基于5G通信网络应用的科技支农智能平台设计

王 睿，刘红军，廖荣洋

(宿州学院商学院，安徽 宿州234000)

一、需求分析

当前全球经济处于高速发展阶段，解决人口、资源、环境、粮食和能源等问题成为关注焦点，利用科技实现成果转化是推进新农业革命、打破传统农业经济产业结构单一现状，实现传统农业向现代农业跨越的必然选择。农业是国民经济的基础产业，也是关系百姓生计的民生产业，我国是十几亿人口的大国，吃饭和建设始终是做好经济工作的重要准则。近十年来，我国粮食消费大增，今后工业化城市化快速发展时期，农产品需求将持续扩大，保障农产品供给面临巨大挑战。工业化城市化建设中，若农业发展跟不上，人们日常生活受影响，社会就难以安定，现代化建设就会受到影响。

农业是关系农民生计的最大产业，通过建设现代农业，发展农业集约经营，开发农业多种功能，延伸农业产业链条，可为农业增收提供广阔空间。在我国农业发展的现阶段中，农民老龄化问题严重，大量劳动力外出务工，农村空心化现象突出，分散的土地农作产出低，规模化农业经营与土地出租承包日渐成为必然趋势。我国农业面临的国际竞争日趋激烈，因而发展覆盖全程的农业产业生产经营服务，将干不了、干不好、干起来不合算的环节交给其他服务组织去干，通过社会化、专业化服务解决农户生产经营的专业化、标准化、规模化、集约化迫在眉睫。

第三次信息技术革命的兴起，使得物联网成为高科技领域国际竞争的热点，网络信息技术的提升为科技研发和经济发展带来了良好的机遇。为了改变劳动成本高、时间和空间受约束、资源利用率有限等现状，传统农业正在通过生物技术等先进的生产模式不断创新和改变，互联网以无穷的信息技术和智能技术，开启了物联网发展现代休闲农业的新时代。科技生产的支撑作用日益加强，农物设备的水平一直在稳步提高，新管理系统也正日益改善。

2019年，中央1号文件指出，要加快突破农业关键核心技术，培育一批农业战略科技创新力量，其中就包括物联网农业。中国农业正处于传统手工农业向现代休闲农业迈进的转型之期，物联网智能支农将在现代农业领域发挥独特而重要的作用。充分利用智能信息管理技术发展现代休闲农业也已经成为发达国家农业生产发展的热点之一。5G时代的到来还提供了一个新的发展机遇和动力，即“农业物联网”到“物联网农业”的转变。

而结合了5G、物联网、VR技术，并借助“大带宽、低时延、广连接”的优势，通过虚拟现实技术和物联网技术在数字领域操控真实世界中的物体，就能够实现随时随地远程操作的效果。通过建立气象监测和预警系统，可以进行精细管理和调控作物，务农人员甚至绿化工人可以及时、快速获取场地气象数据和土壤信息字段等。

高新技术在农业领域的应用改善了传统手工劳作农业的弱点，比如变异大、稳定性差和可控制程度低等，真正把“土地可以种植在手机上”变成可能，实现了“经营管理是制胜千里的必由之路”的管理调控理念。

需求主体主要包括政府部门、新型农业经营主体、农业示范园区等。具体需求分析如下：

1.政府部门，各级地方政府涉农部门，是农业物联网技术、产品、服务的重要购买者。受思想意识、技术应用等因素限制，普通经营者对农业物联网的应用需求并不迫切，主要还是依靠国家政府部门主导推动农业物联网的应用。且本项目可有效地为城市乡镇的绿化做贡献，政府将会成为我们发展的一大需求主体。

2.新型农业经营主体，主要包括专业大户、家庭农场、农民合作社、龙头企业和农业社会化服务组织，是农业物联网产业真正的市场化需求主体，当产业发展到一定阶段后，该主体的需求将影响农业物联网产业未来的发展走势。新型农业经营主体具有的先进的技术、充足的资金和现代化经营管理理念，是其区别于传统农业经营主体的主要特征。

3.现代农业示范园区作为最新的农业技术应用与推广载体，是现代信息技术在农业中率先开展应用示范的重要基地。园区农业生产经营专业化、标准化、规模化程度高，是现代农业发展的典型和样板。

