從田間到餐桌，5G、IoT、AI如何催生智慧農(nóng)業(yè)？

本文來源：腦極體

一個偶然機會，從不看電視新聞的我在央視新聞里看到一則關于自己家鄉(xiāng)的扶貧報道。

我們那里屬于典型的北方農(nóng)村，在過去的上千年里都是過著靠天吃飯的農(nóng)耕生活，最主要種植的農(nóng)作物是玉米，如果遇到干旱等極端氣候，一年的收成就會損失大半。直到2019年底，當?shù)卮迕癫磐耆撠殹?

根據(jù)央視報道，真正讓全村脫貧的辦法，就是村里建起了規(guī)模化、智能化的現(xiàn)代蔬菜種植基地。

該村的蔬菜大棚占地面積約174畝，在2018年底啟動建設，第一批試建大棚取得良好收益后，優(yōu)先承包給貧困戶種植，第二批共120多個蔬菜大棚陸續(xù)承包給村民種植。此外，村民還可以在一些新開發(fā)的公共崗位上班，獲得額外工資收入。

蔬菜種植基地采取的是和北京順義區(qū)的蔬菜專業(yè)合作社聯(lián)合模式，通過“蔬菜基地+鄉(xiāng)扶農(nóng)公司+貧困戶+北京合作社+北京企業(yè)”的“3+2”訂單模式，蔬菜從育種育秧就有了保障，而銷售直接就對接了市場。

而從報道細節(jié)里，我們能看到這一蔬菜種植基地所使用數(shù)字化、智能化的手段，幫助收購蔬菜的合作社對于蔬菜種植、棚間管理以及產(chǎn)量預估等都有精準的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從源頭上就能保證蔬菜的品質(zhì)和可追溯，從而能夠在北京銷售市場獲得較高的溢價。

從田間到餐桌的農(nóng)產(chǎn)品溯源，這些創(chuàng)新正是我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化變革的縮影。不久前達摩院發(fā)布“2021十大科技趨勢”，其中一項就是農(nóng)業(yè)正邁入數(shù)據(jù)智能時代。

5G 、AI、大數(shù)據(jù)、云計算、IoT等數(shù)字技術讓農(nóng)業(yè)作物監(jiān)測、精細化育種和環(huán)境資源按需分配成為現(xiàn)實，農(nóng)業(yè)不再“靠天”吃飯，我們正在進入智慧農(nóng)業(yè)時代。

按照我國政策慣例，通常每一年的中央一號文件，都是有關三農(nóng)問題。那么，我們也照此慣例，在新年之始，聊一聊“智慧農(nóng)業(yè)”這一話題。

從精準農(nóng)業(yè)到智慧農(nóng)業(yè)，

農(nóng)業(yè)的技能譜又“擴列”了

去年年初，我們介紹了精準農(nóng)業(yè)。這是源自90年代美國的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，適合美國中西部地區(qū)大農(nóng)場式的生產(chǎn)方式。

比如，在美國伊利諾伊州的一個農(nóng)場主羅德尼·席林和父親，二人經(jīng)營著約7900畝農(nóng)田?，F(xiàn)在，由于父親年邁退休，田地里的活兒都靠羅德尼自己上陣，即便在農(nóng)忙時節(jié)，他也可以完全依靠農(nóng)場的大型農(nóng)業(yè)設備去完成收割任務。

關鍵就在于這些農(nóng)機設備的自動化和智能化水平特別高，駕駛室的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)，確保了種植、噴藥、施肥、收割等工作的高效精準。這樣羅德尼坐在駕駛室里只需要偶爾盯著機器正常運轉(zhuǎn)即可，工作方式遠遠超出了我們對于傳統(tǒng)農(nóng)民的想象。

這類以規(guī)模化、機械化為特征的精準農(nóng)業(yè)方式，也已經(jīng)在我國少數(shù)糧食主產(chǎn)區(qū)和大型國有農(nóng)場實現(xiàn)，但并不適合那些更加多樣化、高附加值的瓜果蔬菜等精細種植類型。因此，精準農(nóng)業(yè)的種類也在逐步豐富，比如走集約化、高產(chǎn)值的溫室種植路線，有走精細化人工管理的生態(tài)種植園等；同樣，精準農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵也在豐富，隨著新型傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的應用，精準農(nóng)業(yè)正在向智慧農(nóng)業(yè)邁進。

當然，“智慧農(nóng)業(yè)”概念的內(nèi)涵更加豐富，技術手段也更加豐富，應用場景也更多樣。智慧農(nóng)業(yè)不僅局限于農(nóng)業(yè)種植的管理，而且著眼于整個農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)體系、能源利用、可持續(xù)生態(tài)發(fā)展等方面，通過先進信息通信技術，將整個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)推進到一個更高級的發(fā)展形態(tài)。

