5G時(shí)代下的農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)

郭小天

[摘要]農(nóng)業(yè)信息化是國家推進(jìn)農(nóng)業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”的具體內(nèi)容。農(nóng)業(yè)信息有著數(shù)據(jù)量大、種類繁多、地域性強(qiáng)、不確定性、周期性的特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)是獲取農(nóng)業(yè)信息的合適選擇，建立農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)將是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要舉措之一，而5G技術(shù)的成熟又為農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步鋪平道路。5G時(shí)代下的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，立足于農(nóng)村，由5G網(wǎng)絡(luò)連接著五湖四海的資源，讓農(nóng)業(yè)變得更加智慧、和諧。

[關(guān)鍵詞]5G時(shí)代;物聯(lián)網(wǎng);智慧農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)信息化

[中圖分類號(hào)]TP391.44

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

農(nóng)業(yè)一直是我國經(jīng)濟(jì)、人民生活的重要基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)問題被放在重要位置。目前，我國農(nóng)業(yè)正逐步從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)與資源、環(huán)境、人口之間的矛盾亟待解決。而科技是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要支撐，是國家糧食安全的有力保障，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的抓手，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，根本出路在科技。近年來，各項(xiàng)信息技術(shù)迅速發(fā)展，充分利用先進(jìn)科技幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化，成為農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型過程中不可或缺的一部分。農(nóng)業(yè)信息化可以貫穿農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務(wù)整個(gè)過程。本文討論的是5G時(shí)代大背景下，如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力農(nóng)業(yè)信息化。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在5G時(shí)代下的潛力

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是一種信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，在物品與物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效信息交互，并通過新的服務(wù)模式使各種信息技術(shù)融入社會(huì)行為，是信息化在人類社會(huì)綜合應(yīng)用中的更高境界。在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)有諸多益處，比如真實(shí)客觀、連續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)豐富、節(jié)省人力?？墒寝r(nóng)業(yè)技術(shù)必須考慮技術(shù)成本，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，雖然傳感器設(shè)備本身并不昂貴，組網(wǎng)需要用到的少量大型設(shè)備、處理與服務(wù)系統(tǒng)的搭建卻并不便宜。也就是說，小規(guī)模農(nóng)戶自建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)難以實(shí)現(xiàn)。以村落為單位，建立農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是相對(duì)理想的選擇。而且同村有較為一致的自然環(huán)境，較為統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，村民們也相互熟悉，方便管理。

然而，村落規(guī)模的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，面臨著數(shù)據(jù)規(guī)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(lián)網(wǎng)能夠滿足村民們手機(jī)、電腦終端的需求。而物聯(lián)網(wǎng)的感知終端是密度很大的傳感器設(shè)備，即便單個(gè)傳感器對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求較低，全村規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求也會(huì)很高。能夠適應(yīng)農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)需求的傳輸網(wǎng)絡(luò)，就是近幾年興起的5G網(wǎng)絡(luò)。

5G指的是第五代移動(dòng)通信（5th Generation WirelessSystem），能滿足增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）和海量機(jī)器通信（mMTC）3個(gè)場景的應(yīng)用，因此在速率、流量密度、連接數(shù)、時(shí)延、可靠性方面均有較大的突破。5G時(shí)代的到來，意味著更全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、更海量的設(shè)備加入互聯(lián)網(wǎng)，以及質(zhì)量更高的通信。網(wǎng)絡(luò)性能的提升，讓農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展擁有巨大潛力。

2 農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、無線傳感技術(shù)把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)機(jī)設(shè)備、動(dòng)植物生長環(huán)境、土壤墑情、病蟲害狀況、受災(zāi)程度、機(jī)械單元與生產(chǎn)者和管理者連接起來，實(shí)現(xiàn)了“人、機(jī)、物”一體化，逐漸降低物體和機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，大大提高了人的智慧的作用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層三個(gè)層次。

