邊緣云的近端實(shí)時(shí)計(jì)算能力和中心云強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)性能，可對(duì)農(nóng)作物海量數(shù)據(jù)進(jìn)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(kāi)發(fā)者對(duì)智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的各個(gè)功能進(jìn)行模塊化處理，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)統(tǒng)一管控。后臺(tái)基于邊緣云平臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，能有效進(jìn)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(chǎng)主在農(nóng)作物現(xiàn)場(chǎng)部署多個(gè)不同類(lèi)型的傳感器，可采集農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)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(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)近端計(jì)算和存儲(chǔ)，從而提高遠(yuǎn)程控制農(nóng)機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)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(gè)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(jì)算存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)5G視頻監(jiān)控、農(nóng)田微環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物生理監(jiān)測(cè)，可滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)信息和數(shù)字平臺(tái)同步，從而實(shí)時(shí)管控農(nóng)作物的生長(zhǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)和農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還可實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警、農(nóng)作物品質(zhì)管控、輸出分析報(bào)告等功能，能幫助用戶隨時(shí)隨地掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況、環(huán)境變化趨勢(shì)和病蟲(chóng)害智能識(shí)別與預(yù)警。5G農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、濕度、二氧化碳含量和土壤溫濕度進(jìn)行智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可對(duì)溫室的風(fēng)機(jī)、加濕器、補(bǔ)光系統(tǒng)、水泵等自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫室的智能化自動(dòng)控制，并能根據(jù)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息智能化提供特定的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充，保證農(nóng)作物良好的生長(zhǎng)環(huán)境，使農(nóng)業(yè)園區(qū)無(wú)人化及自動(dòng)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(tái)架構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)可結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況，以5G網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)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(cè)、水氧含量、酸堿度、重金屬含量等信息，進(jìn)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(tái)整體架構(gòu)包括設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)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(wèn)的部分。5G網(wǎng)絡(luò)接入層利用無(wú)線接入技術(shù)作為傳輸基礎(chǔ)，通過(guò)5G轉(zhuǎn)Wi-Fi或者窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的方式實(shí)現(xiàn)與無(wú)線終端連接，提供大帶寬、廣域覆蓋、高可靠性、超低延時(shí)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(shí)、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(tái)層從應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)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(yùn)營(yíng)平臺(tái)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能夠有效整合應(yīng)急管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)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(tái)提供有效的AI分析、AI決策、AI預(yù)測(cè)等，進(jìn)而為電商平臺(tái)、銷(xiāo)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(cè)預(yù)警、標(biāo)準(zhǔn)化種植、視頻監(jiān)控、安全溯源、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)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(tái)應(yīng)用系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)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(cè)子系統(tǒng)、農(nóng)作物生理監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、展示中心智能溫室控制子系統(tǒng)、農(nóng)作物病蟲(chóng)害智能識(shí)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(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和5G網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)和管理。根據(jù)這些參數(shù)，中心云平臺(tái)借助人工智能和大數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合大數(shù)據(jù)建模、構(gòu)建知識(shí)圖譜等，實(shí)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(shí)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(yuǎn)區(qū)域的視頻監(jiān)控可以結(jié)合5G高帶寬、低延時(shí)的技術(shù)特點(diǎn)，采用5G無(wú)線傳輸技術(shù)，通過(guò)5G通信模塊連接前端攝像頭，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控快速布設(shè)，實(shí)時(shí)回傳視頻信號(hào)。用戶只需要通過(guò)手機(jī)或者電腦就可以對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)園的情況進(jìn)行遠(yuǎn)程查看。管理人員可以做到遠(yuǎn)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(duì)人員非法闖入進(jìn)行預(yù)警，支持農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)等，與病蟲(chóng)害、災(zāi)情等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)結(jié)合，對(duì)突發(fā)或蟲(chóng)害情況進(jìn)行預(yù)警。

● 農(nóng)田微環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

農(nóng)田微環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由墑情傳感器、災(zāi)情攝像機(jī)、蟲(chóng)情測(cè)報(bào)燈、農(nóng)作物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)儀以及預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)、信息管理平臺(tái)組成。各級(jí)用戶通過(guò)5G訪問(wèn)該系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的病蟲(chóng)狀況、農(nóng)作物生長(zhǎng)情況、災(zāi)害情況等農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理。該子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)農(nóng)作物標(biāo)準(zhǔn)化管理知識(shí)、災(zāi)害指標(biāo)、蟲(chóng)害圖庫(kù)等模塊，對(duì)農(nóng)作物實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷，提供智能化、自動(dòng)化管理決策，是農(nóng)戶的“千里眼”和“聽(tīng)診器”。

● 農(nóng)作物生理監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該農(nóng)作物生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)部分、采集部分、傳輸部分組成。對(duì)農(nóng)作物生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可通過(guò)5G傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺(tái)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生理變化，使農(nóng)作物“說(shuō)”出自己真實(shí)需求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的高效優(yōu)化管理，為提高果實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、濕度、二氧化碳含量和土壤溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)LED大屏幕顯示出來(lái)。系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可對(duì)溫室中的風(fēng)機(jī)、加濕器、補(bǔ)光系統(tǒng)、水泵等自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以最低能耗打造農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)環(huán)境。用戶通過(guò)手機(jī)App可以實(shí)時(shí)查看環(huán)境信息、環(huán)境信息預(yù)警、影像視頻、各類(lèi)參數(shù)設(shè)置，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

● 農(nóng)作物病蟲(chóng)害智能識(shí)別子系統(tǒng)

針對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害生態(tài)防控需求，利用遠(yuǎn)程拍照式巡航無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、手機(jī)App拍照識(shí)別等方式，5G病蟲(chóng)害識(shí)別模型/智能決策系統(tǒng)可通過(guò)終端設(shè)備提取圖像數(shù)據(jù)，基于5G將數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至MEC邊緣云或中心云服務(wù)器。該系統(tǒng)通過(guò)云端圖像信息庫(kù)及AI分析功能，實(shí)時(shí)分析田間農(nóng)作物的病蟲(chóng)害情況，自動(dòng)診斷識(shí)別病蟲(chóng)害，聯(lián)動(dòng)病蟲(chóng)害知識(shí)庫(kù)及專(zhuān)家系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家遠(yuǎn)程咨詢?cè)\斷，對(duì)病蟲(chóng)害、災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防，對(duì)種植進(jìn)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(duì)種植生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)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(shí)，完成對(duì)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)農(nóng)事作業(yè)、投入品等的全過(guò)程追溯管理。

“聯(lián)網(wǎng)農(nóng)場(chǎng)”是農(nóng)業(yè)的未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)思維正在改變著日常的農(nóng)業(yè)實(shí)踐。5G和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用有助于增加整個(gè)農(nóng)業(yè)價(jià)值鏈的營(yíng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，農(nóng)場(chǎng)主可以隨時(shí)隨地獲取其資產(chǎn)的最新信息，包括農(nóng)作物、機(jī)械和市場(chǎng)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(lái)在于5G、NB-IoT等無(wú)線連接，MEC邊緣云平臺(tái)近端處理和中心云大數(shù)據(jù)平臺(tái)的深度分析計(jì)算，應(yīng)用層各系統(tǒng)歸集各類(lèi)農(nóng)機(jī)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。