智慧農(nóng)業(yè)包含哪些特征和作用呢？

智慧農(nóng)業(yè)最核心特征就是擁有一個以智能數(shù)據(jù)為中心的服務平臺。通過云計算、傳感網(wǎng)等多種技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的綜合應用，可使信息收集更完備、信息感知更透徹、數(shù)據(jù)資源更集中，從而使農(nóng)業(yè)信息更廣泛地互通和達到更智能化的控制，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更具有智慧性。比如，在前端可以為農(nóng)產(chǎn)品種植、管理和采摘等提供數(shù)據(jù)采集、可視化管理和智能決策，在終端可以為農(nóng)產(chǎn)品提供食品溯源、農(nóng)業(yè)信息展示，也可以衍生出農(nóng)業(yè)生態(tài)旅游服務等內(nèi)容。

智慧農(nóng)業(yè)可以讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境具有智能感知、智能決策、在線專家指導等作用，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益、解決農(nóng)產(chǎn)品供需矛盾，消除農(nóng)村地區(qū)貧困等重要價值。

進入21世紀，我國智慧農(nóng)業(yè)進入高速發(fā)展期。隨著農(nóng)業(yè)勞動力向二三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，人口老齡化加速，農(nóng)業(yè)勞動力出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性短缺。以自動化機械、智能機器人為代表的新技術在農(nóng)業(yè)領域的應用，標志著智慧農(nóng)業(yè)進入大規(guī)模應用期。

近些年，我國各項農(nóng)業(yè)政策中先后多次提及重視智慧農(nóng)業(yè)的建設和發(fā)展，未來5年，計劃將我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化總體水平提升至50%。與此同時，隨著人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術的日趨成熟，5G網(wǎng)絡部署的逐漸完善，超大規(guī)模無線傳感器監(jiān)測的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)產(chǎn)品供銷正變得越來越信息化、智能化、數(shù)字化。

而我們多次提到的這些新技術，又是如何在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮作用的呢？

5G、IoT、云計算、AI，

支撐智慧農(nóng)業(yè)的技術底座

2019年6月，工信部向國內(nèi)三家電信運營商和中國廣電發(fā)放了5G牌照，標志著我國正式進入5G時代。5G技術，對于農(nóng)業(yè)的信息化來說是全局式的創(chuàng)新推動。

5G技術，首先將直接推動農(nóng)業(yè)傳感器的聯(lián)接種類和數(shù)據(jù)的技術升級，種植、畜牧、果蔬、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領域的物聯(lián)網(wǎng)設備將成熟落地。

其次，實時網(wǎng)絡聯(lián)接保證農(nóng)業(yè)機械、無人機等植保作業(yè)的精準控制和數(shù)據(jù)實時傳輸、分析。

再次，5G網(wǎng)絡保證智能化技術在種植、養(yǎng)殖過程中的廣泛應用。

最后，5G和AI的共同作用可以使得農(nóng)產(chǎn)品銷售變得更加智能和便捷。

云計算作為一種提供海量云端計算資源、超大存儲空間和超強計算能力的新型計算模式，將為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)計算中發(fā)揮巨大價值。同時隨著物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆炸，邊緣計算作為云計算的補充，也將在網(wǎng)絡邊緣側(cè)、更靠近數(shù)據(jù)源的設備側(cè)提供實時、短周期的本地決策。比如，在種植地，智能傳感器無需請求中央服務器來決定給附近的植物澆水或添加肥料的時間和用量，它們可以自己執(zhí)行相關任務，必要時再與主要的云平臺同步。

相較于云計算，邊緣計算距離用戶更近、在邊緣節(jié)點完成數(shù)據(jù)處理和分析的效率更高。由于數(shù)據(jù)在邊端分散分布，可以更有效保護網(wǎng)絡，增強數(shù)據(jù)安全性。另外，由于邊緣計算完成了部分的數(shù)據(jù)處理，可以減少設備響應時間和設備到云端的數(shù)據(jù)流量，與云計算形成協(xié)同服務。

由于農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的基礎建設，各國越來越重視人工智能技術在挖掘農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)上的規(guī)律和模型的價值。

比如，針對農(nóng)作物生長過程，智能化設備可以完成實時監(jiān)測預警、水肥一體自動灌溉、病蟲害防治和災情評估等，從而為提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、抵御災害風險，為發(fā)展高效的智慧農(nóng)業(yè)提供了技術支撐。

