淺談5G時代背景下農業裝備的發展方向

楊 雷

（煙臺市農業科學研究院，山東 煙臺 264000）

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

1 技術背景

第五代移動通信技術已經覆蓋到了全國絕大多數城市以及近50%的鄉鎮。我國5G網絡建設規模始終保持全球領先，5G基站數量也占全球70%以上。5G技術擁有前幾代通信技術無法比擬的優勢，必將掀起萬物互聯、高效協同的新浪潮，目前已經在工業生產、自動駕駛、遠程醫療等領域得到較為廣泛的應用。2021年7月工業和信息化部、國家發展和改革委員會等十部門印發《5G應用“揚帆”行動計劃（2021—2023年）》，旨在推進5G賦能千行百業，促進形成“需求牽引供給，供給創造需求”的高水平發展模式[1]。可以說，5G產業的發展是我國各類產業實現彎道超車的一個重要機會，必將在全社會、全行業迸發出更加強勁的力量。

5G技術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、沖突小等諸多優點，且國家正在積極部署具有覆蓋廣、穿透力強、組網成本低等特點的700 MHz頻段5G網絡，空曠區域廣覆蓋優勢明顯，將大大加速5G網絡在農村地區的廣泛覆蓋[2]。4G、5G網絡理論速度、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網絡理論速度（Mbps）對比

圖2 4G、5G網絡每km2容量（個）對比

圖3 4G、5G網絡理論時延（ms）對比

受現有物理原理、材料技術等的制約，大部分農業裝備尤其是大田機械已很難有重大突破。現有農業裝備想要實現轉型升級，勢必要依靠新技術、新產業的發展[3]。5G技術的發展，已經在汽車、手機等領域造成了重大影響，為各行各業提供了極具優勢的通信技術，正在深刻改變著傳統的產業格局，成為當今世界產業升級的重要方向。5G網絡作為整個經濟社會發展的“新基建”，正在加速為廣大農村地區提供優質、高效的“網絡高速公路”，農民的生活方式、農業的發展方式都將受到其影響。同時5G技術也為農業裝備的上下聯通提供了高速度、大容量、低時延的通信網絡。在時代大潮的影響下，農業裝備也必將乘著5G技術的“東風”，實現新的突破。

2 5G時代農業裝備特征

農業裝備在5G通信技術的影響下，將充分發揮5G網絡高速度、大容量、低時延的優勢，向智能化、電氣化、模塊化方向發展。

2.1 智能化

為了推動農業現代化發展，各大高校、科研院所、農機企業已經根據基本國情和農業現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]。但由于通信技術以及社會大環境的制約，這些設備基本采用了傳統的LoRa、NFC、ZigBee等通信技術[5]，都或多或少地存在著時延高、精度低、流量小、無統一接口等問題，且大多數都是用于被動監測、統計農機工作狀態，沒有被充分、直接地用于控制作業，幾乎無法起到改進生產方式和提高生產效率的作用。5G通信技術的發展，將實現各類數據接口以及信息傳輸的新突破，大大提高數據上傳、下載速度，通過把傳感器與作業機構、控制中心高效連接，可達到低時延閉環生產，從而突破傳統農業生產控制與操作環節的空間限制，實現大數據調度、遠程作業、人工智能生產等一系列目標[6-7]。

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

2.2 電氣化

智能化的控制系統也對農業裝備的生產執行方式提出了新的要求。從執行的角度來說，要實現智能化、自動化控制，傳統的手動式、按鈕式的控制方式就要被淘汰。大規模運用單片機、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機械式的控制方法，既能降低生產過程中人工操作的難度，又便于控制系統替代人工控制生產[10]。從動力的角度來說，由于機械信號到電信號的轉換較難且控制精度較低，傳統使用油氣能源的農業裝備也會逐漸被淘汰。隨著電池技術、充電技術以及電力基礎設施建設的發展和完善，農業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，數據控制中心才能實現對農業裝備的全面管理、調度和控制。電氣控制全面取代機械操作是農業裝備發展進化的必要條件，也是必由之路，起到了承上啟下的銜接作用。農業裝備研發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提前做好硬件準備。

2.3 模塊化

隨著通信技術的發展和數據接口的更新，農業裝備模塊化發展已具備成熟的理論基礎，只是缺少應用技術的積累以及大規模的市場認知。目前，農業裝備市場已顯現出了多功能、小批量、定制化、多樣化的用戶需求特征[11]，模塊化的發展形式可以更好地實現這些需求目標，并且有利于節約成本、管控質量和提升效率[12]。以目前廣泛使用的拖拉機掛載松、耕、種、收等器具的生產形式為例，雖然結構簡單，操作門檻低，但很難實現智能化、信息化，且幾乎只適用于大田作業，在果園等需要精細化作業的環境中工作效率較低。未來，傳統的拖拉機將向網絡化、智能化方向發展，或由各類多功能行走平臺取代，衍生出標準的、統一的機械和數據接口；各類作業模塊也將兼具機械和數據接口，可與基礎行走平臺實現標準化對接。農業機械將由能源模塊、通信模塊、控制模塊、行走模塊、執行模塊等幾大基礎模塊組成，并且可以高自由度地組合，實現一平臺多用途。模塊化能夠實現的基礎是數據接口、機械接口的發展和統一，需要各行業、各部門的協同設計，并制定和推廣優質、高效的行業標準。

3 實例分析

以筆者團隊正在研發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動的行走機構為主體，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據接口、機械接口，后續可搭載植保模塊、除草模塊等功能性模塊，實現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。行走機構為雙電機輪式機構，由動力電機直接控制轉向，具有結構簡單可靠、轉向半徑小等優點，并且可以根據需求更換履帶模塊，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模塊，為生產者降低研發和生產成本，為消費者減少重復購買動力機械數量，提高農機利用率，提高農業生產效率。

4 結論

5G不僅是一種新型通信技術，更是一種底層網絡設施，是“新基建”戰略的關鍵和基礎，可以與各行各業深度融合，聯通各個環節，實現生產的高度自動化、精準化[13]。農業裝備與5G技術的融合發展，是農業裝備發展進化的一條嶄新道路，是一個系統性工程，需要多個學科、多個產業的配合協作，整合二、三產業最先進的技術并將其引入農業生產，促使農業裝備向著智能化、電氣化、模塊化方向發展，實現農業生產的遠程控制、自動調度、無人值守化管理，從根本上帶動農業產業的轉型升級。同時，將促進產業融合發展、解放發展生產力、改善勞動環境、提高勞動者收入、吸引技術人才服務“三農”，是實現農業農村現代化、實現鄉村振興的重要途徑。