5G技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣象中的應(yīng)用與發(fā)展探究

王玉祥，龐茗文，周子游，龍溢霏，羅晶晶

1.南京信息工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，江蘇 南京 210000；2.數(shù)字取證教育部工程研究中心，江蘇 南京 210000；3.合浦縣氣象局廣西壯族自治區(qū) 北海 536000；4.南京信息工程大學(xué) 濱江學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214000；5.南寧市氣象局，廣西壯族自治區(qū) 南寧 530000）

隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，其對人們的生活方式產(chǎn)生了極大的改變。5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)平臺可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、氣象等多個方面，實(shí)現(xiàn)智慧互聯(lián)。一體化智慧農(nóng)業(yè)氣象平臺將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)合理地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)氣象中，降低勞動力成本，促使整個產(chǎn)業(yè)得到更加穩(wěn)定快速的發(fā)展。

1 基本概述

1.1 5G通信技術(shù)

5G通信技術(shù)又稱第五代通信技術(shù)，目前世界各國加快對5G設(shè)備的部署，至2020年全面實(shí)現(xiàn)對5G通信網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化應(yīng)用。5G通信技術(shù)具備以下特點(diǎn)：一是傳輸速度塊，5G通信技術(shù)的運(yùn)行時峰值是4G的10倍，極大地提升了信息的傳送速度；二是高容量，高兼容；三是接入穩(wěn)定；四是延時性低、可靠性好。5G通信技術(shù)具有更高的網(wǎng)絡(luò)可靠性，極大地提升了數(shù)據(jù)安全性和可靠性；五是低功耗[1]。5G通信網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)一步深入，兩者間的深度融合也將促使物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展變得更加快速。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指通過各種類型的傳感器件，并借助特定的信息傳播媒介，實(shí)現(xiàn)物物相連、達(dá)到信息交換和共享的新型智慧化網(wǎng)絡(luò)模式。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)物體與物體連接，同時對物體行為建立有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和傳輸，并通過信息化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對收集到的數(shù)據(jù)按照規(guī)律進(jìn)行整合和存儲，以便對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，得到所需要的關(guān)鍵信息[1]。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、物流、安保等，能夠更加高效、合理地使用及分配相關(guān)資源，對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展起到助推的作用。

2 5 G農(nóng)業(yè)氣象控制系統(tǒng)模型組成結(jié)構(gòu)

當(dāng)前依托5G通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)而成的智慧農(nóng)業(yè)氣象控制服務(wù)系統(tǒng)，通常利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)等，構(gòu)建數(shù)字化物聯(lián)網(wǎng)傳輸控制臺，以建立5G農(nóng)業(yè)氣象控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分見圖1，主要包括供電設(shè)備、邊緣設(shè)備、前端設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備4個部分[2]。供電設(shè)備采用的是太陽能電池板發(fā)電，以達(dá)到節(jié)能減排和控制維護(hù)成本的作用。在用電方面，蓄電池通過穩(wěn)壓器輸出的電流能夠?qū)崿F(xiàn)在極低功耗下的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，并保證硬件設(shè)備在整個系統(tǒng)中的正常工作。邊緣設(shè)備包含4個部分，用于定義在信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邊緣處的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，分別是物聯(lián)網(wǎng)傳輸控制臺部分、本地數(shù)據(jù)存儲部分、感知部分、微型電腦[3]。

圖1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)Fig.1 The system Model Structure

微型電腦是系統(tǒng)硬件的核心，負(fù)責(zé)完成控制各種信息傳感器，將所有采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出有效信息。微型電腦采用esp32，當(dāng)系統(tǒng)處于通電狀態(tài)下并收到啟動指令后，微型電腦會發(fā)送指令先自檢設(shè)備，以保證整個系統(tǒng)的安全啟動。當(dāng)系統(tǒng)完成安全啟動工作后，微型電腦發(fā)送開始工作的指令到前端采集設(shè)備，前端設(shè)備將按照預(yù)先設(shè)置好的底層邏輯與模塊，分別完成氣象信息的采集工作。完成數(shù)據(jù)的采集后，交由本地數(shù)據(jù)存儲部分完成對數(shù)據(jù)的存儲、判斷去噪等，將最后篩選出的有效信息以JSON的形式傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺控制臺上。物聯(lián)網(wǎng)平臺后端數(shù)據(jù)管理員可選擇手動添加或自動添加的形式將數(shù)據(jù)發(fā)布至物聯(lián)網(wǎng)平臺上。

