基于5G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的科技支農(nóng)智能平臺設(shè)計(jì)

王 睿，劉紅軍，廖榮洋

(宿州學(xué)院商學(xué)院，安徽 宿州234000)

一、需求分析

當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展階段，解決人口、資源、環(huán)境、糧食和能源等問題成為關(guān)注焦點(diǎn)，利用科技實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化是推進(jìn)新農(nóng)業(yè)革命、打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)跨越的必然選擇。農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是關(guān)系百姓生計(jì)的民生產(chǎn)業(yè)，我國是十幾億人口的大國，吃飯和建設(shè)始終是做好經(jīng)濟(jì)工作的重要準(zhǔn)則。近十年來，我國糧食消費(fèi)大增，今后工業(yè)化城市化快速發(fā)展時期，農(nóng)產(chǎn)品需求將持續(xù)擴(kuò)大，保障農(nóng)產(chǎn)品供給面臨巨大挑戰(zhàn)。工業(yè)化城市化建設(shè)中，若農(nóng)業(yè)發(fā)展跟不上，人們?nèi)粘Ｉ钍苡绊?，社會就難以安定，現(xiàn)代化建設(shè)就會受到影響。

農(nóng)業(yè)是關(guān)系農(nóng)民生計(jì)的最大產(chǎn)業(yè)，通過建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，發(fā)展農(nóng)業(yè)集約經(jīng)營，開發(fā)農(nóng)業(yè)多種功能，延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條，可為農(nóng)業(yè)增收提供廣闊空間。在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)階段中，農(nóng)民老齡化問題嚴(yán)重，大量勞動力外出務(wù)工，農(nóng)村空心化現(xiàn)象突出，分散的土地農(nóng)作產(chǎn)出低，規(guī)?；r(nóng)業(yè)經(jīng)營與土地出租承包日漸成為必然趨勢。我國農(nóng)業(yè)面臨的國際競爭日趨激烈，因而發(fā)展覆蓋全程的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營服務(wù)，將干不了、干不好、干起來不合算的環(huán)節(jié)交給其他服務(wù)組織去干，通過社會化、專業(yè)化服務(wù)解決農(nóng)戶生產(chǎn)經(jīng)營的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；⒓s化迫在眉睫。

第三次信息技術(shù)革命的興起，使得物聯(lián)網(wǎng)成為高科技領(lǐng)域國際競爭的熱點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的提升為科技研發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了良好的機(jī)遇。為了改變勞動成本高、時間和空間受約束、資源利用率有限等現(xiàn)狀，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在通過生物技術(shù)等先進(jìn)的生產(chǎn)模式不斷創(chuàng)新和改變，互聯(lián)網(wǎng)以無窮的信息技術(shù)和智能技術(shù)，開啟了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)代休閑農(nóng)業(yè)的新時代。科技生產(chǎn)的支撐作用日益加強(qiáng)，農(nóng)物設(shè)備的水平一直在穩(wěn)步提高，新管理系統(tǒng)也正日益改善。

2019年，中央1號文件指出，要加快突破農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)，培育一批農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略科技創(chuàng)新力量，其中就包括物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)。中國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)手工農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代休閑農(nóng)業(yè)邁進(jìn)的轉(zhuǎn)型之期，物聯(lián)網(wǎng)智能支農(nóng)將在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特而重要的作用。充分利用智能信息管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)代休閑農(nóng)業(yè)也已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。5G時代的到來還提供了一個新的發(fā)展機(jī)遇和動力，即“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”到“物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)”的轉(zhuǎn)變。

而結(jié)合了5G、物聯(lián)網(wǎng)、VR技術(shù)，并借助“大帶寬、低時延、廣連接”的優(yōu)勢，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字領(lǐng)域操控真實(shí)世界中的物體，就能夠?qū)崿F(xiàn)隨時隨地遠(yuǎn)程操作的效果。通過建立氣象監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，可以進(jìn)行精細(xì)管理和調(diào)控作物，務(wù)農(nóng)人員甚至綠化工人可以及時、快速獲取場地氣象數(shù)據(jù)和土壤信息字段等。

高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用改善了傳統(tǒng)手工勞作農(nóng)業(yè)的弱點(diǎn)，比如變異大、穩(wěn)定性差和可控制程度低等，真正把“土地可以種植在手機(jī)上”變成可能，實(shí)現(xiàn)了“經(jīng)營管理是制勝千里的必由之路”的管理調(diào)控理念。

