5G+AI賦能智慧農(nóng)業(yè)應用研究

朱婷婷

（廣東白云學院，廣東 廣州 510450）

1 發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的意義

1.1 國家發(fā)展戰(zhàn)略的需求

在“十四五”時期，《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展行動計劃（2022-2025年）》中明確提出發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，將新一代信息技術與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務加速融合，發(fā)展數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式。利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G、人工智能等技術，建立數(shù)據(jù)智能化采集、處理、應用、服務、共享體系。因此發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)是數(shù)字鄉(xiāng)村建設的重要內(nèi)容，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)國際競爭新優(yōu)勢的迫切需要，代表著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向和新趨勢，對我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設和實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重大引領和推動作用。

1.2 社會發(fā)展的必然選擇

一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者農(nóng)藥、化肥的濫用，導致地下水資源、土壤受到污染，進而導致生態(tài)環(huán)境惡化，引發(fā)了食品安全問題。另一方面，在農(nóng)村從事農(nóng)業(yè)勞動的主要是老齡人，勞動力不足，且對于新技術、新知識的接受能力較為不足，不能快速地使用新技術及新產(chǎn)品，因而勞動力成本隨之上升。因此，只有將現(xiàn)代信息技術深度地融合到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各方面工作中，中國農(nóng)業(yè)才能從根本上進行提高。

1.3 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化、綠色化、系統(tǒng)化發(fā)展

《“十四五”全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中提出加快農(nóng)業(yè)全面綠色轉(zhuǎn)型，持續(xù)改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，推進化肥、農(nóng)藥減量增效。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)對化肥、農(nóng)藥的投入過多，造成了環(huán)境污染、土壤肥力過剩等各種不良的問題，數(shù)字化、綠色化、系統(tǒng)化地發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)[3]，可實現(xiàn)通過現(xiàn)代信息技術對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象進行系統(tǒng)化的管理工作，采集農(nóng)作物生長過程中各個階段的數(shù)據(jù)，有助于農(nóng)作物高效生長，合理利用農(nóng)藥、化肥資源，可最大限度減少資源消耗，保持生態(tài)綠色化發(fā)展。

2 智慧農(nóng)業(yè)的整體框架

智慧農(nóng)業(yè)是指將大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等現(xiàn)代信息技術與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)深度融合的數(shù)字化農(nóng)業(yè)[1]，可為農(nóng)戶、企業(yè)等提供智能決策分析服務，進而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行控制，提高農(nóng)業(yè)資源的利用效率，降低農(nóng)業(yè)成本和消耗，減少對環(huán)境的破壞，形成基于信息化、智能化的農(nóng)業(yè)管理服務，使得農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)得更加高效、更加智慧。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)信息采集層、5G傳輸技術、平臺層與應用層，如圖1所示。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)整體框架

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層包括智能傳感設備、智能視頻監(jiān)控設備和可穿戴設備。前端智能傳感器設備如無人機、土壤傳感器、光照傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等，主要負責采集農(nóng)作物生長的環(huán)境數(shù)據(jù)；智能視頻監(jiān)控設備如普通攝像機、紅外攝像機、雷達等，主要負責抓拍果實成熟度、病蟲害程度等作物長勢、畜禽的活動軌跡等?？纱┐髟O備主要負責采集畜禽的健康狀況、發(fā)情期探測和預測、喂養(yǎng)狀況等。將收集的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡傳輸，可以把數(shù)據(jù)快速、準確地傳送到數(shù)據(jù)中心或者平臺層，進行分析后反饋給農(nóng)業(yè)管理者或者自動裝備，以便管理者查看或者做出相應的對策。

2.2 5G傳輸技術

5G具有超高的速率和超低的時延特性，能夠重點解決無線網(wǎng)絡和無線傳輸?shù)母鞣N問題，從而提高數(shù)據(jù)傳輸分析的速度與精準度，為智慧農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)提速升級提供基礎，為維持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、推動智能化時代前進提供動力。

2.3 平臺層

平臺層包括智能分析、智能控制、智能報警和綜合報表分析等模塊。前端智能傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡傳輸至平臺層，平臺層對采集到的數(shù)據(jù)進行基于深度學習的智能算法分析，并傳至智能控制和智能報警系統(tǒng)，得出分析結(jié)果和方案[2]。實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)資源合理的利用率，減少了污染，保護了生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了綠色發(fā)展。

2.4 應用層

應用層包括智能執(zhí)行設備和終端設備。平臺層得出的結(jié)果和方案通過5G網(wǎng)絡傳輸至終端智能執(zhí)行設備，進而做出智能化的決策[2]。例如，根據(jù)采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)進行智能灌溉；根據(jù)采集到的空氣溫度數(shù)據(jù)開閉卷簾等。平臺層一方面會將前端無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡實時傳輸至PC/移動終端，以供用實時査看；另一方面會根據(jù)智能分析的結(jié)果生成數(shù)據(jù)曲線圖，以便農(nóng)業(yè)管理者做出智能化決策。