3 5 G技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣象中的應(yīng)用

3.1 智慧農(nóng)業(yè)

國內(nèi)糧食種植正向科技化、機(jī)械化、智能化等方向發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)由此孕育而生。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)過于依賴自然條件以及使用人力勞作，天氣、環(huán)境等的變化都會影響作物的生長，不可控因素多，此外，人力勞作的工作效率不高，有許多弊端。農(nóng)作物生長變化需要人工實(shí)時觀察記錄，但僅僅依靠人工巡查的效率太低，所以人們將5G技術(shù)與農(nóng)業(yè)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。通過5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)時監(jiān)測農(nóng)作物的生長趨勢。5G無人機(jī)將農(nóng)田的圖像導(dǎo)入服務(wù)端，系統(tǒng)自動識別農(nóng)作物是否缺少某些元素、是否需要澆水施肥和蟲害的防治等，對農(nóng)作物生長的需求進(jìn)行精準(zhǔn)測算，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少肥料和除草劑的浪費(fèi)。

瑞士的一個智能農(nóng)場，為了提高農(nóng)田除草的效率，采用了5G鋤地機(jī)，在鋤頭上裝有5G高清攝像鏡頭，可以快速掃描農(nóng)作物后通過云端自動識別其類型，從而精準(zhǔn)避開農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)除雜草及有害作物的目的，有效減少了農(nóng)作物的損失以及環(huán)境污染等。事實(shí)上，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)上還有廣闊的發(fā)展?jié)摿?，將萬物互聯(lián)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，將在更大程度上擺脫自然條件的約束。5G時代的到來，將會對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來深刻的影響，極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的信息化水平。

3.2 智慧漁業(yè)

微型電腦系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)理念（5G發(fā)展理念），并結(jié)合“多端顯示”思想，高清紅外攝像頭1、2作為前端，實(shí)施24 h不間斷監(jiān)控環(huán)境及時更新，通過無線通信將數(shù)據(jù)傳回霧計(jì)算中心，和基于5G網(wǎng)絡(luò)和部署在養(yǎng)殖場的水溫傳感器、游氧傳感器、pH值傳感器、水位傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通過串口通信，一起將數(shù)據(jù)傳輸?shù)届F計(jì)算中心，再由云服務(wù)中心處理完畢后可以傳輸?shù)接脩艚K端，如手機(jī)、電腦、平板等。員工可以根據(jù)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)及時做出相應(yīng)調(diào)整。每個養(yǎng)殖場的環(huán)境指標(biāo)都是不相同的，不同傳感器間共同作用，可以全天候不間斷監(jiān)控溫度、濕度、pH值、光照強(qiáng)度等各類環(huán)境數(shù)據(jù)。如今，5G時代的到來，為智慧漁業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)更大的平臺。人們可以利用5G技術(shù)，打造全新的智慧漁業(yè)模式，設(shè)置警戒紅線，智能提醒，當(dāng)降雨導(dǎo)致養(yǎng)殖場水位線上升到警戒線時可以通過中心智能提醒員工，利用手機(jī)操控進(jìn)行排水等措施，不再有地區(qū)限制，不再需要員工駐守在養(yǎng)殖場做記錄，而且5G網(wǎng)絡(luò)將會更高清、更高速、更精準(zhǔn)地操控魚類的養(yǎng)殖過程，減少了人力資源的浪費(fèi)和養(yǎng)殖的成本。智慧漁業(yè)系統(tǒng)見圖2。