再比如，在蔬菜大棚種植場景，人工智能可以實現(xiàn)對棚內(nèi)溫濕度、光照和二氧化碳濃度等環(huán)境情況來控制補光時間，并檢查農(nóng)作物是否有病蟲害，提醒工作人員進行補光、補水等操作。在智能灌溉場景，實現(xiàn)模型驅(qū)動型、時間計劃型和環(huán)境驅(qū)動型等多種灌溉模式。

在近兩年非?；馃岬腁I養(yǎng)豬案例中，養(yǎng)豬場可以通過人工智能對生豬的生長情況和疾病預防、種豬繁殖等進行不間斷的監(jiān)測和預防。比如引入豬臉識別，及時發(fā)現(xiàn)母豬的發(fā)情和生病情況，實時監(jiān)控，智能發(fā)現(xiàn)擠壓豬仔等情況，從而有效提高生豬存活率，出欄率。人工智能的引入，實現(xiàn)了整個養(yǎng)豬過程的少人化和經(jīng)營過程的智能化、科學化管理。

以上我們看到，5G網(wǎng)絡技術保證了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的實時、高效傳輸，物聯(lián)網(wǎng)保證了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的完整收集，云計算、邊緣計算提供了大數(shù)據(jù)分析處理的海量算力，而人工智能則提供了數(shù)據(jù)模型的智能分析、管理和決策，這些技術共同構(gòu)成智慧農(nóng)業(yè)的技術底座。

現(xiàn)在，我們能在哪些具體的領域或者案例中，看到智慧農(nóng)業(yè)的真實面貌呢？

精準種植、智能養(yǎng)殖、自動農(nóng)機，

親眼可見的智慧農(nóng)業(yè)場景

對于數(shù)字智能化技術的介紹，只是讓我們看到智慧農(nóng)業(yè)的輪廓，只有深入到智慧農(nóng)業(yè)的應用場景當中，才能真正感受到智慧農(nóng)業(yè)的豐富細節(jié)。

我們首先介紹智慧農(nóng)業(yè)應用最大的兩個場景：大田精準種植和大棚精準種植。

在大田精準種植當中，主要存在作業(yè)面積大、土地分布廣、設備布線和供電困難等問題，結(jié)合5G網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)，就可以根據(jù)不同地域的土壤類型、灌溉方式、農(nóng)作物種類等進行不同設備配合，通過各種傳感器和智能氣象站，實現(xiàn)在線獲取土壤墑情、養(yǎng)分、氣象等信息，并實現(xiàn)墑情自動預報、灌溉智能決策及遠程控制灌溉設備，最終達到精耕細作的目的。

比如，土壤墑情監(jiān)測預警系統(tǒng)獲取土壤墑情數(shù)據(jù)，通過將獲取的現(xiàn)場實時墑情信息和標準墑情信息數(shù)據(jù)庫中對應農(nóng)作物的標準數(shù)據(jù)進行對比，從而達到監(jiān)測預警墑情的目的。

（《5G賦能行業(yè)應用于創(chuàng)新》，圖6-5：墑情（旱情）監(jiān)測預警系統(tǒng)）

而大田的水肥智能決策系統(tǒng)，則解決了傳統(tǒng)種植過程中灌水施肥量盲目性嚴重，造成水肥灌溉量不精準、資源大量浪費、作業(yè)強度大和過量施肥帶來土壤嚴重污染的痛點，這一決策模型從而可以提供輸入大田農(nóng)作物的最優(yōu)水肥比例，配合精準的水肥一體化技術進行水肥灌溉，從而更有效地利用水和肥料，節(jié)約成本的同時獲得更好的施肥效果。

而對于大棚精準種植，更重要的是對于種植物生長環(huán)境、生長環(huán)節(jié)的精準把控和管理。

精準大棚種植主要體現(xiàn)在精準數(shù)據(jù)采集、云端智能水肥控制、智能農(nóng)事管理、智能控制、數(shù)字農(nóng)場平臺等幾個方向，可以作用在大棚種植的育苗、栽種、生長管理、收割、休耕等全流程環(huán)節(jié)當中，通過精準采集系統(tǒng)、云端智能水肥控制系統(tǒng)、智能農(nóng)事管理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和終端等，可對大棚種植各環(huán)節(jié)的相關數(shù)據(jù)進行采集，為其科學化決策提供依據(jù)。

智慧農(nóng)業(yè)的另外一大應用場景就是畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖。最典型的智慧畜牧養(yǎng)殖系統(tǒng)就是奶牛、生豬和雞場養(yǎng)殖。