3 5G技術對智慧農(nóng)業(yè)的影響

3.1 5G技術使智慧農(nóng)業(yè)更加智能

隨著5G通信技術的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程越來越智能化。例如，智能種植，智能農(nóng)場，智能水產(chǎn)等[3]，主要是通過傳感器采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，然后借助高寬帶、低功耗、低時延、廣接入的5G網(wǎng)絡將收集到的數(shù)據(jù)快速、準確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，進行智能分析后反饋給各臺機器，達到精耕細作、準確施肥、噴灑農(nóng)藥、合理灌溉的目的。

3.2 5G技術使智慧農(nóng)業(yè)更加高效

5G時代，智慧農(nóng)業(yè)最大的優(yōu)點就是實現(xiàn)智能化，以智能機械代替人工。運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G技術相結(jié)合的方式對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境溫度、溫度、光照強度、土壤墑情等參數(shù)進行實時監(jiān)控，平臺通過分析處理傳感器數(shù)據(jù)等信息，實現(xiàn)自動化施肥灌溉，實現(xiàn)高效地管理農(nóng)作物及其健康有機生長。

3.3 5G技術使智慧農(nóng)業(yè)更加精準

利用傳感器采集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的降雨、日照等氣象信息，結(jié)合采集的土壤的酸堿度、濕度等信息，以及農(nóng)業(yè)生長中需要滿足的其他信息，利用現(xiàn)代信息技術對收集的各種信息進行綜合智能分析、處理，從而決定土壤在不同的季節(jié)適合播種的農(nóng)作物種類、方式等；在農(nóng)作物生產(chǎn)過程中實時監(jiān)管農(nóng)作物的養(yǎng)分信息、病蟲害情況等，并和一些先進設施相結(jié)合，通過將采集的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層進行處理，然后將分析整理的結(jié)果以命令的形式反饋給各臺機器，從而迅速執(zhí)行相關操作[4]。

3.4 5G技術使智慧農(nóng)業(yè)更加公開

5G技術使智慧農(nóng)業(yè)更加公開、透明，其主要體現(xiàn)在食品安全溯源方面，從農(nóng)產(chǎn)品整個供應鏈出發(fā)，利用二維碼技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡信息技術進行農(nóng)產(chǎn)品信息系統(tǒng)的構建和開發(fā)，實現(xiàn)了各種農(nóng)產(chǎn)品在整個供應鏈上從播種、施肥、收割、加工到銷售的全程無縫跟蹤和科學溯源，有效地加強了對各種農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的監(jiān)督管理，保證消費者對農(nóng)產(chǎn)品的最終知情權[4]。

4 AI技術對智慧農(nóng)業(yè)的影響

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方法會造成水資源浪費，化肥、農(nóng)藥使用過度等問題，不僅成本高、效益低，產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效保障，還會造成土壤和環(huán)境污染。在人工智能技術的加持下，農(nóng)民將能夠?qū)崿F(xiàn)精準播種、合理水肥灌溉，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)低耗高效、農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

4.1 提供科學指導

運用人工智能技術進行分析和評估，提供科學指導。例如，在農(nóng)作物育種方面，人工智能技術有助于選擇更好的基因，提高作物育種的效率和精準度。在農(nóng)作物種植方面，可實現(xiàn)土壤成分及肥力分析、灌溉用水供求分析等功能，對土壤、水源等生產(chǎn)要素進行科學合理配置。在農(nóng)作物病蟲害診斷防護方面，傳統(tǒng)的利用人力定期對病蟲害進行診斷，投入人力成本較高，目前主要利用人工智能技術對水稻、小麥等農(nóng)作物進行實時病蟲害診斷，減少病蟲害帶來的損失并且減少人力成本?？傊萌斯ぶ悄芗夹g對農(nóng)作物工作生產(chǎn)進行科學指導，有力保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的順利開展。

4.2 提高生產(chǎn)效率

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段使用人工智能技術，能幫助農(nóng)民更科學地種植農(nóng)作物以及對農(nóng)田進行更科學的管理，有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向機械化、自動化、智能化轉(zhuǎn)型，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程。

4.3 實現(xiàn)智能采摘分揀

將機器視覺識別技術運用到農(nóng)產(chǎn)品采摘機械臂上，可對農(nóng)產(chǎn)品的成熟度進行判斷，實現(xiàn)自動采摘。采摘后通過人工智能技術進行自動識別、分類、分級，其識別率、分級率遠高于人類視覺，具有速度快、準確率高等特點，可高效高質(zhì)地完成農(nóng)產(chǎn)品的采摘與分揀工作。

