5G时代下的农村物联网

郭小天

[摘要]农业信息化是国家推进农业“互联网+”的具体内容。农业信息有着数据量大、种类繁多、地域性强、不确定性、周期性的特点。物联网是获取农业信息的合适选择，建立农村物联网将是实现农村农业现代化的重要举措之一，而5G技术的成熟又为农村物联网的进步铺平道路。5G时代下的农业物联网，立足于农村，由5G网络连接着五湖四海的资源，让农业变得更加智慧、和谐。

[关键词]5G时代;物联网;智慧农业;农业信息化

[中图分类号]TP391.44

[文献标识码]A

农业一直是我国经济、人民生活的重要基础，农业问题被放在重要位置。目前，我国农业正逐步从传统走向现代化，农业与资源、环境、人口之间的矛盾亟待解决。而科技是农业发展的重要支撑，是国家粮食安全的有力保障，是农业现代化建设的抓手，要实现农业持续稳定发展，根本出路在科技。近年来，各项信息技术迅速发展，充分利用先进科技帮助农业生产，实现农业信息化，成为农业转型过程中不可或缺的一部分。农业信息化可以贯穿农业的生产、经营、管理、服务整个过程。本文讨论的是5G时代大背景下，如何在农业生产阶段应用物联网技术助力农业信息化。

1 农业物联网在5G时代下的潜力

物联网（Internet of Things）是一种信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，在物品与物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互，并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为，是信息化在人类社会综合应用中的更高境界。在农业中应用物联网有诸多益处，比如真实客观、连续监测、数据丰富、节省人力。可是农业技术必须考虑技术成本，物联网技术中，虽然传感器设备本身并不昂贵，组网需要用到的少量大型设备、处理与服务系统的搭建却并不便宜。也就是说，小规模农户自建农业物联网难以实现。以村落为单位，建立农业物联网系统是相对理想的选择。而且同村有较为一致的自然环境，较为统一的农业产业，村民们也相互熟悉，方便管理。

然而，村落规模的农业物联网，面临着数据规模巨大、传输速率需求高等问题，这些问题在以前并没有很好地解决方案。人口密度有限，人获取信息的速度有也限，故以前的互联网能够满足村民们手机、电脑终端的需求。而物联网的感知终端是密度很大的传感器设备，即便单个传感器对传输网络的要求较低，全村规模的物联网对传输网络的要求也会很高。能够适应农村物联网需求的传输网络，就是近几年兴起的5G网络。

5G指的是第五代移动通信（5th Generation WirelessSystem），能满足增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器通信（mMTC）3个场景的应用，因此在速率、流量密度、连接数、时延、可靠性方面均有较大的突破。5G时代的到来，意味着更全面的网络覆盖、更海量的设备加入互联网，以及质量更高的通信。网络性能的提升，让农业物联网的发展拥有巨大潜力。

2 农村物联网的基本架构

农业物联网通过传感器技术、射频识别技术、无线传感技术把农业生产中的农机设备、动植物生长环境、土壤墒情、病虫害状况、受灾程度、机械单元与生产者和管理者连接起来，实现了“人、机、物”一体化，逐渐降低物体和机械在农业生产中的作用，大大提高了人的智慧的作用。农业物联网可以分为感知层、传输层、应用层三个层次。

2.1 感知层

感知层，主要功能是利用传感器技术、射频识别技术去获取农业生产阶段的信息。这些信息分为自然资源信息、农情信息两类。对农业来说，主要的自然资源要素包括气象资源要素（温度、湿度、光照强度、大气压、降水量）、水资源要素（水质、水深、水域面积、水域形状）、土地资源要素（经纬度、土质、养分、土地面积、土地形状）。农情资源要素主要有种植面积、作物长势、病虫害程度。

各种要素信息都需要特定设备才能采集。水域面积、水域形状、土地面积、土地形状，一般可以通过我国的卫星资源来获得。将原始的卫星遥感图像进行一定的校正和计算就能获得符合常规需求的面积数据，形状也可以直观显示。水质测量，常用的传感器有余氯传感器、总有机碳（ TOC）传感器、电导率传感器、pH传感器，以及测悬浮固体的浊度传感器。如果所测水体是渔业水体，一般还会关注叶绿素、黄色物质等指標。土质传感器主要监测氮磷钾等化学元素，常使用土壤盐分传感器，此外还常用土壤pH传感器、土壤水势传感器、土壤温湿度传感器。其他指标一般可以通过温度传感器、湿度传感器、雨量传感器、光照传感器、风速风向传感器、大气压力传感器来测量。

2.2 传输层

5G网络是灵活、智慧的网络，是物联网传输层的关键。物联网需要因地制宜地布置感知层设备，不同规模、不同密度、不同用途的设备可能使用不一样的底层无线通信技术。5G网络的灵活性就在于能与其他无线移动通信技术密切衔接，为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务能力。其智慧体现在，5G技术的内在革新对于普通用户来说是透明的，即普通用户只需要改变接人5C网络的接口部分，就能享受更高质量的网络服务。

