5G+农业气象与虚拟数字农田系统的设计与实现

5G+农业气象与虚拟数字农田系统的设计与实现

王敏(1,2)

(1.鹤壁市农业气象与遥感重点实验室  458030;2.河南省鹤壁市气象局  458030）

摘要：数字农业是农业现代化的高级阶段。随着5G站网的广泛布设，充分利用物联网、大数据、云计算等技术，在农田部署物联互通的基础探测传感器和无线通信网络，实现全市农业生产环境的精准感知、智能预警、科学分析和智能管控，为现代化农业生产提供精准化种植、可视化管理、智慧化决策，打造信息支撑、管理协同、产出高效、产品优质、资源节约的现代农业治理新体系。鹤壁5G+农业气象与虚拟数字农田系统由天空地一体化数字农田综合服务平台、大田智能监测系统、大田VR全景巡检服务平台、大田智能水肥一体化服务系统、人机交互智能语音系统等组成。

关键词：5G+   农业气象   数字农田  系统设计

引言

我国是农业大国，农业是国民经济的基础，农业稳定发展是经济社会可持续健康发展的必要保障。目前国内农业农村仍存在基础差、底子薄、发展滞后的状况，经济社会发展中最明显的短板仍然在“三农”，现代化建设中最薄弱的环节仍然是农业农村。5G作为当前最先进的通信技术，赋能千行百业，已成为数字经济发展的重要基石。随着5G通信技术的深入推进，5G为很多农民和乡村产业提供了新的机会，为农村经济发展注入新的活力。鹤壁是国家现代农业示范区、全国首批整体推进农业农村信息化示范基地，鹤壁市高度重视“5G+数字乡村”建设，提高农业农村信息化水平，实现农业高质量发展为目标，并将数字大田、数字村庄、数字园区、数字政务、数字产业为重点，大力发展农业农村数字经济，改变农村面貌，助推乡村全面振兴。

1、天空地一体化数字农田综合服务平台

天空地一体化数字农田综合服务平台主要由大田物联网综合服务管理系统、天空地数据融合产品生产系统、农业气象灾害监测预警服务系统、精细化节水灌溉预警预报系统、土壤旱情监测评估系统和平台后台管理系统组成。平台功能结构如下：

图1 天空地一体化数字农田综合服务平台功能结构

2、大田智能监测系统设计

2.1平台概述

大田智能监测系统是集物联网、大数据及边缘计算等技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感器节点和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。

2.2功能设计

（1）智能虫情测报系统

智能虫情测报系统主要利用光、电、数控、无线传输以及边缘计算等技术，构建出一套虫害生态监测及预警系统。集诱虫杀虫、数据收集、前端智能识别（虫子种类和数量），并将分析数据实时上传，对虫害发生和发展进行分析预测，形成虫情识别报告，专家库给出防治建议，制定防控措施。

（2）作物发育期识别系统

系统采用基于深度学习、边缘计算以及激光点云的场景识别技术，构建农作物特征库，能够识别作物生长发育期、冠层高度、叶面积指数、覆盖度等特征参数，实现对作物生长特征的自动连续观测。

3、大田VR全景巡检服务平台设计

3.1平台概述

大田VR全景巡检服务平台通过前端视频监控设备，实现各类农业、环境全域全时段全覆盖的视频感知，通过5G边缘计算以及边缘AI产品，提供基于视频能力的智慧管理，利用视频能力边缘侧强大的AI算力，开展农田作物长势、病虫草害、农业气象灾害等的实时监测、远程诊断分析。

3.2 功能设计

（1）VR巡检

设备端通过摄像头采集视频图像，现场工作人员佩戴AR眼镜执行现场农田巡检等工作。高清、低延时的第一人称视角画面使数据如附加在农作物上面一般，促进现场人员高效协作完成大田巡检。

图2 VR全景影像

（2）实时监测

全景摄像机全天多时次拍摄全景高清图像，相比视频流更清晰，通过图像可检查作物发育和作物病虫害情况，如遇到疑难问题，可以通过链接数据库进行数据远程指导。

4、大田智能水肥一体化服务系统设计

4.1系统概述

水肥一体化自动灌溉系统是建立在灌溉水利学基础之上，根据农作物的需水情况，对农作物实施科学的智能的自动化灌水、施肥，帮助生产者实现自动的水肥一体化管理，达到节水、省肥、增产的目的。系统采用先进的传感器技术、物联网技术、互联网、大数据等先进技术，帮助生产者实现水肥一体化管理，促进水肥耦合，提高水肥利用率，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。

