5G技术在农业气象中的应用与发展探究

王玉祥，庞茗文，周子游，龙溢霏，罗晶晶

1.南京信息工程大学 计算机与软件学院，江苏 南京 210000；2.数字取证教育部工程研究中心，江苏 南京 210000；3.合浦县气象局广西壮族自治区 北海 536000；4.南京信息工程大学 滨江学院物联网工程学院，江苏 无锡 214000；5.南宁市气象局，广西壮族自治区 南宁 530000）

随着5G技术的飞速发展，其对人们的生活方式产生了极大的改变。5G技术与物联网、大数据、云技术相结合的技术平台可以应用在农业、渔业、气象等多个方面，实现智慧互联。一体化智慧农业气象平台将互联网技术合理地应用到农业气象中，降低劳动力成本，促使整个产业得到更加稳定快速的发展。

1 基本概述

1.1 5G通信技术

5G通信技术又称第五代通信技术，目前世界各国加快对5G设备的部署，至2020年全面实现对5G通信网络的商业化应用。5G通信技术具备以下特点：一是传输速度块，5G通信技术的运行时峰值是4G的10倍，极大地提升了信息的传送速度；二是高容量，高兼容；三是接入稳定；四是延时性低、可靠性好。5G通信技术具有更高的网络可靠性，极大地提升了数据安全性和可靠性；五是低功耗[1]。5G通信网络的出现，使物联网的应用进一步深入，两者间的深度融合也将促使物联网的发展变得更加快速。

1.2 物联网技术

物联网技术指通过各种类型的传感器件，并借助特定的信息传播媒介，实现物物相连、达到信息交换和共享的新型智慧化网络模式。物联网技术可实现物体与物体连接，同时对物体行为建立有效监控，实现相关数据的收集和传输，并通过信息化技术与互联网技术对收集到的数据按照规律进行整合和存储，以便对相关数据进行深度分析，得到所需要的关键信息[1]。物联网的应用领域覆盖了工业、农业、交通、物流、安保等，能够更加高效、合理地使用及分配相关资源，对相关产业的转型发展起到助推的作用。

2 5 G农业气象控制系统模型组成结构

当前依托5G通信技术与物联网技术相结而成的智慧农业气象控制服务系统，通常利用窄带物联网技术、大数据、云计算技术等，构建数字化物联网传输控制台，以建立5G农业气象控制系统。本系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分见图1，主要包括供电设备、边缘设备、前端设备和监控设备4个部分[2]。供电设备采用的是太阳能电池板发电，以达到节能减排和控制维护成本的作用。在用电方面，蓄电池通过稳压器输出的电流能够实现在极低功耗下的设备运行环境，并保证硬件设备在整个系统中的正常工作。边缘设备包含4个部分，用于定义在信息系统网络边缘处的网关设备，分别是物联网传输控制台部分、本地数据存储部分、感知部分、微型电脑[3]。

图1 系统模型结构Fig.1 The system Model Structure

微型电脑是系统硬件的核心，负责完成控制各种信息传感器，将所有采集得到的数据进行处理得出有效信息。微型电脑采用esp32，当系统处于通电状态下并收到启动指令后，微型电脑会发送指令先自检设备，以保证整个系统的安全启动。当系统完成安全启动工作后，微型电脑发送开始工作的指令到前端采集设备，前端设备将按照预先设置好的底层逻辑与模块，分别完成气象信息的采集工作。完成数据的采集后，交由本地数据存储部分完成对数据的存储、判断去噪等，将最后筛选出的有效信息以JSON的形式传输到物联网平台控制台上。物联网平台后端数据管理员可选择手动添加或自动添加的形式将数据发布至物联网平台上。

