浅谈5G技术在农业机械自动化与智能化的应用

刘锦华，刘 蕾，程岐利

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000）

0 引言

党的二十大报告提出：“加快建设农业强国，扎实推动乡村产业、人才、文化、生态、组织振兴。”农业机械化作为农业建设的重要组成部分，在提升我国农业发展水准，推动农村经济繁荣，提高农民生活水平等方面发挥着不可替代的作用[1]。根据近5年国家统计局发布的关于我国农机制造行业总产值和农业机械总动力数值可见（表1），我国农业机械化正处于快速发展的阶段。

表1 农机制造行业总产值和农业机械总动力数值

1 农业机械化与自动化的发展现状

农业机械化旨在提高农业生产效率、降低劳动成本，并实现可持续发展。例如，胡伟等[2]在其研究中指出可以使用GPS和遥感技术进行土壤和作物监测，以优化种植、灌溉和施肥策略，在提升作物产量和质量的同时，减少环境影响，实现精准农业技术；常君瑞等[3]讨论了自动化拖拉机、无人机和采摘机器人等农业机器人，在提高作物管理效率方面的有巨大的潜力；彭艺真等[4]强调了物联网在农业监测和管理中的重要作用，通过安装在农田中的传感器网络收集数据，以监控作物健康和生长条件；甘甜等[5]指出机器学习方法在分析农业数据方面显示出巨大的应用前景，利用大数据和人工智能技术进行农业数据分析，可以帮助农民做出更准确的决策。

农业机械自动化和智能化在农业产业中已经得到广泛的实践及应用，农业机械自动化和智能化正在逐步转变传统农业的面貌，使其更加高效、精准和环保。

然而，农业机械自动化和智能化在现代农业中仍然存在一些问题，如农业机械选择困难、农业机械自动化水平较低、自动化和智能化设备成本较高、后期技术维护与支持等，所以需要采取相关技术进行优化和完善，进一步提升农业机械自动化和智能化的应用水准，从而有效推动现代化农业的建设。

2 5G技术与农业机械化的结合

5G技术是当前世界上最先进的无线通信技术，其主要特点包括高速率、低延迟和大数据连接。5G不仅能提高数据传输速度，而且能实现低延迟的实时通信，这对很多行业有革命性的影响。如在工业制造领域，5G支持更加高效和灵活的生产线，能实现远程监控和控制，大大提高了生产效率和安全性[6]。在医学教育领域，远程医疗、应急救援、智能分析诊断等技术的开展，为临床医学开拓了新视野，极大地提高了医疗服务的可达性和效率[7]。在交通运输行业，5G支持自动驾驶的快速发展，通过海量实时数据交换，提高了道路安全和交通效率[8]。

显然，5G技术的发展和应用，正在推动着各行业数字化和智能化的转型，从而为各行业带来前所未有的创新机遇和挑战，5G不仅仅是通信技术的进步，更是引领社会进入一个更加互联、智能和高效世界的关键驱动力[9]。5G技术作为最新一代的无线通信技术，其高速率、低延迟的特性，不仅为其他行业带来新的机遇和挑战，对解决农业自动化现有挑战也发挥着关键的作用。

2.1 降低自动化和智能化设备成本

农业机械自动化和智能化设备往往成本较高，这对农业机械自动化和智能化的发展构成了巨大的挑战，高成本不仅会降低农民对农业技术的接受度，还会增加对农业技术投资的风险。

5G的高速率和低延迟特性可以提高农业设备的运作效率和精准度，从而减少资源浪费，间接降低运营成本。同时，5G技术支持更加集中地数据处理和决策，会减少设备对高性能硬件的需求，从而降低设备成本。基于5G网络，还可以发展农业设备共享服务，如共享拖拉机、无人机服务等，降低单个农户的成本负担。

2.2 提升农民自动化和智能化机械水平

大部分农民对于新技术的接受能力较低，不利于农业机械自动化和智能化在全国的普及和推广，为了促进技术的接受和应用，必须通过教育或培训提高农民对新技术的认识和理解。

5G网络可以提供在线教育和培训平台，使农民能够随时接触到关于自动化和智能化机械的操作和维护知识。同时，可以开发更加直观易懂的操作系统，利用5G技术提高用户界面的响应速度和可靠性，使得农民更容易上手，并通过5G网络的实时在线技术支持，帮助农民快速解决在操作设备时遇到的问题。

2.3 提高数据处理能力

农业自动化和智能化依赖于大量数据的实时处理和分析，而5G网络能够提供快速、可靠的数据传输，一般5G网络的数据传输速度可以达到1 Gbps（在理想条件下，甚至可以达到20 Gbps），是4G LTE速度的10倍，使得从传感器、无人机等收集的海量数据能够实时上传并快速处理。

结合边缘计算技术[10]，5G网络可以在数据产生地点附近进行数据处理，减少传输延迟，提高数据处理效率。同时，利用5G网络连接的云计算平台，可以进行更加复杂的数据分析和存储，为农业决策提供准确支持，提高农业生产效率和作物产量。

2.4 支持更多设备连接

农业机械自动化和智能化通常需要多台设备协同工作，如传感器（用于监测土壤条件、气候、作物生长等）、自动化机械（如自动驾驶拖拉机、收割机）、无人机以及其他监控和数据处理设备，以形成集成式智能农业系统，实现数据的实时收集、交换和分析，从而提高农业生产效率。

