5G+農(nóng)業(yè)氣象與虛擬數(shù)字農(nóng)田系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、 5G+農(nóng)業(yè)氣象與虛擬數(shù)字農(nóng)田系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) Summary：數(shù)字農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高級階段。隨著5G站網(wǎng)的廣泛布設，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術，在農(nóng)田部署物聯(lián)互通的基礎探測傳感器和無線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)全市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的精準感知、智能預警、科學分析和智能管控，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準化種植、可視化管理、智慧化決策，打造信息支撐、管理協(xié)同、產(chǎn)出高效、產(chǎn)品優(yōu)質、資源節(jié)約的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)治理新體系。鶴壁5G+農(nóng)業(yè)氣象與虛擬數(shù)字農(nóng)田系統(tǒng)由天空地一體化數(shù)字農(nóng)田綜合服務平臺、大田智能監(jiān)測系統(tǒng)、大田VR全景巡檢服務平臺、大田智能水肥一體化服務系統(tǒng)、人機交互智能語音系統(tǒng)等組成。Keys：5G+ 農(nóng)業(yè)氣象

2、數(shù)字農(nóng)田 系統(tǒng)設計引言我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展是經(jīng)濟社會可持續(xù)健康發(fā)展的必要保障。目前國內農(nóng)業(yè)農(nóng)村仍存在基礎差、底子薄、發(fā)展滯后的狀況，經(jīng)濟社會發(fā)展中最明顯的短板仍然在“三農(nóng)”，現(xiàn)代化建設中最薄弱的環(huán)節(jié)仍然是農(nóng)業(yè)農(nóng)村。5G作為當前最先進的通信技術，賦能千行百業(yè)，已成為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要基石。隨著5G通信技術的深入推進，5G為很多農(nóng)民和鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)提供了新的機會，為農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展注入新的活力。鶴壁是國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)、全國首批整體推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化示范基地，鶴壁市高度重視“5G+數(shù)字鄉(xiāng)村”建設，提高農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化水平，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展為目標，并將數(shù)字大田、數(shù)字村莊、數(shù)字園區(qū)

3、、數(shù)字政務、數(shù)字產(chǎn)業(yè)為重點，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)字經(jīng)濟，改變農(nóng)村面貌，助推鄉(xiāng)村全面振興。1、天空地一體化數(shù)字農(nóng)田綜合服務平臺天空地一體化數(shù)字農(nóng)田綜合服務平臺主要由大田物聯(lián)網(wǎng)綜合服務管理系統(tǒng)、天空地數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警服務系統(tǒng)、精細化節(jié)水灌溉預警預報系統(tǒng)、土壤旱情監(jiān)測評估系統(tǒng)和平臺后臺管理系統(tǒng)組成。平臺功能結構如下：圖1 天空地一體化數(shù)字農(nóng)田綜合服務平臺功能結構2、大田智能監(jiān)測系統(tǒng)設計2.1平臺概述大田智能監(jiān)測系統(tǒng)是集物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及邊緣計算等技術為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感器節(jié)點和無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提

4、供精準化種植、可視化管理、智能化決策。2.2功能設計（1）智能蟲情測報系統(tǒng)智能蟲情測報系統(tǒng)主要利用光、電、數(shù)控、無線傳輸以及邊緣計算等技術，構建出一套蟲害生態(tài)監(jiān)測及預警系統(tǒng)。集誘蟲殺蟲、數(shù)據(jù)收集、前端智能識別（蟲子種類和數(shù)量），并將分析數(shù)據(jù)實時上傳，對蟲害發(fā)生和發(fā)展進行分析預測，形成蟲情識別報告，專家?guī)旖o出防治建議，制定防控措施。（2）作物發(fā)育期識別系統(tǒng)系統(tǒng)采用基于深度學習、邊緣計算以及激光點云的場景識別技術，構建農(nóng)作物特征庫，能夠識別作物生長發(fā)育期、冠層高度、葉面積指數(shù)、覆蓋度等特征參數(shù)，實現(xiàn)對作物生長特征的自動連續(xù)觀測。3、大田VR全景巡檢服務平臺設計3.1平臺概述大田VR全景巡檢服務平臺