5 5G、AI技術在智慧農(nóng)業(yè)中的應用

5.1 智能種植

智慧種植技術在物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能技術的協(xié)助下，采用各種傳感器，遠程實時采集土壤濕度、酸堿度、日照、氣候、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，檢測土壤健康程度，判斷最佳的宜栽作物、種植時間和施肥量，實現(xiàn)旱情實時自動檢測、預報、智能灌溉等功能，并且將數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡及時反饋給相關管理人員，做好數(shù)據(jù)的分析、儲存、共享，最終達到精耕細作、準確施肥、合理灌溉的目的，從而提高經(jīng)濟效益。

5.2 智能病蟲害診斷

病蟲害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可避免的自然災害，每年造成巨大的經(jīng)濟損失。以往的病蟲害預防方法常采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗分析，即嚴重浪費農(nóng)藥，也無法保證最佳預防病蟲害的發(fā)生[5]。智能病蟲害診斷利用傳感器監(jiān)測、雷達監(jiān)測、圖像識別、智能分析等技術，對采集到的數(shù)據(jù)或圖像進行分析、挖掘，實現(xiàn)實時農(nóng)作物病蟲害的診斷。供相關人員隨時掌握病蟲害情況與動態(tài)，制訂有針對性的防治措施。

5.3 動物行為分析

利用可穿戴設備實時采集所養(yǎng)殖畜禽的活動軌跡、飲食情況等信息，通過深度學習技術分析畜禽的健康狀況、發(fā)情期探測及喂養(yǎng)狀況等，從而能及時做出相應處置，不僅節(jié)省人力，而且有助于產(chǎn)量的提高[6]。例如，通過攝像機實時拍攝養(yǎng)豬場豬的視頻圖片，利用深度學習算法分析豬的活動軌跡，可對豬的健康狀況以及喂養(yǎng)情況進行實時的判斷。

5.4 智能養(yǎng)殖

通過水下傳感器、攝像頭等監(jiān)測設備，可對漁場實施全景監(jiān)測，利用大數(shù)據(jù)、人工智能技術可對水產(chǎn)品生長、水中含氧量、精準魚食投放等情況進行實時管控，對漁場管理進行動態(tài)調(diào)整，從而使產(chǎn)量與可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)得到保障。

5.5 智能預測

可通過物聯(lián)網(wǎng)設備采集土壤、氣候、病蟲害等各種數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術，分析數(shù)據(jù)間的關聯(lián)特征，并預測影響農(nóng)作物產(chǎn)量的各種因素，評估農(nóng)作物的健康狀況和病蟲害發(fā)生的概率，提前做出干預，進而保證作物的高質(zhì)高量。

5.6 智能機器人

隨著智慧農(nóng)業(yè)的提出，農(nóng)業(yè)機器人已經(jīng)成為一個研究熱點。將機器人應用于農(nóng)業(yè)，例如采摘機器人、打包機器人、自動噴灑農(nóng)藥機器人等，可解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞動力短缺的問題，極大地提高了生產(chǎn)效率，減少了農(nóng)藥、化肥的使用量，節(jié)約了成本的支出。最初農(nóng)業(yè)機器人主要應用于農(nóng)業(yè)中的耕作、播種、收割等方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、人工智能等現(xiàn)代技術的成熟與應用，農(nóng)業(yè)機器人已應用于施肥、噴藥、采摘、除草、自動分揀等場景，極大促進了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

5.7 農(nóng)產(chǎn)品溯源

農(nóng)產(chǎn)品從播種、耕作、采摘到銷售會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，因而想要完成農(nóng)產(chǎn)品溯源需要記錄存儲的數(shù)據(jù)繁雜且龐大。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、5G技術的快速發(fā)展，在一定程度上，能夠完美解決農(nóng)產(chǎn)品溯源現(xiàn)階段存在的問題，為農(nóng)產(chǎn)品溯源的未來帶來了無限可能，進而為農(nóng)產(chǎn)品的安全帶來了保障。

6 結(jié)束語

目前，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展仍處于初級階段，但5G、人工智能技術在其他行業(yè)已有許多成功應用的案例。人工智能在特定的環(huán)境中應用具有良好的效果，具有場景性，難以快速普及推廣。如何使5G、人工智能技術在智慧農(nóng)業(yè)中廣泛應用，從農(nóng)業(yè)種植、生產(chǎn)中收集數(shù)據(jù)、提取信息，尋找隱藏在海量數(shù)據(jù)中趨勢、相關性，揭示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)律以及可能的應用前景，都需要我們廣大科研者不懈的努力，攻堅克難。相信在不遠的未來，人工智能將和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代技術更好地融合，進而幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者節(jié)約資源、提高產(chǎn)出、提升效率、降低污染，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?！?/p>