5G低延迟的特性（约1 ms）可以确保设备间的实时通信，对智能设备间的协同工作至关重要，通过实时监控作物的状态，农民可以迅速调整耕作计划，从而提高农业生产的效率和灵活性。同时，5G支持比4G网络更多的设备连接，理论上5G网络可以支持每平方公里上百万个设备的连接，可以为搭建包含大量传感器和机械设备的智能农业系统，提供有利的网络基础。

2.5 增强系统的可靠性和稳定性

农业机械自动化设备普遍需要较稳定网络，尤其是在一些恶劣环境和天气条件下，设备运行的稳定性极大依赖于网络连接的可靠性，因此，保证设备运行网络的稳定性至关重要。

5G网络高可靠和抗干扰的特性，可以确保即使在恶劣天气或复杂地理环境中，农业自动化设备也能够持续收集和传输数据，保持高效运作。此外，可以通过网络切片[10]为关键应用和服务提供专用的网络资源，确保关键数据传输的优先级和可靠性，同时还可以根据不同服务的需求动态分配网络资源，如带宽和延迟，以适应动态变化的网络条件和流量需求。

2.6 支持数据加密和实时监控

农业机械自动化设备在运行过程中会收集大量的农业数据，包括作物生长情况、土壤状况、气候信息等，这些数据通常会包含一些敏感信息，比如产量数据、农场位置等，如果数据处理不当或泄露，可能会影响农民的经济利益和隐私安全，因此，确保数据安全和隐私保护也是农业机械自动化发展的一个重要举措。

首先，5G网络能提供高级加密标准，确保数据在传输过程中的安全性，有效防止数据被未授权访问或篡改。其次，通过边缘计算处理数据，数据在本地处理而不是在远程服务器，减少数据在网络中的传输，从而降低数据泄露的风险。同时，可以实施严格的访问控制和身份验证机制，确保只有授权用户可以访问和操作数据，从而防止未授权访问和数据滥用。

总体来看，5G技术不仅可以提高农业生产效率和质量，还能促进农业向现代化、智能化和可持续发展化转型，这对于满足日益增长的粮食需求、提高我国农业竞争力等方面具有重要意义。

3 5G在农业机械自动化中的应用案例

5G技术作为推动农业自动化和智能化的关键动力，它不仅带来了更快的数据传输速度和更低的网络延迟，还为农业机械自动化操作提供前所未有的可能性，5G技术正在农业领域展现出巨大的潜力。

3.1 5G技术的智能灌溉系统

“5G+”智能灌溉系统是在5G网络环境下利用传感器、控制系统、数据分析和自动化技术，进行农田灌溉的智能管理系统。

系统可以通过传感器实时监测土壤湿度、温度以及气候条件等数据，并且根据获取的数据，结合作物需求以及天气预报数据，自动制定灌溉计划，实现灌溉的自动化和精准化，在优化水资源提高灌溉效率的同时，降低人工成本和水资源浪费。

“5G+”智能灌溉系统不仅能提高水资源使用效率和农业生产效率，同时还能降低劳动力成本，帮助改善作物生长条件，提升产量和质量，实现可持续的农业发展。

3.2 5G技术的无人机监测和喷洒

“5G+”无人机监测和喷洒系统是结合5G网络高速传输、低延迟特性，利用无人机、传感器等技术实现智能监测的管理系统。

系统可以通过无人机实时监测农田各类数据，如作物健康状况、识别病虫害，并且根据收集到的数据精准地进行农药或肥料的喷洒。相对于传统无人机监测和喷洒系统，“5G+”无人机监测和喷洒系统能够实时发送高清图像或视频回传，提高农田监测精准度，借助5G的低延迟和高可靠性，无人机可以实现更精准的定位和导航，确保喷洒的准确性，同时无人机可以实现更智能的自动化操作，提高农药和肥料喷洒的效率，实现农业的高效管理和可持续发展。

基于5G网络快速响应的特性，无人机能够根据动态变化的农业环境和作物状态，及时调整喷洒方案，提升应对复杂农业场景的能力，同时可以利用云计算进行深度学习，进一步优化农业生产流程，确保资源合理利用。

3.3 5G技术的自动驾驶拖拉机

5G技术的自动驾驶拖拉机是结合5G网络实现更高效和精准的农业作业，自动驾驶拖拉机可通过5G网络接收实时数据，如GPS定位信息、农田场景和作物生长情况，从而进行精确耕作、播种、施肥或收割[11]。

5G网络低延迟的特性可以满足拖拉机即时响应和高精度控制的需求，并且自动驾驶拖拉机能够连续作业，减少因人为操作不当造成的时间和资源浪费，大大提高农田作业的安全性和效率，减少对农业劳动力的依赖，同时农民可以通过管理平台远程监控和控制设备，实现智能化农场管理，提高农场管理灵活性和便捷性。

4 结语

5G技术对农业机械自动化和智能化的推动具有重要的意义，它不仅能够提高农业设备之间的通信效率，还能实现更加精准的机械控制，提高农业作业的精确度，优化资源使用，同时降低人工成本。随着5G技术不断成熟和应用范围的扩大，5G技术将在智能农业领域开辟更多创新的应用，助力现代农业实现高效、可持续的发展。

同时，5G技术对农业机械自动化和智能化未来的研究方向提供了新的探索路径，如5G网络与农业机械的深度集成，如何通过5G网络实现更高效的数据收集、处理和决策制定；5G结合人工智能、物联网等技术，如何促进新型智能农业系统的开发；5G在农业机械自动化中的成本效益，如何更易于被广大农业生产者接受和应用，通过这些研究方向，5G技术将有望在未来更好地服务于农业机械自动化和智能化。