3 5 G技术在农业气象中的应用

3.1 智慧农业

国内粮食种植正向科技化、机械化、智能化等方向发展，智慧农业由此孕育而生。传统农业过于依赖自然条件以及使用人力劳作，天气、环境等的变化都会影响作物的生长，不可控因素多，此外，人力劳作的工作效率不高，有许多弊端。农作物生长变化需要人工实时观察记录，但仅仅依靠人工巡查的效率太低，所以人们将5G技术与农业进行了关联。通过5G网络技术的应用，可以实时监测农作物的生长趋势。5G无人机将农田的图像导入服务端，系统自动识别农作物是否缺少某些元素、是否需要浇水施肥和虫害的防治等，对农作物生长的需求进行精准测算，从而提高农作物的产量和质量，减少肥料和除草剂的浪费。

瑞士的一个智能农场，为了提高农田除草的效率，采用了5G锄地机，在锄头上装有5G高清摄像镜头，可以快速扫描农作物后通过云端自动识别其类型，从而精准避开农作物实现除杂草及有害作物的目的，有效减少了农作物的损失以及环境污染等。事实上，5G网络技术在智慧农业上还有广阔的发展潜力，将万物互联和大数据应用于现代化农业，将在更大程度上摆脱自然条件的约束。5G时代的到来，将会对传统农业带来深刻的影响，极大地提高农业生产管理的信息化水平。

3.2 智慧渔业

微型电脑系统基于物联网理念（5G发展理念），并结合“多端显示”思想，高清红外摄像头1、2作为前端，实施24 h不间断监控环境及时更新，通过无线通信将数据传回雾计算中心，和基于5G网络和部署在养殖场的水温传感器、游氧传感器、pH值传感器、水位传感器等物联网设备，通过串口通信，一起将数据传输到雾计算中心，再由云服务中心处理完毕后可以传输到用户终端，如手机、电脑、平板等。员工可以根据系统反馈的数据及时做出相应调整。每个养殖场的环境指标都是不相同的，不同传感器间共同作用，可以全天候不间断监控温度、湿度、pH值、光照强度等各类环境数据。如今，5G时代的到来，为智慧渔业的发展呈现更大的平台。人们可以利用5G技术，打造全新的智慧渔业模式，设置警戒红线，智能提醒，当降雨导致养殖场水位线上升到警戒线时可以通过中心智能提醒员工，利用手机操控进行排水等措施，不再有地区限制，不再需要员工驻守在养殖场做记录，而且5G网络将会更高清、更高速、更精准地操控鱼类的养殖过程，减少了人力资源的浪费和养殖的成本。智慧渔业系统见图2。

图2 智慧渔业系统Fig.2 The intelligent fishery system

3.3 智慧林业

智慧林业同样是利用5G农业气象控制系统的模型，主要有前端设备（感知接入层）、边缘设备（云计算层）、监控设备（智慧决策层）3部分组成。第一，前端设备（感知接入层）主要包括各类信息传感器、无人飞机、卫星、RFID等设备以及可被支持的各类智能化设备。利用5G通信技术对整个林区进行巡检、分析、监测并整合森林各类资源信息，例如：森林面积、野生动植物种类及数量、森林病虫害、森碳储量、森林防火检测等。若与地理信息系统（GIS）、虚拟现实等先进技术融合，可以在一定程度上对森林资源实现信息数据可视化，为智慧决策层提供强大的支持。第二，边缘设备（云计算层）在整个系统模型中起着核心作用。第三，监控设备（智慧决策层）是利用云计算层提供的感知接入层的数据或模拟现实的信息化的整合资料，通过一系列的模型处理分析，从而实现快精准的智慧决策。

3.4 智慧畜牧

目前，我国畜牧行业主要包括牧区畜牧业和农业区畜牧业2种类型，其养殖方式分别以放养、圈养为主。牧区畜牧业的放养方式存在着管理困难、人工投入大、安全问题等缺点，而农业区畜牧业主要以家禽、猪牛养殖为主，主要存在动物防疫问题。5G技术的智慧畜牧系统见图3，该系统可实现大型牧场中的数据采集、控制、分析、处理、存储、可视化、生长全程溯源、科学调控等业务功能，可以帮助牧民和养殖企业实现对畜牧业的科学监管。智慧畜牧的关键是采集和控制对牧养过程中的各类数据，因此主要开发例如动物健康监测、动物定位、动物成长全程溯源等功能。