5、通過前端視頻監(jiān)控設備，實現(xiàn)各類農(nóng)業(yè)、環(huán)境全域全時段全覆蓋的視頻感知，通過5G邊緣計算以及邊緣AI產(chǎn)品，提供基于視頻能力的智慧管理，利用視頻能力邊緣側強大的AI算力，開展農(nóng)田作物長勢、病蟲草害、農(nóng)業(yè)氣象災害等的實時監(jiān)測、遠程診斷分析。3.2 功能設計（1）VR巡檢設備端通過攝像頭采集視頻圖像，現(xiàn)場工作人員佩戴AR眼鏡執(zhí)行現(xiàn)場農(nóng)田巡檢等工作。高清、低延時的第一人稱視角畫面使數(shù)據(jù)如附加在農(nóng)作物上面一般，促進現(xiàn)場人員高效協(xié)作完成大田巡檢。圖2 VR全景影像（2）實時監(jiān)測全景攝像機全天多時次拍攝全景高清圖像，相比視頻流更清晰，通過圖像可檢查作物發(fā)育和作物病蟲害情況，如遇到疑難問題，可以通過鏈接數(shù)據(jù)庫進行

6、數(shù)據(jù)遠程指導。4、大田智能水肥一體化服務系統(tǒng)設計4.1系統(tǒng)概述水肥一體化自動灌溉系統(tǒng)是建立在灌溉水利學基礎之上，根據(jù)農(nóng)作物的需水情況，對農(nóng)作物實施科學的智能的自動化灌水、施肥，幫助生產(chǎn)者實現(xiàn)自動的水肥一體化管理，達到節(jié)水、省肥、增產(chǎn)的目的。系統(tǒng)采用先進的傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術，幫助生產(chǎn)者實現(xiàn)水肥一體化管理，促進水肥耦合，提高水肥利用率，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。4.2系統(tǒng)組成（1）首部系統(tǒng)首部系統(tǒng)是水肥一體化系統(tǒng)中非常重要的組成部分，是整個系統(tǒng)的驅動、檢測和控制中樞，首部系統(tǒng)由首部監(jiān)測與控制子系統(tǒng)、過濾子系統(tǒng)、自動施肥子系統(tǒng)構成。（2）田間灌溉

7、系統(tǒng)田間灌溉系統(tǒng)由灌溉控制器、灌溉閥門（電磁閥、手動閥）、灌溉管網(wǎng)（主干管、支管以及滴灌管）組成，灌溉控制器接收總控器下發(fā)的閥門控制命令，執(zhí)行開啟或關閉電磁閥的操作，從而實現(xiàn)灌溉操作。（3）灌溉管網(wǎng)田間灌溉管網(wǎng)由輸水主管、輸水支管以及滴灌管或噴灌裝置組成，灌溉方式有噴灌、滴灌、微噴等。以滴灌方式為例，管網(wǎng)的設計示意圖如下：圖4 滴灌管網(wǎng)示意圖（4）智能水肥一體化云平臺水肥一體化自動灌溉系統(tǒng)是建立在灌溉水力學基礎之上，由水肥一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)相結合，根據(jù)作物需求、需肥規(guī)律和土壤養(yǎng)分、養(yǎng)分狀況、設置周期性水肥計劃實施輪灌。水肥一體化自動灌溉系統(tǒng)可接入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合應用管理平臺，通過平臺具