需求主體主要包括政府部門、新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體、農(nóng)業(yè)示范園區(qū)等。具體需求分析如下：

1.政府部門，各級地方政府涉農(nóng)部門，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)的重要購買者。受思想意識、技術(shù)應(yīng)用等因素限制，普通經(jīng)營者對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求并不迫切，主要還是依靠國家政府部門主導(dǎo)推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。且本項(xiàng)目可有效地為城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綠化做貢獻(xiàn)，政府將會成為我們發(fā)展的一大需求主體。

2.新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，主要包括專業(yè)大戶、家庭農(nóng)場、農(nóng)民合作社、龍頭企業(yè)和農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)組織，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)真正的市場化需求主體，當(dāng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定階段后，該主體的需求將影響農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展走勢。新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體具有的先進(jìn)的技術(shù)、充足的資金和現(xiàn)代化經(jīng)營管理理念，是其區(qū)別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體的主要特征。

3.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)作為最新的農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用與推廣載體，是現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中率先開展應(yīng)用示范的重要基地。園區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化程度高，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的典型和樣板。

二、項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目是一個基于5G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的科技支農(nóng)的智能支農(nóng)平臺，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)，利用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集信息，并將信息反饋給農(nóng)業(yè)經(jīng)營者，農(nóng)業(yè)經(jīng)營者通過VR設(shè)備和傳感器采集的信息，及時觀察和掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的基本情況，準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的農(nóng)作物進(jìn)行全流程的管理控制和生產(chǎn)操作。

操作平臺是利用傳感器節(jié)點(diǎn)組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，從外部環(huán)境獲取數(shù)據(jù)到移動終端反饋數(shù)據(jù)，并利用VR技術(shù)傳遞虛擬現(xiàn)實(shí)圖像，在第三方平臺進(jìn)行線上三維立體遠(yuǎn)程監(jiān)管與實(shí)時操控，實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)，節(jié)省人力資源與成本。

利用溫度傳感器、濕度傳感器、VR攝像機(jī)、VR圖像輸出平臺、語音處理機(jī)等設(shè)備與平臺客戶端連接，采集的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳至平臺客戶端，管理者通過客戶端實(shí)時掌握農(nóng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。平臺客戶端包括手機(jī)App和5VW平臺操作系統(tǒng)2類?？蛻舳酥饕δ苣K包括設(shè)備控制、VR實(shí)時查看、農(nóng)場數(shù)據(jù)等。農(nóng)場管理者通過客戶端獲取農(nóng)場土地的詳盡信息，比如土壤養(yǎng)分、肥料、硬度以及作物草蟲等，再通過設(shè)備控制界面與VR實(shí)時查看進(jìn)行農(nóng)場濕度控制、除蟲、大棚溫度控制等遠(yuǎn)程監(jiān)管與實(shí)時操控。

三、系統(tǒng)平臺建設(shè)

(一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.先進(jìn)性原則：采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，選用先進(jìn)的硬件和軟件，保證今后項(xiàng)目的整體技術(shù)領(lǐng)先。

2.開放性原則：方案的設(shè)計(jì)和選擇符合國際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使項(xiàng)目具有較高的開放性和對所供設(shè)備的技術(shù)兼容性。

3.可擴(kuò)展性原則：在充分考慮現(xiàn)狀的同時，項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須考慮未來較長時間內(nèi)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，具有全面升級和擴(kuò)展的可能性。

4.可靠性原則：項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須貫徹可靠性原則，使系統(tǒng)具有高可用性。

5.經(jīng)濟(jì)適用性原則：指在必要的可擴(kuò)展性原則下，使用具有適當(dāng)功能的軟硬件產(chǎn)品。

(二)科技支農(nóng)智能平臺功能需求分析

1.前臺功能需求分析

(1)注冊/登錄/退出：一是滿足新用戶的注冊，在用戶注冊的同時，系統(tǒng)可以收集用戶資料，為后期在后臺管理提供便利；二是平臺用戶的登錄或退出登錄，以及可以為丟失密碼的用戶找到原來的密碼。

(2)首頁：是用戶使用該軟件經(jīng)常看到的界面，在首頁添加核心功能模塊，有利于消費(fèi)操作，提升用戶體驗(yàn)，設(shè)計(jì)應(yīng)以簡約、方便為主。