图3 智慧畜牧系统Fig.3 The intelligent livestock system

3.5 智慧能源

由气象要素直接产生的能叫做气象能源，如风能、太阳能，它拥有着其他类型能源所不具备的优点。首先，是一种清洁污染的能源；其次，是一种巨大的永久性的能源。在当今资源紧缺的时代利用好气象能源已经是新一轮能源革命工作的重中之重。

智慧能源与传统能源的区别在于“能量”和“网络”联系在一起，利用物联网技术的特性，将能源通过信息传感设备与网络进行连接实现对其进行收集分析预测和控制等功能。由于气象能源虽然取之不尽用之不竭，但在利用方面却受到较多限制，若想达到保障地区发展所需能源的目的，必须在不同地区采用不同能源组合的方式进行智能化控制采集。

从能源收集方面入手，实现智慧能源的核心要点是：①对该地区气象能源的整体体系实现实时监测；②气象能源与常规能源需有计划地综合利用；③经济化的能源装置。

从智能技术入手，“互联网+气象能源”的核心技术是：①监测精度高、延时性低；②覆盖范围广、传输速率高；③大容量的数据存储；④设备低功耗、数据安全和高可靠性。

根据能源收集的核心要点与核心技术智慧能源供给流程图见图4。在图4智慧能源供给流程中能够实时监测前端设备采集到的能源信息，并将信息传送回能源信息平台。根据资源信息可对能源利用结构一目了然，挖掘能源潜力、合理分配资源等。

图4 智慧能源供给流程图Fig.4 The flow chart of smart energy supply

3.6 数字乡村

构建数字乡村应严格遵守操作简单、全面开放、实用性强、数据准确的构造思想，从三个“一”中来构建。

第一，一套云操作系统。基于安卓/IOS的一个智能系统，可实现第三方数据接入，大致分为五大模块：物联模块、数据模块、应用模块、权限模块及系统控制模块。重点功能在于可实现任何环境、AI监控及支持上千种IoT传感设备的接入及对应数据的管理。

第二，一系列智慧农业应用。主要包含2种服务功能，监测服务，智慧生产辅助服务。

第三，一个智慧商业平台。应结合当地乡村特色产业，主要涵盖智慧景区，智慧带货，智慧餐饮等。不断建立完善数字农业体系，为探索乡村数字产业带来新一轮的蓬勃发展。

4 5 G+气象在新型智能城市项目的发展前景

党的十九大报告指出，各省市积极响应号召，打造独一无二的数字中国理念，不仅为我国在5G通信物联网领域的发展奠定了支撑基础，还为智慧城市项目的发展明确了全新的方向。2020年5月，在第十三届全国人大三次会议的2020年国务院政府工作报告中提出，重点支持“两新一重”建设。“两新”指的是发展新一代信息网络、加强新型城镇化建设，拓展5G应用，建设智慧城市及其多元化智慧服务体系。

以5G气象为例，5G气象依托5G的超高速率与低延时性的特征和物联网技术提供的特定的信息传播媒介，建立5G气象与智慧城市的信息交换和共享的新型智慧化网络模式。若将该模式广泛应用于智慧城市的各类系统中，可实现同时接入数以亿计的设备。还能进一步与AI、BIM、GIS、云计算技术和大数据技术相融合，将每个智慧城市项目打造出一大批集管理数据化、设备智能化、服务精准化的优势项目。

5 结语

根据农业数字化的需求，加快智慧农场、智慧渔业、智慧畜牧等技术在农业生产环节中的创新，促进农业数据信息化、资源管理数字化，提升农业生产的效率和效益。智慧农业气象是未来农业发展的趋势和竞争焦点，也是中国推动乡村振兴，走向强国的一个发展机遇。