2.1 感知層

感知層，主要功能是利用傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)去獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段的信息。這些信息分為自然資源信息、農(nóng)情信息兩類。對(duì)農(nóng)業(yè)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(qiáng)度、大氣壓、降水量）、水資源要素（水質(zhì)、水深、水域面積、水域形狀）、土地資源要素（經(jīng)緯度、土質(zhì)、養(yǎng)分、土地面積、土地形狀）。農(nóng)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(shè)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(wèi)星資源來獲得。將原始的衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行一定的校正和計(jì)算就能獲得符合常規(guī)需求的面積數(shù)據(jù)，形狀也可以直觀顯示。水質(zhì)測量，常用的傳感器有余氯傳感器、總有機(jī)碳（ TOC）傳感器、電導(dǎo)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(yè)水體，一般還會(huì)關(guān)注葉綠素、黃色物質(zhì)等指標(biāo)。土質(zhì)傳感器主要監(jiān)測氮磷鉀等化學(xué)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(biāo)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(fēng)速風(fēng)向傳感器、大氣壓力傳感器來測量。

2.2 傳輸層

5G網(wǎng)絡(luò)是靈活、智慧的網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的關(guān)鍵。物聯(lián)網(wǎng)需要因地制宜地布置感知層設(shè)備，不同規(guī)模、不同密度、不同用途的設(shè)備可能使用不一樣的底層無線通信技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)的靈活性就在于能與其他無線移動(dòng)通信技術(shù)密切銜接，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提供無所不在的基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)能力。其智慧體現(xiàn)在，5G技術(shù)的內(nèi)在革新對(duì)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(wǎng)絡(luò)的接口部分，就能享受更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)常用的無線通信技術(shù)有：ZigBee、SimpliciTl、BLE、SimpleLink WiFi。由它們構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括匯聚結(jié)點(diǎn)、管理結(jié)點(diǎn)和傳感器結(jié)點(diǎn)。傳感器結(jié)點(diǎn)之間通過自組織的方式構(gòu)建起無線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某個(gè)結(jié)點(diǎn)檢測到數(shù)據(jù)并需要向上傳輸時(shí)，以自組多跳的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。眾多數(shù)據(jù)首先被集中到匯聚結(jié)點(diǎn)，匯聚結(jié)點(diǎn)可以通過5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到管理結(jié)點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)是一種短距離的無線通信技術(shù)，特點(diǎn)是功耗很低、復(fù)雜度低、容量高、可靠性強(qiáng)、無需人工干預(yù)，成本低。例如林地、田地、草場等廣闊農(nóng)業(yè)區(qū)域，如果完全由人為監(jiān)管，將會(huì)耗時(shí)費(fèi)力。而ZigBee技術(shù)可以容納數(shù)萬個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)，覆蓋范圍大，安裝干電池就能用一年左右時(shí)間，監(jiān)控這些大面積區(qū)域非常合適。

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)是小型射頻網(wǎng)絡(luò)，可以容納100個(gè)以內(nèi)的傳感器結(jié)點(diǎn)。它的特點(diǎn)是規(guī)模小、對(duì)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(wǎng)絡(luò)。

低功耗藍(lán)牙BLE，這是一種功能相對(duì)復(fù)雜的無線通信技術(shù)，適用于數(shù)據(jù)發(fā)送量小、發(fā)送頻率低，但要求實(shí)時(shí)、可靠的異步傳輸?？蓱?yīng)用于豬、牛等較大型動(dòng)物的養(yǎng)殖場，對(duì)動(dòng)物的生物特征變化進(jìn)行精細(xì)監(jiān)控。低功耗藍(lán)牙和經(jīng)典藍(lán)牙類似，可以讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與人們常用的手機(jī)終端相連接，這樣就能實(shí)現(xiàn)人與眼前設(shè)備的直接交互，而不通過云端服務(wù)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(shù)。它比其他底層的無線通信技術(shù)更安全，同時(shí)對(duì)硬件設(shè)備的要求也更高。所以它一般不用于普通傳感器結(jié)點(diǎn)單向地向上層傳遞數(shù)據(jù)，而常用于集成了復(fù)合功能的智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和上層之間雙向傳輸數(shù)據(jù)。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層在現(xiàn)代科技發(fā)展的推動(dòng)下，已經(jīng)從物理上的“層次”變?yōu)檫壿嬌系摹皩哟巍薄？梢哉f，感知層、傳輸層必定存在于物聯(lián)網(wǎng)所在的村落，但應(yīng)用層是傳輸層以上的部分，可以通過5G網(wǎng)絡(luò)突破地域限制，與分布在祖國各地、甚至世界各地的云服務(wù)平臺(tái)相連接。