4.2系统组成

（1）首部系统

首部系统是水肥一体化系统中非常重要的组成部分，是整个系统的驱动、检测和控制中枢，首部系统由首部监测与控制子系统、过滤子系统、自动施肥子系统构成。

（2）田间灌溉系统

田间灌溉系统由灌溉控制器、灌溉阀门（电磁阀、手动阀）、灌溉管网（主干管、支管以及滴灌管）组成，灌溉控制器接收总控器下发的阀门控制命令，执行开启或关闭电磁阀的操作，从而实现灌溉操作。

（3）灌溉管网

田间灌溉管网由输水主管、输水支管以及滴灌管或喷灌装置组成，灌溉方式有喷灌、滴灌、微喷等。以滴灌方式为例，管网的设计示意图如下：

图4 滴灌管网示意图

（4）智能水肥一体化云平台

水肥一体化自动灌溉系统是建立在灌溉水力学基础之上，由水肥一体化智能监控系统与灌溉系统相结合，根据作物需求、需肥规律和土壤养分、养分状况、设置周期性水肥计划实施轮灌。水肥一体化自动灌溉系统可接入农业物联网综合应用管理平台，通过平台具有环境数据采集和墒情监测的功能。同时拥有权限的用户，可以具备管理平台，平台运行、存储及管理升级的权限。

（5）手机APP

用户通过手机APP可以实时查看农业气象、土壤墒情数据及PH值，流量数据，进水压力数据，电导率等灌溉相关数据，同时具备远程控制、灌溉电磁阀、参数设置、数据查询及视频查询的功能。

5、人机交互智能语音系统设计

5.1系统概述

智能接待机器人不仅可以完成迎宾接待的任务，还是一位优秀的农业气象现场解说员，是农业气象试验站的形象大使，更是一个很好的科学研究移动平台。接待机器人是釆用拟人化设计，拥有视觉、触觉、听觉的个性化情感智能服务机器人。系统利用5G通讯技术，具有高速度、泛在网、低功耗、低时延等特点，可为农业气象试验场提供拟人化的服务机器人场景交互解决方案。

5.2系统内容

（1）引导访客参观

规划参观路线，尽可能走精品路线。机器人可以根据大厅展示场的情况绘制地图，从而规划出一条流程化的参观路线，按照规划好的路线带领访客参展。实现基于智能算法的机器人自主定位，并结合视觉信息和其他传感器信息对定位结果进行校正，实现定位精度在20cm以内；利用激光、声纳等多种传感器信息融合，实现对周围环境的地图构建。

（2）自定义问答

将常用垂直领域类的知识保存到机器人的大脑里，可以实现专业知识语音问答、图片呈现、视频播放的功能。强大的语义分析和深度学习能力：利用深度学习算法将人类语言进行分析，精确地理解人类语言的意图，从而实现人类与机器人的无障碍交流。

（3）迎宾、欢送

智能机器人自动检测到游客的到来，主动迎接参观的观众并问好。当游客在智能机器人面前停留数秒后，机器人会主动热情地伸出手与游客握手，同时会说：“xxx，见到您真高兴！请问您有什么需要我帮忙的？”当访问结束，访客离开1.5米的视线时，智能机器人会举手然后摆手说：“欢迎下次再来！

（4）自动唤醒

当访客最近机器人时，机器人自动感应并被唤醒，主动与客户打招呼，并说出欢迎词

（5）人脸识别

智能视觉系统架构：集成人脸识别、属性识别、人脸追踪、动作识别、手势识别等综合智能视觉系统架构，准确度高。

（6）安全防护系统

自动充电系统：电量即将耗尽时，规划路径并自动充电防跌防撞保护：行走过程中自动检测并识别障碍物紧急制停：可让运动中的机器人立刻停止运动

（7）定制升级

SDK定制系统：满足多环境应用。自主数据采集与平台配置系统：通过对使用者交互行为进行数据采集，记录与云端实现数据分析和管理，实现行为与信息汇总。二次开发：可通过机器人配置平台实现机器人功能模块的配置。

结论：

综上，让手机成为新农具，数据成为新农资，农民成为新农人，农业成为令人羡慕的行业，这是时代发展的趋势和农民的新追求。未来鹤壁市将依托5G、云计算、大数据、物联网移机人工智能等新一代信息技术，强化信息技术赋能与农业经营管理深度融合，优化农业科技信息服务，推进农业数字化转型，拓展乡村经济新业态，盘活农村产业资源，丰富农村产业体系，持续带动乡村就业和经济增收，助力乡村振兴。

参考文献：

[1]王兴,朱彬,卞浩瑄,杨雅涵.“互联网+”背景下我国智慧气象服务模式优化研究[J].中国管理信息化,2019,22(23):135-138

[2]徐文文,李虎平.从战略到行动:5G助力乡村振兴的体系构建——以沈阳市为例[J]. 改革与战略, 2019, 35(5):55-62.

作者简介：王敏（1971.09），女，汉族，河南省开封市人，本科学历，副高，从事气象服务与应用气象工作。