圖2 智慧漁業(yè)系統(tǒng)Fig.2 The intelligent fishery system

3.3 智慧林業(yè)

智慧林業(yè)同樣是利用5G農(nóng)業(yè)氣象控制系統(tǒng)的模型，主要有前端設(shè)備（感知接入層）、邊緣設(shè)備（云計(jì)算層）、監(jiān)控設(shè)備（智慧決策層）3部分組成。第一，前端設(shè)備（感知接入層）主要包括各類信息傳感器、無人飛機(jī)、衛(wèi)星、RFID等設(shè)備以及可被支持的各類智能化設(shè)備。利用5G通信技術(shù)對整個林區(qū)進(jìn)行巡檢、分析、監(jiān)測并整合森林各類資源信息，例如：森林面積、野生動植物種類及數(shù)量、森林病蟲害、森碳儲量、森林防火檢測等。若與地理信息系統(tǒng)（GIS）、虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)融合，可以在一定程度上對森林資源實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)可視化，為智慧決策層提供強(qiáng)大的支持。第二，邊緣設(shè)備（云計(jì)算層）在整個系統(tǒng)模型中起著核心作用。第三，監(jiān)控設(shè)備（智慧決策層）是利用云計(jì)算層提供的感知接入層的數(shù)據(jù)或模擬現(xiàn)實(shí)的信息化的整合資料，通過一系列的模型處理分析，從而實(shí)現(xiàn)快精準(zhǔn)的智慧決策。

3.4 智慧畜牧

目前，我國畜牧行業(yè)主要包括牧區(qū)畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)區(qū)畜牧業(yè)2種類型，其養(yǎng)殖方式分別以放養(yǎng)、圈養(yǎng)為主。牧區(qū)畜牧業(yè)的放養(yǎng)方式存在著管理困難、人工投入大、安全問題等缺點(diǎn)，而農(nóng)業(yè)區(qū)畜牧業(yè)主要以家禽、豬牛養(yǎng)殖為主，主要存在動物防疫問題。5G技術(shù)的智慧畜牧系統(tǒng)見圖3，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大型牧場中的數(shù)據(jù)采集、控制、分析、處理、存儲、可視化、生長全程溯源、科學(xué)調(diào)控等業(yè)務(wù)功能，可以幫助牧民和養(yǎng)殖企業(yè)實(shí)現(xiàn)對畜牧業(yè)的科學(xué)監(jiān)管。智慧畜牧的關(guān)鍵是采集和控制對牧養(yǎng)過程中的各類數(shù)據(jù)，因此主要開發(fā)例如動物健康監(jiān)測、動物定位、動物成長全程溯源等功能。

圖3 智慧畜牧系統(tǒng)Fig.3 The intelligent livestock system

3.5 智慧能源

由氣象要素直接產(chǎn)生的能叫做氣象能源，如風(fēng)能、太陽能，它擁有著其他類型能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。首先，是一種清潔污染的能源；其次，是一種巨大的永久性的能源。在當(dāng)今資源緊缺的時代利用好氣象能源已經(jīng)是新一輪能源革命工作的重中之重。

智慧能源與傳統(tǒng)能源的區(qū)別在于“能量”和“網(wǎng)絡(luò)”聯(lián)系在一起，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特性，將能源通過信息傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行收集分析預(yù)測和控制等功能。由于氣象能源雖然取之不盡用之不竭，但在利用方面卻受到較多限制，若想達(dá)到保障地區(qū)發(fā)展所需能源的目的，必須在不同地區(qū)采用不同能源組合的方式進(jìn)行智能化控制采集。

從能源收集方面入手，實(shí)現(xiàn)智慧能源的核心要點(diǎn)是：①對該地區(qū)氣象能源的整體體系實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測；②氣象能源與常規(guī)能源需有計(jì)劃地綜合利用；③經(jīng)濟(jì)化的能源裝置。

