淺談5G時代背景下農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展方向

楊 雷

（煙臺市農(nóng)業(yè)科學研究院，山東 煙臺 264000）

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝備尤其是大田機械的機械作業(yè)部分已發(fā)展得較為成熟。目前，農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)正向著小眾化、細分化發(fā)展，但受到物理原理、材料技術(shù)等限制，研發(fā)速度較慢，進入“瓶頸期”。隨著5G技術(shù)的發(fā)展和普及，人們看到了農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展進化的一條新路。筆者經(jīng)過前期大量的實地考察、學習研判，總結(jié)出了在5G技術(shù)發(fā)展大背景下農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的三大方向，希望有助于明確今后農(nóng)業(yè)裝備的科研方向。

1 技術(shù)背景

第五代移動通信技術(shù)已經(jīng)覆蓋到了全國絕大多數(shù)城市以及近50%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。我國5G網(wǎng)絡建設規(guī)模始終保持全球領(lǐng)先，5G基站數(shù)量也占全球70%以上。5G技術(shù)擁有前幾代通信技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，必將掀起萬物互聯(lián)、高效協(xié)同的新浪潮，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)、自動駕駛、遠程醫(yī)療等領(lǐng)域得到較為廣泛的應用。2021年7月工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會等十部門印發(fā)《5G應用“揚帆”行動計劃（2021—2023年）》，旨在推進5G賦能千行百業(yè)，促進形成“需求牽引供給，供給創(chuàng)造需求”的高水平發(fā)展模式[1]。可以說，5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是我國各類產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)彎道超車的一個重要機會，必將在全社會、全行業(yè)迸發(fā)出更加強勁的力量。

5G技術(shù)最大的特點是高速率、大容量、低時延，理論傳輸速度可達20 Gbps，理論時延可低至1 ms，基本能夠支持各類接口實現(xiàn)無線化、遠程化升級。5G單基站覆蓋范圍較4G小很多，增加了部署成本，但也帶來了設備容量高、沖突小等諸多優(yōu)點，且國家正在積極部署具有覆蓋廣、穿透力強、組網(wǎng)成本低等特點的700 MHz頻段5G網(wǎng)絡，空曠區(qū)域廣覆蓋優(yōu)勢明顯，將大大加速5G網(wǎng)絡在農(nóng)村地區(qū)的廣泛覆蓋[2]。4G、5G網(wǎng)絡理論速度、每km2容量、理論時延的對比，分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 4G、5G網(wǎng)絡理論速度（Mbps）對比

圖2 4G、5G網(wǎng)絡每km2容量（個）對比

圖3 4G、5G網(wǎng)絡理論時延（ms）對比

受現(xiàn)有物理原理、材料技術(shù)等的制約，大部分農(nóng)業(yè)裝備尤其是大田機械已很難有重大突破?，F(xiàn)有農(nóng)業(yè)裝備想要實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，勢必要依靠新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。5G技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)在汽車、手機等領(lǐng)域造成了重大影響，為各行各業(yè)提供了極具優(yōu)勢的通信技術(shù)，正在深刻改變著傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)格局，成為當今世界產(chǎn)業(yè)升級的重要方向。5G網(wǎng)絡作為整個經(jīng)濟社會發(fā)展的“新基建”，正在加速為廣大農(nóng)村地區(qū)提供優(yōu)質(zhì)、高效的“網(wǎng)絡高速公路”，農(nóng)民的生活方式、農(nóng)業(yè)的發(fā)展方式都將受到其影響。同時5G技術(shù)也為農(nóng)業(yè)裝備的上下聯(lián)通提供了高速度、大容量、低時延的通信網(wǎng)絡。在時代大潮的影響下，農(nóng)業(yè)裝備也必將乘著5G技術(shù)的“東風”，實現(xiàn)新的突破。

2 5G時代農(nóng)業(yè)裝備特征

農(nóng)業(yè)裝備在5G通信技術(shù)的影響下，將充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡高速度、大容量、低時延的優(yōu)勢，向智能化、電氣化、模塊化方向發(fā)展。

2.1 智能化

為了推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，各大高校、科研院所、農(nóng)機企業(yè)已經(jīng)根據(jù)基本國情和農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀研制和推廣了如控制器、傳感器、采集器等大量的智能化設備[4]。但由于通信技術(shù)以及社會大環(huán)境的制約，這些設備基本采用了傳統(tǒng)的LoRa、NFC、ZigBee等通信技術(shù)[5]，都或多或少地存在著時延高、精度低、流量小、無統(tǒng)一接口等問題，且大多數(shù)都是用于被動監(jiān)測、統(tǒng)計農(nóng)機工作狀態(tài)，沒有被充分、直接地用于控制作業(yè)，幾乎無法起到改進生產(chǎn)方式和提高生產(chǎn)效率的作用。5G通信技術(shù)的發(fā)展，將實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)接口以及信息傳輸?shù)男峦黄?，大大提高?shù)據(jù)上傳、下載速度，通過把傳感器與作業(yè)機構(gòu)、控制中心高效連接，可達到低時延閉環(huán)生產(chǎn)，從而突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制與操作環(huán)節(jié)的空間限制，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)調(diào)度、遠程作業(yè)、人工智能生產(chǎn)等一系列目標[6-7]。

通信技術(shù)的更新為農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展特別是控制系統(tǒng)的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。5G技術(shù)幾乎可以承載任何大小、任何復雜程度的控制信號。未來，將實現(xiàn)控制中心對農(nóng)業(yè)裝備的集中監(jiān)測、集中調(diào)度、集中控制，這就對控制系統(tǒng)的軟硬件設計提出了新的挑戰(zhàn)[8]。如何提高控制中心的軟硬件水平，對大量不同類型的農(nóng)業(yè)裝備實現(xiàn)智能化調(diào)度、精準控制、高效分配，需要包括制造業(yè)、網(wǎng)絡通信、云服務、軟件開發(fā)在內(nèi)的各行各業(yè)通力合作，這也是未來農(nóng)業(yè)裝備科研發(fā)展的一個重要方向[9]。