農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)量將會(huì)很龐大，需要控制的設(shè)備也會(huì)很多，自己組建機(jī)房、搭建私有的計(jì)算機(jī)中心難度很高，而且需要日常維護(hù)，耗費(fèi)人力物力。在“云計(jì)算”技術(shù)日益成熟的今天，完全可以租用云端的計(jì)算資源，將大數(shù)據(jù)處理、深度學(xué)習(xí)、智能決策等功能放在云計(jì)算中心，按需付費(fèi)，享受可靠、安全、穩(wěn)定、高性能的彈性計(jì)算服務(wù)。

云計(jì)算是分布式處理（distributed computing）、并行處理（parallel computing）、網(wǎng)格計(jì)算（grid computing）的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。這是一種革命性的舉措，好比從古老的單臺(tái)發(fā)電機(jī)模式轉(zhuǎn)向了電廠集中供電的模式。它意味著計(jì)算能力也可以作為一種商品進(jìn)行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便，費(fèi)用低廉。公共云由一個(gè)組織管理維護(hù)，提供對(duì)外的云服務(wù)，可以被公眾所擁有。從云計(jì)算服務(wù)的角度，可以將其分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）。

IaaS可以提供虛擬機(jī)、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)服務(wù)，村物聯(lián)網(wǎng)獲得的數(shù)據(jù)可以通過這項(xiàng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)初步處理、存儲(chǔ)。PaaS提供的是一個(gè)開發(fā)環(huán)境，用戶可以在這個(gè)平臺(tái)編寫軟件程序，這項(xiàng)服務(wù)一般是軟件開發(fā)企業(yè)使用，農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)的搭建者自行開發(fā)軟件系統(tǒng)難度大、效率低，一般不會(huì)使用。SaaS提供軟件托管服務(wù)，即用戶付費(fèi)使用云端的軟件程序，農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)并不能直接被農(nóng)戶們接受，需要經(jīng)過相應(yīng)的軟件處理，最終呈現(xiàn)到他們的手機(jī)、電腦終端上才能使用?，F(xiàn)在已經(jīng)有較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)了，比如智云物聯(lián)公共服務(wù)平臺(tái)（ZCLOUD）。

3 農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用

農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)量大、種類繁多，再加上自然環(huán)境變化莫測，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)有錯(cuò)誤、冗余、丟失。必須經(jīng)過一系列的處理，才能充分利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)采集的大數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫撕?，需要進(jìn)過清洗、集成、轉(zhuǎn)換、規(guī)約等預(yù)處理操作，目的是去除冗余和噪聲數(shù)據(jù)、規(guī)整數(shù)據(jù)、精簡壓縮數(shù)據(jù)。粗糙的數(shù)據(jù)還不能直接使用，一般通過數(shù)據(jù)挖掘算法提煉關(guān)鍵信息，再用可視化技術(shù)呈現(xiàn)給用戶，或者共享給農(nóng)業(yè)科研人員，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

如果后續(xù)還需要結(jié)合一系列策略構(gòu)建農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，那么數(shù)據(jù)可視化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。比如，策略的形成需要用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等技術(shù)。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制還需要融入機(jī)械、電氣方面的技術(shù)?？傊瑢?duì)于整個(gè)農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)僅為其中一個(gè)重要部分，其他部分和物聯(lián)網(wǎng)相輔相成、密不可分，但討論起來將是另一番天地。

4 結(jié)語

5G時(shí)代將是萬物互聯(lián)的時(shí)代，農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)有著光明的發(fā)展前景。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化是未來的發(fā)展趨勢，需要全社會(huì)貢獻(xiàn)力量，需要更多科技人才加入到建設(shè)隊(duì)伍當(dāng)中。

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