(3)設(shè)備控制模塊：是用戶用來控制農(nóng)場設(shè)備的接口，通過進(jìn)入設(shè)備管理與控制界面，完成對農(nóng)場設(shè)備的控制，控制模塊包括添加、啟動、調(diào)整參數(shù)、關(guān)閉等功能組。

(4)VR實(shí)時查看模塊：基于5G寬帶，通過VR相機(jī)對農(nóng)場進(jìn)行實(shí)時拍攝，將視頻通過服務(wù)器傳輸至用戶手機(jī)。用戶通過VR視頻+VR眼鏡，實(shí)時查看農(nóng)場的情況，足不出戶就可以作出最佳的控制設(shè)備請求。

2.后臺功能需求分析

(1)用戶管理：用戶管理主要是對網(wǎng)站管理員而言，網(wǎng)站管理員有對已經(jīng)在網(wǎng)站注冊的會員進(jìn)行管理的權(quán)限，其主要權(quán)限包括：新注冊用戶信息的審核、已經(jīng)注冊的用戶信息的管理與維護(hù)。

(2)設(shè)備管理：支持設(shè)備添加、功能定義、數(shù)據(jù)解析、在線調(diào)試、遠(yuǎn)程配置、固件升級、遠(yuǎn)程維護(hù)、實(shí)時監(jiān)控、分組管理、設(shè)備刪除等功能。

(3)信息管理：提供設(shè)備上下線變更通知服務(wù)，方便實(shí)時獲取設(shè)備狀態(tài)。提供數(shù)據(jù)存儲能力，方便用戶海量設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲及實(shí)時訪問。支持OTA升級，賦能設(shè)備遠(yuǎn)程升級。提供設(shè)備影子緩存機(jī)制，將設(shè)備與應(yīng)用解耦，解決不穩(wěn)定5G網(wǎng)絡(luò)下的通信不可靠痛點(diǎn)。

四、平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能平臺的設(shè)計(jì)核心主要包括三個主要方面：5G核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、VR成像，在三方面技術(shù)的結(jié)合下完成平臺的功能實(shí)現(xiàn)，主要架構(gòu)分為四層：感知層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)圖

該模型主要分為四層：感知層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

1.感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括噴灌設(shè)備、風(fēng)機(jī)設(shè)備、燈光設(shè)備、光照傳感器、溫度傳感器、CO2傳感器等感知終端。

2.鏈路層主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)鏈路數(shù)據(jù)傳輸，VR成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，包括圖像數(shù)據(jù)的編碼解碼、傳輸?shù)取?/p>

圍繞提高城鄉(xiāng)供水保障能力，現(xiàn)代水網(wǎng)體系框架基本建成。構(gòu)建現(xiàn)代水網(wǎng)工程體系步伐加快，南水北調(diào)山東段干線工程試通水成功，膠東調(diào)水主體工程具備試通水條件，基本形成輻射全省的“T”形水網(wǎng)骨干框架。推進(jìn)雨洪資源利用，組織編制了雨洪資源利用規(guī)劃綱要并啟動實(shí)施一期工程。

3.網(wǎng)絡(luò)層以5G核心網(wǎng)為主，由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺等組成。

4.應(yīng)用層是智能平臺和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它與業(yè)務(wù)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、VR的智能應(yīng)用。

五、控制平臺的實(shí)現(xiàn)

(一)控制平臺的開發(fā)環(huán)境與相關(guān)技術(shù)

操作系統(tǒng)：CentOS 7.3。

Web服務(wù)器：WordPeress。

數(shù)據(jù)庫：MySQL+Navicat。

開發(fā)工具以及相關(guān)技術(shù)：Android Studio、Eclipse、IoT Studio。

1.CentOS 7.3

CentOS是一個基于Red Hat Linux提供的可自由使用源代碼的企業(yè)級Linux發(fā)行版本，同時CentOS完全免費(fèi)，不存在RED HAT AS4需要序列號的問題。

WordPress是最流行的、最強(qiáng)大的博客和內(nèi)容管理網(wǎng)站的工具平臺，借助第三方開發(fā)的模板、插件，用戶可實(shí)現(xiàn)多樣化的個性化功能。該鏡像基于CentOS 7.3 64位操作系統(tǒng)。

3.MySQL+Navicat

MySQL性能卓越、服務(wù)穩(wěn)定，加上界面優(yōu)美的Navicat，使數(shù)據(jù)庫管理更加方便。

4.ASP開發(fā)工具以及相關(guān)技術(shù)