2.2 電氣化

智能化的控制系統(tǒng)也對農(nóng)業(yè)裝備的生產(chǎn)執(zhí)行方式提出了新的要求。從執(zhí)行的角度來說，要實現(xiàn)智能化、自動化控制，傳統(tǒng)的手動式、按鈕式的控制方式就要被淘汰。大規(guī)模運用單片機、PLC、電磁繼電器、電動控制閥、自動變速箱、步進電機等元件取代傳統(tǒng)機械式的控制方法，既能降低生產(chǎn)過程中人工操作的難度，又便于控制系統(tǒng)替代人工控制生產(chǎn)[10]。從動力的角度來說，由于機械信號到電信號的轉(zhuǎn)換較難且控制精度較低，傳統(tǒng)使用油氣能源的農(nóng)業(yè)裝備也會逐漸被淘汰。隨著電池技術(shù)、充電技術(shù)以及電力基礎設施建設的發(fā)展和完善，農(nóng)業(yè)機械像汽車一樣向新能源方向進化也是必然趨勢。全面電氣化后，數(shù)據(jù)控制中心才能實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)裝備的全面管理、調(diào)度和控制。電氣控制全面取代機械操作是農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展進化的必要條件，也是必由之路，起到了承上啟下的銜接作用。農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)過程中應做到盡早籌劃布局，升級控制方式，提高電氣控制覆蓋率，為接入智能控制系統(tǒng)提前做好硬件準備。

2.3 模塊化

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)接口的更新，農(nóng)業(yè)裝備模塊化發(fā)展已具備成熟的理論基礎，只是缺少應用技術(shù)的積累以及大規(guī)模的市場認知。目前，農(nóng)業(yè)裝備市場已顯現(xiàn)出了多功能、小批量、定制化、多樣化的用戶需求特征[11]，模塊化的發(fā)展形式可以更好地實現(xiàn)這些需求目標，并且有利于節(jié)約成本、管控質(zhì)量和提升效率[12]。以目前廣泛使用的拖拉機掛載松、耕、種、收等器具的生產(chǎn)形式為例，雖然結(jié)構(gòu)簡單，操作門檻低，但很難實現(xiàn)智能化、信息化，且?guī)缀踔贿m用于大田作業(yè)，在果園等需要精細化作業(yè)的環(huán)境中工作效率較低。未來，傳統(tǒng)的拖拉機將向網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展，或由各類多功能行走平臺取代，衍生出標準的、統(tǒng)一的機械和數(shù)據(jù)接口；各類作業(yè)模塊也將兼具機械和數(shù)據(jù)接口，可與基礎行走平臺實現(xiàn)標準化對接。農(nóng)業(yè)機械將由能源模塊、通信模塊、控制模塊、行走模塊、執(zhí)行模塊等幾大基礎模塊組成，并且可以高自由度地組合，實現(xiàn)一平臺多用途。模塊化能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎是數(shù)據(jù)接口、機械接口的發(fā)展和統(tǒng)一，需要各行業(yè)、各部門的協(xié)同設計，并制定和推廣優(yōu)質(zhì)、高效的行業(yè)標準。

3 實例分析

以筆者團隊正在研發(fā)的一款小型果園行走平臺為例進行分析，果園行走平臺功能模塊如圖4所示。該行走平臺以輪式驅(qū)動的行走機構(gòu)為主體，單片機主板搭載5G通信模塊、控制模塊、能源模塊、視頻模塊、雷達模塊等基礎模塊以及拓展數(shù)據(jù)接口、機械接口，后續(xù)可搭載植保模塊、除草模塊等功能性模塊，實現(xiàn)遠程或自動化果園打藥、除草等功能。

圖4 果園行走平臺功能模塊示意圖

控制模塊以STM32F103單片機為主體，通過外接5G工業(yè)模組、攝像頭、雷達以及預留各類外設接口，組成平臺的電路系統(tǒng)。行走機構(gòu)為雙電機輪式機構(gòu)，由動力電機直接控制轉(zhuǎn)向，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、轉(zhuǎn)向半徑小等優(yōu)點，并且可以根據(jù)需求更換履帶模塊，兼容多種地形，適用于不同應用場景。此平臺可通過標準化的接口掛載多種作業(yè)模塊，為生產(chǎn)者降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，為消費者減少重復購買動力機械數(shù)量，提高農(nóng)機利用率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

5G不僅是一種新型通信技術(shù)，更是一種底層網(wǎng)絡設施，是“新基建”戰(zhàn)略的關(guān)鍵和基礎，可以與各行各業(yè)深度融合，聯(lián)通各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動化、精準化[13]。農(nóng)業(yè)裝備與5G技術(shù)的融合發(fā)展，是農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展進化的一條嶄新道路，是一個系統(tǒng)性工程，需要多個學科、多個產(chǎn)業(yè)的配合協(xié)作，整合二、三產(chǎn)業(yè)最先進的技術(shù)并將其引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促使農(nóng)業(yè)裝備向著智能化、電氣化、模塊化方向發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的遠程控制、自動調(diào)度、無人值守化管理，從根本上帶動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。同時，將促進產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展、解放發(fā)展生產(chǎn)力、改善勞動環(huán)境、提高勞動者收入、吸引技術(shù)人才服務“三農(nóng)”，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要途徑。