二、项目介绍

本项目是一个基于5G通信网络应用的科技支农的智能支农平台，应用物联网(IoT)技术与虚拟现实(VR)技术，利用大量的传感器节点组成监控网络，通过各种传感器采集信息，并将信息反馈给农业经营者，农业经营者通过VR设备和传感器采集的信息，及时观察和掌握农业生产基地的基本情况，准确地确定发生问题的位置，并通过物联网技术对农业生产基地的农作物进行全流程的管理控制和生产操作。

操作平台是利用传感器节点组成监控网络，从外部环境获取数据到移动终端反馈数据，并利用VR技术传递虚拟现实图像，在第三方平台进行线上三维立体远程监管与实时操控，实现无人作业，节省人力资源与成本。

利用温度传感器、湿度传感器、VR摄像机、VR图像输出平台、语音处理机等设备与平台客户端连接，采集的数据通过5G网络传至平台客户端，管理者通过客户端实时掌握农场数据进行操作。平台客户端包括手机App和5VW平台操作系统2类。客户端主要功能模块包括设备控制、VR实时查看、农场数据等。农场管理者通过客户端获取农场土地的详尽信息，比如土壤养分、肥料、硬度以及作物草虫等，再通过设备控制界面与VR实时查看进行农场湿度控制、除虫、大棚温度控制等远程监管与实时操控。

三、系统平台建设

(一)系统设计原则

1.先进性原则：采用先进的设计思想，选用先进的硬件和软件，保证今后项目的整体技术领先。

2.开放性原则：方案的设计和选择符合国际和行业标准，使项目具有较高的开放性和对所供设备的技术兼容性。

3.可扩展性原则：在充分考虑现状的同时，项目设计必须考虑未来较长时间内业务发展的需要，具有全面升级和扩展的可能性。

4.可靠性原则：项目设计必须贯彻可靠性原则，使系统具有高可用性。

5.经济适用性原则：指在必要的可扩展性原则下，使用具有适当功能的软硬件产品。

(二)科技支农智能平台功能需求分析

1.前台功能需求分析

(1)注册/登录/退出：一是满足新用户的注册，在用户注册的同时，系统可以收集用户资料，为后期在后台管理提供便利；二是平台用户的登录或退出登录，以及可以为丢失密码的用户找到原来的密码。

(2)首页：是用户使用该软件经常看到的界面，在首页添加核心功能模块，有利于消费操作，提升用户体验，设计应以简约、方便为主。

(3)设备控制模块：是用户用来控制农场设备的接口，通过进入设备管理与控制界面，完成对农场设备的控制，控制模块包括添加、启动、调整参数、关闭等功能组。

(4)VR实时查看模块：基于5G宽带，通过VR相机对农场进行实时拍摄，将视频通过服务器传输至用户手机。用户通过VR视频+VR眼镜，实时查看农场的情况，足不出户就可以作出最佳的控制设备请求。

2.后台功能需求分析

(1)用户管理：用户管理主要是对网站管理员而言，网站管理员有对已经在网站注册的会员进行管理的权限，其主要权限包括：新注册用户信息的审核、已经注册的用户信息的管理与维护。

(2)设备管理：支持设备添加、功能定义、数据解析、在线调试、远程配置、固件升级、远程维护、实时监控、分组管理、设备删除等功能。

(3)信息管理：提供设备上下线变更通知服务，方便实时获取设备状态。提供数据存储能力，方便用户海量设备数据的存储及实时访问。支持OTA升级，赋能设备远程升级。提供设备影子缓存机制，将设备与应用解耦，解决不稳定5G网络下的通信不可靠痛点。

四、平台架构设计

智能平台的设计核心主要包括三个主要方面：5G核心网、物联网节点、VR成像，在三方面技术的结合下完成平台的功能实现，主要架构分为四层：感知层、链路层、网络层和应用层，如图1所示。

图1 平台架构图

该模型主要分为四层：感知层、链路层、网络层和应用层。

1.感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括喷灌设备、风机设备、灯光设备、光照传感器、温度传感器、CO2传感器等感知终端。

2.链路层主要负责物联网链路数据传输，VR成像系统的数据传输任务，包括图像数据的编码解码、传输等。

围绕提高城乡供水保障能力，现代水网体系框架基本建成。构建现代水网工程体系步伐加快，南水北调山东段干线工程试通水成功，胶东调水主体工程具备试通水条件，基本形成辐射全省的“T”形水网骨干框架。推进雨洪资源利用，组织编制了雨洪资源利用规划纲要并启动实施一期工程。