8、有環(huán)境數(shù)據(jù)采集和墑情監(jiān)測的功能。同時擁有權限的用戶，可以具備管理平臺，平臺運行、存儲及管理升級的權限。（5）手機APP用戶通過手機APP可以實時查看農(nóng)業(yè)氣象、土壤墑情數(shù)據(jù)及PH值，流量數(shù)據(jù)，進水壓力數(shù)據(jù)，電導率等灌溉相關數(shù)據(jù)，同時具備遠程控制、灌溉電磁閥、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)查詢及視頻查詢的功能。5、人機交互智能語音系統(tǒng)設計5.1系統(tǒng)概述智能接待機器人不僅可以完成迎賓接待的任務，還是一位優(yōu)秀的農(nóng)業(yè)氣象現(xiàn)場解說員，是農(nóng)業(yè)氣象試驗站的形象大使，更是一個很好的科學研究移動平臺。接待機器人是釆用擬人化設計，擁有視覺、觸覺、聽覺的個性化情感智能服務機器人。系統(tǒng)利用5G通訊技術，具有高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時

9、延等特點，可為農(nóng)業(yè)氣象試驗場提供擬人化的服務機器人場景交互解決方案。5.2系統(tǒng)內容（1）引導訪客參觀規(guī)劃參觀路線，盡可能走精品路線。機器人可以根據(jù)大廳展示場的情況繪制地圖，從而規(guī)劃出一條流程化的參觀路線，按照規(guī)劃好的路線帶領訪客參展。實現(xiàn)基于智能算法的機器人自主定位，并結合視覺信息和其他傳感器信息對定位結果進行校正，實現(xiàn)定位精度在20cm以內；利用激光、聲納等多種傳感器信息融合，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的地圖構建。（2）自定義問答將常用垂直領域類的知識保存到機器人的大腦里，可以實現(xiàn)專業(yè)知識語音問答、圖片呈現(xiàn)、視頻播放的功能。強大的語義分析和深度學習能力：利用深度學習算法將人類語言進行分析，精確地理解人類

10、語言的意圖，從而實現(xiàn)人類與機器人的無障礙交流。（3）迎賓、歡送智能機器人自動檢測到游客的到來，主動迎接參觀的觀眾并問好。當游客在智能機器人面前停留數(shù)秒后，機器人會主動熱情地伸出手與游客握手，同時會說：“xxx，見到您真高興！請問您有什么需要我?guī)兔Φ模俊碑斣L問結束，訪客離開1.5米的視線時，智能機器人會舉手然后擺手說：“歡迎下次再來?。?）自動喚醒當訪客最近機器人時，機器人自動感應并被喚醒，主動與客戶打招呼，并說出歡迎詞（5）人臉識別智能視覺系統(tǒng)架構：集成人臉識別、屬性識別、人臉追蹤、動作識別、手勢識別等綜合智能視覺系統(tǒng)架構，準確度高。（6）安全防護系統(tǒng)自動充電系統(tǒng)：電量即將耗盡時，規(guī)劃路徑并自

11、動充電防跌防撞保護：行走過程中自動檢測并識別障礙物緊急制停：可讓運動中的機器人立刻停止運動（7）定制升級SDK定制系統(tǒng)：滿足多環(huán)境應用。自主數(shù)據(jù)采集與平臺配置系統(tǒng)：通過對使用者交互行為進行數(shù)據(jù)采集，記錄與云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和管理，實現(xiàn)行為與信息匯總。二次開發(fā)：可通過機器人配置平臺實現(xiàn)機器人功能模塊的配置。結論：綜上，讓手機成為新農(nóng)具，數(shù)據(jù)成為新農(nóng)資，農(nóng)民成為新農(nóng)人，農(nóng)業(yè)成為令人羨慕的行業(yè)，這是時代發(fā)展的趨勢和農(nóng)民的新追求。未來鶴壁市將依托5G、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)移機人工智能等新一代信息技術，強化信息技術賦能與農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理深度融合，優(yōu)化農(nóng)業(yè)科技信息服務，推進農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉型，拓展鄉(xiāng)村經(jīng)濟新業(yè)態(tài)，盤活農(nóng)村產(chǎn)業(yè)資源，豐富