從智能技術(shù)入手，“互聯(lián)網(wǎng)+氣象能源”的核心技術(shù)是：①監(jiān)測精度高、延時性低；②覆蓋范圍廣、傳輸速率高；③大容量的數(shù)據(jù)存儲；④設(shè)備低功耗、數(shù)據(jù)安全和高可靠性。

根據(jù)能源收集的核心要點(diǎn)與核心技術(shù)智慧能源供給流程圖見圖4。在圖4智慧能源供給流程中能夠?qū)崟r監(jiān)測前端設(shè)備采集到的能源信息，并將信息傳送回能源信息平臺。根據(jù)資源信息可對能源利用結(jié)構(gòu)一目了然，挖掘能源潛力、合理分配資源等。

圖4 智慧能源供給流程圖Fig.4 The flow chart of smart energy supply

3.6 數(shù)字鄉(xiāng)村

構(gòu)建數(shù)字鄉(xiāng)村應(yīng)嚴(yán)格遵守操作簡單、全面開放、實(shí)用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的構(gòu)造思想，從三個“一”中來構(gòu)建。

第一，一套云操作系統(tǒng)?；诎沧?IOS的一個智能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)第三方數(shù)據(jù)接入，大致分為五大模塊：物聯(lián)模塊、數(shù)據(jù)模塊、應(yīng)用模塊、權(quán)限模塊及系統(tǒng)控制模塊。重點(diǎn)功能在于可實(shí)現(xiàn)任何環(huán)境、AI監(jiān)控及支持上千種IoT傳感設(shè)備的接入及對應(yīng)數(shù)據(jù)的管理。

第二，一系列智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用。主要包含2種服務(wù)功能，監(jiān)測服務(wù)，智慧生產(chǎn)輔助服務(wù)。

第三，一個智慧商業(yè)平臺。應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村特色產(chǎn)業(yè)，主要涵蓋智慧景區(qū)，智慧帶貨，智慧餐飲等。不斷建立完善數(shù)字農(nóng)業(yè)體系，為探索鄉(xiāng)村數(shù)字產(chǎn)業(yè)帶來新一輪的蓬勃發(fā)展。

4 5 G+氣象在新型智能城市項(xiàng)目的發(fā)展前景

黨的十九大報告指出，各省市積極響應(yīng)號召，打造獨(dú)一無二的數(shù)字中國理念，不僅為我國在5G通信物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了支撐基礎(chǔ)，還為智慧城市項(xiàng)目的發(fā)展明確了全新的方向。2020年5月，在第十三屆全國人大三次會議的2020年國務(wù)院政府工作報告中提出，重點(diǎn)支持“兩新一重”建設(shè)?！皟尚隆敝傅氖前l(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)、加強(qiáng)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，拓展5G應(yīng)用，建設(shè)智慧城市及其多元化智慧服務(wù)體系。

以5G氣象為例，5G氣象依托5G的超高速率與低延時性的特征和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的特定的信息傳播媒介，建立5G氣象與智慧城市的信息交換和共享的新型智慧化網(wǎng)絡(luò)模式。若將該模式廣泛應(yīng)用于智慧城市的各類系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)同時接入數(shù)以億計(jì)的設(shè)備。還能進(jìn)一步與AI、BIM、GIS、云計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)相融合，將每個智慧城市項(xiàng)目打造出一大批集管理數(shù)據(jù)化、設(shè)備智能化、服務(wù)精準(zhǔn)化的優(yōu)勢項(xiàng)目。

5 結(jié)語

根據(jù)農(nóng)業(yè)數(shù)字化的需求，加快智慧農(nóng)場、智慧漁業(yè)、智慧畜牧等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的創(chuàng)新，促進(jìn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息化、資源管理數(shù)字化，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和效益。智慧農(nóng)業(yè)氣象是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢和競爭焦點(diǎn)，也是中國推動鄉(xiāng)村振興，走向強(qiáng)國的一個發(fā)展機(jī)遇。