新型數字信息技術賦能農業機械的自動化

Christine P.Tan，黃為民，項鳳華，秦 冰

（1 福建師范大學 光電與信息工程學院，350007，福建福州；2 福建醫錦智能科技有限公司，361000，福建廈門；3 福建智云動能智慧科技有限公司，354200，福建南平）

全國鄉村已脫貧，筆者所在的科技特派團隊響應鄉村振興戰略，逐步解決農村的信息化問題，已研發出通用的智慧農業產品，讓農戶“簡單用、懂得用、用得起”新型數字信息技術，加強農業管理和提升農業生產率。目前所研發的智慧農業產品已經在福建省南平市20 多個智慧農業示范點落地，其中兩個農業案例通過應用智慧農業產品實現農業機械的自動化，從而達到平均增收30%和提高生產率70%。

1 鄉村振興的重要發展方向

2021 年是“十四五”規劃的開局之年，“數字中國”是國家信息化發展的重要戰略。2020 年我國實現鄉村全面脫貧之后，為保障鄉村良好的發展、防止返貧，各地著重治理農村的人居環境，促進提高農業種植生產率，鼓勵農業生態綠色發展，從而提高村民的生活和經濟水平。提升鄉村的信息化水平，跟緊國家數字發展的步伐，打造新時代中國特色社會主義的新一代數字農村，以科技帶動農村數字經濟發展，促進農村產業數字化、治理數字化和數據價值化，升級原有的農業管理模式，是實現興邦富民的重要途徑。新型數字信息技術如5G、物聯網、人工智能、大數據、區塊鏈等正帶動農村經濟的發展，同時也為數字農村的基礎建設建立健全長效機制和標準規范。為實現科技振興鄉村，筆者所在的省級科技特派員團隊在福建省南平市進行研究，研發了2 款通用的智慧農業產品，在超過20 個農業相關的科技特派示范點落地，到農場為農民點對點進行實操培訓，降低使用數字信息技術的門檻，其中涉及的農業產業及行業包括果蔬、食用菌、漁場、畜牧場、茶園、茶廠，從建立特色的農業產業到推廣“一村一品”特色農產品，使用數字信息技術解決農業管理、種植、養殖、生產全過程中的溯源及生產效率提升等問題。通過這一批智慧農業案例的實際應用，不僅提升農戶的專業知識和技術水平，也為農戶減低人力成本、提高生產率，已逐步形成一種可復制、標準化的“科技振興鄉村”模式，可推廣到全省乃至全國。

2 助力農業機械自動化的智慧農業產品

智慧農業泛指使用物聯網技術將農場的設備（傳感器、機械設備等）連接到農場管理云平臺，以無線通信（4G、5G、NB-IoT、LoRaWAN）或有線通信（以太網、RS485）方式傳輸農場的環境數據。農業設備一旦連接到云平臺，農戶便能通過手機APP、小程序或者平板電腦的界面，對設備進行遠程的權限管理、控制、問題診斷等。同時，農場或農業加工廠的數據一旦采集并且被存儲到云平臺，農戶也能使用云平臺進行大數據分析和人工智能算法建模，優化農作物種植生長的環境，實現農業機械的自動化，提高農業生產效率。

2.1 物聯網通用云控制器

傳統農業設備如何接入物聯網云平臺是傳統農業轉型到智慧農業的一大技術瓶頸。此外，一般農場或農業加工廠有諸多不同品牌的異構農業機械設備，傳統農業設備也沒有任何對接外界的物理接口或通信協議。為解決這個技術問題，借鑒工業互聯網的PLC 頂層設計和控制原理，獨立研發一款適用于不同農業場景的物聯網通用云控制器，從軟件和硬件雙管齊下，支持傳統農業機械的智能化改造，以及支持農業設備多元化通信協議的兼容性，實際應用場景下的技術優勢顯著。這款物聯網通用云控制器不僅實現了傳統農業機械設備的升級改造，也使海量異構農業設備連接到智慧農業云平臺，同時可支持5G 無線連接，同步實現低延時、廣連接、高帶寬的遠程管理，以及城市里的農業專家與農戶的咨詢互動。此外，物聯網通用云控制可實現本地邊緣計算、本地控制指令執行、農業設備狀態實時查詢。針對較大面積的農場或農業加工廠，一個控制器可拓展到70 電回路，進行低成本的海量農業機械設備管理。