這里我們?nèi)匀灰陨i為例。一套生豬精準飼喂系統(tǒng)，需要實現(xiàn)對生豬的數(shù)量盤點、體重估測、運動軌跡跟蹤、轉(zhuǎn)圈出欄監(jiān)控及異常情況預警等，因此需要應用到以下智能監(jiān)測技術，包括視頻監(jiān)控的智能身份識別，監(jiān)測每頭豬的身份、運動軌跡、發(fā)情期和健康狀況，整體環(huán)境檢測還要包括豬舍異常監(jiān)測、存欄出欄數(shù)量盤點、飼養(yǎng)人員行為監(jiān)控等。而生豬精準飼喂系統(tǒng)通過上述功能，可對生豬進行科學化的飼養(yǎng)和全面嚴格的管理，確保生豬的品質(zhì)。

國內(nèi)領先的農(nóng)牧產(chǎn)品企業(yè)新希望六合，與中國移動共同開發(fā)的5G智慧養(yǎng)豬平臺，就通過在養(yǎng)殖場的邊端部署，建立了智能影像識別的系統(tǒng)，通過專門優(yōu)化的AI算法，可以快速高效準確地實現(xiàn)對生豬各項生理特征的識別。另外，以機器視覺分析技術為基礎，結(jié)合5G高帶寬能力將圖像數(shù)據(jù)上傳至MEC（移動邊緣計算）側(cè)，并通過部署在MEC的AI平臺實現(xiàn)生豬盤點、測重、測膘、體溫等功能。

第三大類，也是我國在智慧農(nóng)業(yè)上重點發(fā)力的應用場景就是智能農(nóng)機。借助5G、北斗衛(wèi)星定位、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等技術，智能農(nóng)機可以實現(xiàn)厘米級地理位置定位與測速、基于5G的無線傳輸，以及高清視頻采集、存儲與實時傳輸，還有高精度地圖API（應用程序編程接口）、氣象服務API、作業(yè)規(guī)劃與管理云平臺API等。

2019年5月，我國中科院研發(fā)的超級拖拉機1號，已經(jīng)在萬畝基地實現(xiàn)了無人駕駛的測試，利用衛(wèi)星導航的智能網(wǎng)聯(lián)技術，只需要三四個人員，就可以指揮20臺智能拖拉機，完成所有耕地、播種、澆水、打藥等作業(yè)。相當于，我國在智能農(nóng)業(yè)機械的制造和應用上正邁入全球先進行列。

總體來說，智慧農(nóng)業(yè)正在幫助各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景朝著集約化、智慧化的方向發(fā)展。集約化將極大降低生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益，智慧化將推動整個生產(chǎn)流程是數(shù)據(jù)感知、智能管理和全產(chǎn)業(yè)鏈智能決策，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全場景的聯(lián)接互通。

現(xiàn)在，我國正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)快速轉(zhuǎn)型的過程當中，但是需要看到智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

先從現(xiàn)狀來看，許多地區(qū)存在基礎設施薄弱、地區(qū)發(fā)展不均衡、農(nóng)村技術、管理人才短缺等現(xiàn)實問題；在新技術應用上，還存在著投入建設成本高、專用設備特別是專用芯片匱乏、配套設施不完善等問題，而在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的準確性收集、信息共享和信息利用上面存在效率不高、應用質(zhì)量差等問題。

這些問題有賴于國家、地方政府、科技企業(yè)以及農(nóng)業(yè)相關產(chǎn)業(yè)的高度重視和投入，比如政府應加強智慧農(nóng)業(yè)的基礎設施建設，在網(wǎng)絡、交通、電力等方面實現(xiàn)配套。農(nóng)業(yè)研發(fā)機構(gòu)加強智能農(nóng)業(yè)技術研發(fā)和相關成果的落地轉(zhuǎn)化。相關技術企業(yè)加強適應智慧農(nóng)業(yè)的技術人才的培養(yǎng)，提高一線農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者運用智能設備的能力。

智慧農(nóng)業(yè)或者我國整個農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，對于已經(jīng)遠離鄉(xiāng)土、身居城市的我們，是一種很少感知和關注的領域。于我而言，也更多是對智慧農(nóng)業(yè)的輪廓和運行機制做一些皮毛介紹。

未來，我更希望的是能夠在越來越多的地區(qū)、越來越多的媒體，看到我們的家鄉(xiāng)都能有各種各樣的智慧農(nóng)業(yè)的景象出現(xiàn)。而這些案例，更值得被我們記錄。

參考資料：劉耕；蘇郁：《5G賦能：行業(yè)應用于創(chuàng)新》，2020年1月，人民郵電出版社。

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