淺談5G技術在農業機械自動化與智能化的應用

劉錦華，劉 蕾，程岐利

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000）

0 引言

黨的二十大報告提出：“加快建設農業強國，扎實推動鄉村產業、人才、文化、生態、組織振興?！鞭r業機械化作為農業建設的重要組成部分，在提升我國農業發展水準，推動農村經濟繁榮，提高農民生活水平等方面發揮著不可替代的作用[1]。根據近5年國家統計局發布的關于我國農機制造行業總產值和農業機械總動力數值可見（表1），我國農業機械化正處于快速發展的階段。

表1 農機制造行業總產值和農業機械總動力數值

1 農業機械化與自動化的發展現狀

農業機械化旨在提高農業生產效率、降低勞動成本，并實現可持續發展。例如，胡偉等[2]在其研究中指出可以使用GPS和遙感技術進行土壤和作物監測，以優化種植、灌溉和施肥策略，在提升作物產量和質量的同時，減少環境影響，實現精準農業技術；常君瑞等[3]討論了自動化拖拉機、無人機和采摘機器人等農業機器人，在提高作物管理效率方面的有巨大的潛力；彭藝真等[4]強調了物聯網在農業監測和管理中的重要作用，通過安裝在農田中的傳感器網絡收集數據，以監控作物健康和生長條件；甘甜等[5]指出機器學習方法在分析農業數據方面顯示出巨大的應用前景，利用大數據和人工智能技術進行農業數據分析，可以幫助農民做出更準確的決策。

農業機械自動化和智能化在農業產業中已經得到廣泛的實踐及應用，農業機械自動化和智能化正在逐步轉變傳統農業的面貌，使其更加高效、精準和環保。

然而，農業機械自動化和智能化在現代農業中仍然存在一些問題，如農業機械選擇困難、農業機械自動化水平較低、自動化和智能化設備成本較高、后期技術維護與支持等，所以需要采取相關技術進行優化和完善，進一步提升農業機械自動化和智能化的應用水準，從而有效推動現代化農業的建設。

2 5G技術與農業機械化的結合

5G技術是當前世界上最先進的無線通信技術，其主要特點包括高速率、低延遲和大數據連接。5G不僅能提高數據傳輸速度，而且能實現低延遲的實時通信，這對很多行業有革命性的影響。如在工業制造領域，5G支持更加高效和靈活的生產線，能實現遠程監控和控制，大大提高了生產效率和安全性[6]。在醫學教育領域，遠程醫療、應急救援、智能分析診斷等技術的開展，為臨床醫學開拓了新視野，極大地提高了醫療服務的可達性和效率[7]。在交通運輸行業，5G支持自動駕駛的快速發展，通過海量實時數據交換，提高了道路安全和交通效率[8]。

顯然，5G技術的發展和應用，正在推動著各行業數字化和智能化的轉型，從而為各行業帶來前所未有的創新機遇和挑戰，5G不僅僅是通信技術的進步，更是引領社會進入一個更加互聯、智能和高效世界的關鍵驅動力[9]。5G技術作為最新一代的無線通信技術，其高速率、低延遲的特性，不僅為其他行業帶來新的機遇和挑戰，對解決農業自動化現有挑戰也發揮著關鍵的作用。

2.1 降低自動化和智能化設備成本

農業機械自動化和智能化設備往往成本較高，這對農業機械自動化和智能化的發展構成了巨大的挑戰，高成本不僅會降低農民對農業技術的接受度，還會增加對農業技術投資的風險。

5G的高速率和低延遲特性可以提高農業設備的運作效率和精準度，從而減少資源浪費，間接降低運營成本。同時，5G技術支持更加集中地數據處理和決策，會減少設備對高性能硬件的需求，從而降低設備成本?；?G網絡，還可以發展農業設備共享服務，如共享拖拉機、無人機服務等，降低單個農戶的成本負擔。

2.2 提升農民自動化和智能化機械水平

大部分農民對于新技術的接受能力較低，不利于農業機械自動化和智能化在全國的普及和推廣，為了促進技術的接受和應用，必須通過教育或培訓提高農民對新技術的認識和理解。

5G網絡可以提供在線教育和培訓平臺，使農民能夠隨時接觸到關于自動化和智能化機械的操作和維護知識。同時，可以開發更加直觀易懂的操作系統，利用5G技術提高用戶界面的響應速度和可靠性，使得農民更容易上手，并通過5G網絡的實時在線技術支持，幫助農民快速解決在操作設備時遇到的問題。

2.3 提高數據處理能力

農業自動化和智能化依賴于大量數據的實時處理和分析，而5G網絡能夠提供快速、可靠的數據傳輸，一般5G網絡的數據傳輸速度可以達到1 Gbps（在理想條件下，甚至可以達到20 Gbps），是4G LTE速度的10倍，使得從傳感器、無人機等收集的海量數據能夠實時上傳并快速處理。

結合邊緣計算技術[10]，5G網絡可以在數據產生地點附近進行數據處理，減少傳輸延遲，提高數據處理效率。同時，利用5G網絡連接的云計算平臺，可以進行更加復雜的數據分析和存儲，為農業決策提供準確支持，提高農業生產效率和作物產量。

2.4 支持更多設備連接

農業機械自動化和智能化通常需要多臺設備協同工作，如傳感器（用于監測土壤條件、氣候、作物生長等）、自動化機械（如自動駕駛拖拉機、收割機）、無人機以及其他監控和數據處理設備，以形成集成式智能農業系統，實現數據的實時收集、交換和分析，從而提高農業生產效率。