3.网络层以5G核心网为主，由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成。

4.应用层是智能平台和用户(包括人、组织和其他系统)的接口，它与业务需求结合，实现物联网、VR的智能应用。

五、控制平台的实现

(一)控制平台的开发环境与相关技术

操作系统：CentOS 7.3。

Web服务器：WordPeress。

数据库：MySQL+Navicat。

开发工具以及相关技术：Android Studio、Eclipse、IoT Studio。

1.CentOS 7.3

CentOS是一个基于Red Hat Linux提供的可自由使用源代码的企业级Linux发行版本，同时CentOS完全免费，不存在RED HAT AS4需要序列号的问题。

WordPress是最流行的、最强大的博客和内容管理网站的工具平台，借助第三方开发的模板、插件，用户可实现多样化的个性化功能。该镜像基于CentOS 7.3 64位操作系统。

3.MySQL+Navicat

MySQL性能卓越、服务稳定，加上界面优美的Navicat，使数据库管理更加方便。

4.ASP开发工具以及相关技术

使用Android Studio工具对安卓源码进行编译，便于对软件的维护与更新，利用IoT Studio(基于阿里云的物联网控制平台)实现物联网对设备的控制。

(二)部分功能实现

1.为设备定义物模型

物模型是对设备在云端的功能描述，包括设备的属性、服务和事件。物联网平台通过定义一种物的描述语言来描述物模型，称之为TSL(即thing specification language)。采用JSON格式。

2.建立设备与平台的连接

阿里云IoT Studio平台提供设备端SDK，设备使用SDK与平台建立通信。在这一步里，我们使用平台提供的样例程序linkkit-example-solo模拟设备进行开发，实现设备与物联网平台的通信。

登录Linux虚拟机。

获取Link Kit SDK。

使用unzip命令解压压缩包。

设备身份信息将通过HAL调用返回给SDK。因此，需要将wrappers/os/ubuntu/HAL_OS_linux.c中的设备证书信息修改为创建产品与设备步骤中创建的设备证书，并完成保存。

填入ProductKey、DeviceName和DeviceSecret。设备使用该证书进行身份认证并连接物联网平台。

3.服务端订阅设备消息

设备连接物联网平台后，数据直接上报至物联网平台。平台上的数据可以通过AMQP通道流转至用户的服务器。这一步中，平台将配置AMQP服务端订阅功能。服务器可以通过接入AMQP SDK，接收设备数据。

六、创新性分析

农业是传统行业，竞争压力较大，但VR视野下的智能农业线上监管模式的现代化生态农业目前还没有在全国范围内完全开始实行，竞争压力并不是很大。在5G大数据时代下利用物联网技术借助互联网平台发展现代化休闲农业必然是一次新的尝试，该项目针对当前人们生活方面的某些不足以及站在考虑人力资源与成本的角度，对物联网技术与VR技术进行广泛运用，通过在一、二、三产业相互融合中拓宽自己的服务领域，提升自己在未来市场上的竞争力。通过大数据的分析对比合理管控农业的各个环节，来达到整体优化的目标，推出智能农业线上操作即智能化农业设备+互联网+休闲生态农业服务，以此管控农业生产的各个环节，实现整体最优目标。

在技术方面我们项目的优点在于加入了物联网技术和VR技术，既是将新技术融入农业的创举，也是想尽早进入行业积累丰富的行业经验和良好的市场基础，以确立该领域的领先优势。以物联网、传统电信网为载体，通过信息的传送、加工、处理和共享，建立农业信息的动态管理体系，再通过VR技术利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身临其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。

七、结束语

综上所述，推动农业生产现代化建设将是当今农业及社会发展的重要方向，实现智能农业线上操作即智能化农业设备+互联网+休闲生态农业服务，能够有效帮助务农工作者对农业生产基地的农作物进行全流程的监管与生产，并在智能平台上开展经济活动增加收益。

为了实现这一目标，我们将在巩固小型农场试点的基础上，对平台进行推广并加强设备维护。未来利用5G通信网络、物联网技术和VR技术，对平台进行优化升级并且发展其他相关技术行业，使农业生产基地的生产更加个性化、专业化与人性化，为我国的智能农业未来发展做出贡献。