使用Android Studio工具對安卓源碼進(jìn)行編譯，便于對軟件的維護(hù)與更新，利用IoT Studio(基于阿里云的物聯(lián)網(wǎng)控制平臺)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備的控制。

(二)部分功能實(shí)現(xiàn)

1.為設(shè)備定義物模型

物模型是對設(shè)備在云端的功能描述，包括設(shè)備的屬性、服務(wù)和事件。物聯(lián)網(wǎng)平臺通過定義一種物的描述語言來描述物模型，稱之為TSL(即thing specification language)。采用JSON格式。

2.建立設(shè)備與平臺的連接

阿里云IoT Studio平臺提供設(shè)備端SDK，設(shè)備使用SDK與平臺建立通信。在這一步里，我們使用平臺提供的樣例程序linkkit-example-solo模擬設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺的通信。

登錄Linux虛擬機(jī)。

獲取Link Kit SDK。

使用unzip命令解壓壓縮包。

設(shè)備身份信息將通過HAL調(diào)用返回給SDK。因此，需要將wrappers/os/ubuntu/HAL_OS_linux.c中的設(shè)備證書信息修改為創(chuàng)建產(chǎn)品與設(shè)備步驟中創(chuàng)建的設(shè)備證書，并完成保存。

填入ProductKey、DeviceName和DeviceSecret。設(shè)備使用該證書進(jìn)行身份認(rèn)證并連接物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3.服務(wù)端訂閱設(shè)備消息

設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺后，數(shù)據(jù)直接上報至物聯(lián)網(wǎng)平臺。平臺上的數(shù)據(jù)可以通過AMQP通道流轉(zhuǎn)至用戶的服務(wù)器。這一步中，平臺將配置AMQP服務(wù)端訂閱功能。服務(wù)器可以通過接入AMQP SDK，接收設(shè)備數(shù)據(jù)。

六、創(chuàng)新性分析

農(nóng)業(yè)是傳統(tǒng)行業(yè)，競爭壓力較大，但VR視野下的智能農(nóng)業(yè)線上監(jiān)管模式的現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè)目前還沒有在全國范圍內(nèi)完全開始實(shí)行，競爭壓力并不是很大。在5G大數(shù)據(jù)時代下利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)借助互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展現(xiàn)代化休閑農(nóng)業(yè)必然是一次新的嘗試，該項(xiàng)目針對當(dāng)前人們生活方面的某些不足以及站在考慮人力資源與成本的角度，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與VR技術(shù)進(jìn)行廣泛運(yùn)用，通過在一、二、三產(chǎn)業(yè)相互融合中拓寬自己的服務(wù)領(lǐng)域，提升自己在未來市場上的競爭力。通過大數(shù)據(jù)的分析對比合理管控農(nóng)業(yè)的各個環(huán)節(jié)，來達(dá)到整體優(yōu)化的目標(biāo)，推出智能農(nóng)業(yè)線上操作即智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備+互聯(lián)網(wǎng)+休閑生態(tài)農(nóng)業(yè)服務(wù)，以此管控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)目標(biāo)。

在技術(shù)方面我們項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn)在于加入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和VR技術(shù)，既是將新技術(shù)融入農(nóng)業(yè)的創(chuàng)舉，也是想盡早進(jìn)入行業(yè)積累豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和良好的市場基礎(chǔ)，以確立該領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢。以物聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)為載體，通過信息的傳送、加工、處理和共享，建立農(nóng)業(yè)信息的動態(tài)管理體系，再通過VR技術(shù)利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺等感官的模擬，讓用戶感覺仿佛身臨其境，可以即時、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。

七、結(jié)束語

綜上所述，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化建設(shè)將是當(dāng)今農(nóng)業(yè)及社會發(fā)展的重要方向，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)線上操作即智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備+互聯(lián)網(wǎng)+休閑生態(tài)農(nóng)業(yè)服務(wù)，能夠有效幫助務(wù)農(nóng)工作者對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的農(nóng)作物進(jìn)行全流程的監(jiān)管與生產(chǎn)，并在智能平臺上開展經(jīng)濟(jì)活動增加收益。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們將在鞏固小型農(nóng)場試點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對平臺進(jìn)行推廣并加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)。未來利用5G通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和VR技術(shù)，對平臺進(jìn)行優(yōu)化升級并且發(fā)展其他相關(guān)技術(shù)行業(yè)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的生產(chǎn)更加個性化、專業(yè)化與人性化，為我國的智能農(nóng)業(yè)未來發(fā)展做出貢獻(xiàn)。