5G低延遲的特性（約1 ms）可以確保設備間的實時通信，對智能設備間的協同工作至關重要，通過實時監控作物的狀態，農民可以迅速調整耕作計劃，從而提高農業生產的效率和靈活性。同時，5G支持比4G網絡更多的設備連接，理論上5G網絡可以支持每平方公里上百萬個設備的連接，可以為搭建包含大量傳感器和機械設備的智能農業系統，提供有利的網絡基礎。

2.5 增強系統的可靠性和穩定性

農業機械自動化設備普遍需要較穩定網絡，尤其是在一些惡劣環境和天氣條件下，設備運行的穩定性極大依賴于網絡連接的可靠性，因此，保證設備運行網絡的穩定性至關重要。

5G網絡高可靠和抗干擾的特性，可以確保即使在惡劣天氣或復雜地理環境中，農業自動化設備也能夠持續收集和傳輸數據，保持高效運作。此外，可以通過網絡切片[10]為關鍵應用和服務提供專用的網絡資源，確保關鍵數據傳輸的優先級和可靠性，同時還可以根據不同服務的需求動態分配網絡資源，如帶寬和延遲，以適應動態變化的網絡條件和流量需求。

2.6 支持數據加密和實時監控

農業機械自動化設備在運行過程中會收集大量的農業數據，包括作物生長情況、土壤狀況、氣候信息等，這些數據通常會包含一些敏感信息，比如產量數據、農場位置等，如果數據處理不當或泄露，可能會影響農民的經濟利益和隱私安全，因此，確保數據安全和隱私保護也是農業機械自動化發展的一個重要舉措。

首先，5G網絡能提供高級加密標準，確保數據在傳輸過程中的安全性，有效防止數據被未授權訪問或篡改。其次，通過邊緣計算處理數據，數據在本地處理而不是在遠程服務器，減少數據在網絡中的傳輸，從而降低數據泄露的風險。同時，可以實施嚴格的訪問控制和身份驗證機制，確保只有授權用戶可以訪問和操作數據，從而防止未授權訪問和數據濫用。

總體來看，5G技術不僅可以提高農業生產效率和質量，還能促進農業向現代化、智能化和可持續發展化轉型，這對于滿足日益增長的糧食需求、提高我國農業競爭力等方面具有重要意義。

3 5G在農業機械自動化中的應用案例

5G技術作為推動農業自動化和智能化的關鍵動力，它不僅帶來了更快的數據傳輸速度和更低的網絡延遲，還為農業機械自動化操作提供前所未有的可能性，5G技術正在農業領域展現出巨大的潛力。

3.1 5G技術的智能灌溉系統

“5G+”智能灌溉系統是在5G網絡環境下利用傳感器、控制系統、數據分析和自動化技術，進行農田灌溉的智能管理系統。

系統可以通過傳感器實時監測土壤濕度、溫度以及氣候條件等數據，并且根據獲取的數據，結合作物需求以及天氣預報數據，自動制定灌溉計劃，實現灌溉的自動化和精準化，在優化水資源提高灌溉效率的同時，降低人工成本和水資源浪費。

“5G+”智能灌溉系統不僅能提高水資源使用效率和農業生產效率，同時還能降低勞動力成本，幫助改善作物生長條件，提升產量和質量，實現可持續的農業發展。

3.2 5G技術的無人機監測和噴灑

“5G+”無人機監測和噴灑系統是結合5G網絡高速傳輸、低延遲特性，利用無人機、傳感器等技術實現智能監測的管理系統。

系統可以通過無人機實時監測農田各類數據，如作物健康狀況、識別病蟲害，并且根據收集到的數據精準地進行農藥或肥料的噴灑。相對于傳統無人機監測和噴灑系統，“5G+”無人機監測和噴灑系統能夠實時發送高清圖像或視頻回傳，提高農田監測精準度，借助5G的低延遲和高可靠性，無人機可以實現更精準的定位和導航，確保噴灑的準確性，同時無人機可以實現更智能的自動化操作，提高農藥和肥料噴灑的效率，實現農業的高效管理和可持續發展。

基于5G網絡快速響應的特性，無人機能夠根據動態變化的農業環境和作物狀態，及時調整噴灑方案，提升應對復雜農業場景的能力，同時可以利用云計算進行深度學習，進一步優化農業生產流程，確保資源合理利用。

3.3 5G技術的自動駕駛拖拉機

5G技術的自動駕駛拖拉機是結合5G網絡實現更高效和精準的農業作業，自動駕駛拖拉機可通過5G網絡接收實時數據，如GPS定位信息、農田場景和作物生長情況，從而進行精確耕作、播種、施肥或收割[11]。

5G網絡低延遲的特性可以滿足拖拉機即時響應和高精度控制的需求，并且自動駕駛拖拉機能夠連續作業，減少因人為操作不當造成的時間和資源浪費，大大提高農田作業的安全性和效率，減少對農業勞動力的依賴，同時農民可以通過管理平臺遠程監控和控制設備，實現智能化農場管理，提高農場管理靈活性和便捷性。

4 結語

5G技術對農業機械自動化和智能化的推動具有重要的意義，它不僅能夠提高農業設備之間的通信效率，還能實現更加精準的機械控制，提高農業作業的精確度，優化資源使用，同時降低人工成本。隨著5G技術不斷成熟和應用范圍的擴大，5G技術將在智能農業領域開辟更多創新的應用，助力現代農業實現高效、可持續的發展。

同時，5G技術對農業機械自動化和智能化未來的研究方向提供了新的探索路徑，如5G網絡與農業機械的深度集成，如何通過5G網絡實現更高效的數據收集、處理和決策制定；5G結合人工智能、物聯網等技術，如何促進新型智能農業系統的開發；5G在農業機械自動化中的成本效益，如何更易于被廣大農業生產者接受和應用，通過這些研究方向，5G技術將有望在未來更好地服務于農業機械自動化和智能化。