2.2 農業農村物聯網公共使能平臺

在落地到不同農業場景時，在征求了農戶的需求后，研發了一款農業農村物聯網公共使能平臺，具有較強的開放性和功能拓展性，于2021 年入選全國農業農村部信息中心的數字農業農村新技術新產品新模式優秀項目，是福建省入選的三個項目之一。這個云平臺的信息架構中功能模塊豐富，支持數據來源采集、數據匯集、平臺數據層、微服務算法、用戶查看監控、實際應用和業務應用服務等。另外，平臺的“SmartC 數據協議”開放，不僅兼容各種農業機械設備，同時已支持與第三方平臺對接，如農產品電商平臺（南平市“武夷山水”平臺）、農產品溯源平臺（國家信息中心BSN 區塊鏈平臺）等，為農業農村物聯網公共使能平臺的全面推廣打下良好基礎。

3 農業機械自動化案例

農村的短板之一是信息化薄弱，為加快科技振興鄉村，實現農場和農業加工廠的生產加工自動化是重要的一步。總體來說，在其他產業領域，自動化生產加工已逐漸成形，為用戶帶來運營便利、加工的生產率提升、生產的產品質量得到保障等好處。當前許多鄉村圍繞“一村一品”，發展特色農產品，建設綠色生態，打通農產品的上下游產業鏈。通過科技特派計劃，筆者所在的科技特派團隊已落地多個智慧農業項目，為農民提供專業培訓和實操指導，提供農產品的全程溯源，對農產品從田間種植到生產上市進行監控，保障農產品的安全和質量。

3.1 數字茶工廠

茶業是福建省具有較高經濟價值的特色產業，全年茶葉生產總產量達45 萬多t，居全國第一位。近年圍繞“綠色發展、質量興茶”目標，茶葉種植、生產加工、銷售等各環節也逐漸轉型升級，引入信息化、自動化、物聯網技術。針對高附加值的地理標志產品——武夷巖茶，在武夷山燕子窠茶園和首席茶葉加工廠，布局物聯網通用云控制器和數字茶工廠云平臺，實現武夷巖茶全程溯源，從茶葉種植、采摘到生產、銷售，做好防偽，提升消費者信任度。

在茶葉種植、生產過程中對環境數據進行匯集，經過長期數據匯集形成大數據庫之后，可進行數據分析和建模。農業大數據可助力精準農業，如收集茶園的土壤pH、溫濕度、氮磷鉀鋅鎂含量、環境光照和二氧化碳濃度等信息，優化茶樹的種植生長條件，科學提升茶葉的質量。

在茶葉采摘季節，茶廠需要在一個短時間窗口內（茶葉新鮮時）完成搖青，這對人力、體力、集中力及安全是一個挑戰。制茶師傅使用數字茶廠小程序，一個人能同時控制20 只搖青桶，比起傳統方式減少5 人，生產效率提升了70%。除了搖青，數字茶工廠也實現了揉捏、殺青環節的自動化控制，制茶師傅從重復、高危險的工作中解放出來，同時讓制茶傳承人更專心提升茶工藝和茶葉口感。信息技術結合物聯網、機械自動化，幫助茶廠的一線操作人員更有效率、更快速、更安全地對生產加工進行監控。目前這套數字茶工廠系統已經為武夷山的八家巖茶廠保駕護航。在未來，茶廠的生產加工數據可結合區塊鏈作為征信數據，用作茶廠向銀行貸款的支撐依據，開啟更多鄉村振興創新模式。

3.2 智慧漁場

在邵武市山塘生態養殖示范點落地智慧漁場，改造了傳統機械設備（投食機、氧氣泵、投石灰機），應用了物聯網通用云控制器和云平臺，為農民實現了對漁場的遠程控制。農民可以參考漁場的歷史數據，自定義水質指標，通過環境傳感器和漁場機械設備的閉環運行，保持漁場的水質在良好水平。例如，漁場中的溶氧傳感器實時監控水質，比對農戶設置的指標，一旦檢測到水中溶氧量低，便會自動啟動機械氧氣泵為魚塘增氧；達到農戶定義的含氧量指標后，機械氧氣泵自動收到指令就會關閉。在大面積的漁場中，日常的作業如喂魚、水質保養等都能通過智慧漁場實現自動化，降低人力成本，所服務的漁場已實現平均增收30%。

4 結語

農村的數字信息化對于中國農村的轉型升級和其未來的綠色生態發展有催化作用。本文研究使用新型數字信息技術，開發及落地一個開放、可擴展性強的智慧農業平臺，對傳統農場和農業加工廠進行農業機械的自動化升級改造，提升農業生產效率，降低人力成本，培育新一代農民。這個科技振興鄉村的新模式，有利于農村數字經濟的可持續發展。