物联网常用的无线通信技术有：ZigBee、SimpliciTl、BLE、SimpleLink WiFi。由它们构成的无线传感器网络一般包括汇聚结点、管理结点和传感器结点。传感器结点之间通过自组织的方式构建起无线网络，当某个结点检测到数据并需要向上传输时，以自组多跳的形式进行数据传输。众多数据首先被集中到汇聚结点，汇聚结点可以通过5G网络将数据传送到管理结点。

ZigBee技术是一种短距离的无线通信技术，特点是功耗很低、复杂度低、容量高、可靠性强、无需人工干预，成本低。例如林地、田地、草场等广阔农业区域，如果完全由人为监管，将会耗时费力。而ZigBee技术可以容纳数万个传感器结点，覆盖范围大，安装干电池就能用一年左右时间，监控这些大面积区域非常合适。

SimpliciTI网络是小型射频网络，可以容纳100个以内的传感器结点。它的特点是规模小、对硬件要求低、占用资源最小化。比如蔬菜大棚、小面积鱼塘可以使用这种网络。

低功耗蓝牙BLE，这是一种功能相对复杂的无线通信技术，适用于数据发送量小、发送频率低，但要求实时、可靠的异步传输。可应用于猪、牛等较大型动物的养殖场，对动物的生物特征变化进行精细监控。低功耗蓝牙和经典蓝牙类似，可以让物联网设备与人们常用的手机终端相连接，这样就能实现人与眼前设备的直接交互，而不通过云端服务器来控制。

SimpleLink WiFi是能够快速连接、具有硬件加密引擎的无线通信技术。它比其他底层的无线通信技术更安全，同时对硬件设备的要求也更高。所以它一般不用于普通传感器结点单向地向上层传递数据，而常用于集成了复合功能的智能物联网设备和上层之间双向传输数据。

2.3 应用层

应用层在现代科技发展的推动下，已经从物理上的“层次”变为逻辑上的“层次”。可以说，感知层、传输层必定存在于物联网所在的村落，但应用层是传输层以上的部分，可以通过5G网络突破地域限制，与分布在祖国各地、甚至世界各地的云服务平台相连接。

农村物联网的数据量将会很庞大，需要控制的设备也会很多，自己组建机房、搭建私有的计算机中心难度很高，而且需要日常维护，耗费人力物力。在“云计算”技术日益成熟的今天，完全可以租用云端的计算资源，将大数据处理、深度学习、智能决策等功能放在云计算中心，按需付费，享受可靠、安全、稳定、高性能的弹性计算服务。

云计算是分布式处理（distributed computing）、并行处理（parallel computing）、网格计算（grid computing）的商业实现。这是一种革命性的举措，好比从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供電的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。公共云由一个组织管理维护，提供对外的云服务，可以被公众所拥有。从云计算服务的角度，可以将其分为基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）。

IaaS可以提供虚拟机、存储器、操作系统等基础服务，村物联网获得的数据可以通过这项服务实现初步处理、存储。PaaS提供的是一个开发环境，用户可以在这个平台编写软件程序，这项服务一般是软件开发企业使用，农村物联网的搭建者自行开发软件系统难度大、效率低，一般不会使用。SaaS提供软件托管服务，即用户付费使用云端的软件程序，农村物联网的数据并不能直接被农户们接受，需要经过相应的软件处理，最终呈现到他们的手机、电脑终端上才能使用。现在已经有较为成熟的物联网云端服务了，比如智云物联公共服务平台（ZCLOUD）。

3 农村物联网的数据应用

农村物联网的数据量大、种类繁多，再加上自然环境变化莫测，采集到的数据会有错误、冗余、丢失。必须经过一系列的处理，才能充分利用物联网数据。物联网采集的大数据，通过5G网络传输到云端后，需要进过清洗、集成、转换、规约等预处理操作，目的是去除冗余和噪声数据、规整数据、精简压缩数据。粗糙的数据还不能直接使用，一般通过数据挖掘算法提炼关键信息，再用可视化技术呈现给用户，或者共享给农业科研人员，促进农业发展。

如果后续还需要结合一系列策略构建农业自动控制系统，那么数据可视化还远远不够。比如，策略的形成需要用到卷积神经网络、深度学习神经网络、专家系统等技术。而农业生产的远程控制、自动控制还需要融入机械、电气方面的技术。总之，对于整个农业信息化系统，物联网仅为其中一个重要部分，其他部分和物联网相辅相成、密不可分，但讨论起来将是另一番天地。

4 结语

5G时代将是万物互联的时代，农村物联网有着光明的发展前景。实现农业信息化是未来的发展趋势，需要全社会贡献力量，需要更多科技人才加入到建设队伍当中。

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