新兴技术推动智慧农业快速发展
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作者:张弛 刘春林 陆鹏宇 徐啸峰
推动智慧农业的发展，是实施促进乡村振兴的战略重要手段，也是推进“智慧城市”体系建设的重要内容
我国近年来越来越重视农民的权益和生活水平的提高，对发展先进农业的行业专项厂商给予大量经济和技术上的扶持，大力推动智慧农业行业应用的落地。特别是经历过四次工业革命的发展，目前的智能化已成为当今现代社会发展进步的主题。与此同时，5G、人工智能（AI）、大数据、无人机、边缘计算等新兴技术也积极涌现出来，为智能化社会的发展添砖加瓦。“智慧农业”是“智慧城市”建设体系中不可或缺的组成部分，将新兴技术应用于智慧农业，推动智慧农业的发展，一方面可以促进乡村振兴的战略实施，另一方面可以推进“智慧城市”体系的建设。
智慧农业业务发展方向
以水稻、小麦等农作物为主的种植业和以鸡、猪等畜禽为主的畜牧业，是构成我国的现代农业主体架构的两大部分。因此，智慧种植与智慧养殖就成为智慧农业的两大组成板块。
智慧种植。粮食作物如水稻、小麦在我国有数千年的种植历史。从原始的农耕社会开始，种植业从原始的“刀耕火种”发展到现如今成熟的规模化农机种植，我国的农业种植具有悠久的发展历史。随着温室大棚、规模化农场、农业园区的逐步发展，智慧种植也逐渐成为种植业的发展趋势。如智慧农场所包含的无人驾驶农机、无人机植保、农作物溯源等，智能温室的智能环境调控系统、智能喷滴灌系统、智慧决策等。在种植作物实现生命周期内的规模化、自动化作业，并在种植环境实现智能化、数字化的控制。
智慧养殖。养殖业同样在我国具有悠久的历史，从小规模的农户养殖到如今的规模化、集团化养殖场，我国的养殖业在近些年得到了长足的发展。随着大型养殖集团迅速发展、集团运营模式成熟，智慧养殖成为养殖业的必然趋势。智慧养殖主要包含三个方面的内容：一是对畜禽的生理疾病信息的智能监测预警，如体重、体温、采食量、咳嗽等信息的自动测量;二是对畜禽的行为的智能监测，如分娩、发情等行为的智能识别;三是精准饲喂设施、智能环境控制系统等。智慧养殖就是通过自动化、智能化、数字化等手段实现对畜禽生命周期的各项生理、行为、周围环境等信息的监测、预警与调控。
智慧农业的大数据应用场景
将大数据加入智慧农业可以为农业生产提供更为精准的指导，在大数据分析的引导下可以帮助农业生产提高种植业与养殖业的产量与效率，从而促进农业经济发展，提高农村经济收入。
智慧种植大数据。一个完整农作物的生命周期会形成作物高度、颜色、果实大小、土壤温湿度等大量数据。监测、收集、分析、挖掘这些数据，分析在生命周期不同阶段的作物表型，为不同生长阶段的作物提供更为精准的作业意见，如温室内的环境调控、对作物的喷滴灌、水肥自动施浇等，可以为农作物提供更好的生长环境。
智慧养殖大数据。畜禽在整个生命周期会产生体温、体重、采食量、饮水量、体尺、声音以及周围环境等大量数据。监测并深度挖掘这些数据彼此之间的联系，可为养殖提供预警、干预等指导信息。如通过大量数据探究大型牲畜体尺与体重的关系，就可以通过视频无接触测量体尺从而得到体重数据;通过挖掘畜禽整个生命周期的采食量数据，可以为后期养殖的喂食提供数据参考;通过挖掘畜禽的体温与环境数据之间的联系，可以实现异常体温报警;通过挖掘分析养殖场内畜禽体重与年龄数据，给畜禽生长状况进行评定。
将大数据应用于智慧农业，可以将作业人员的生产经验、作物和畜禽生产特点等信息以数据形式呈现，使得农业生产具有直观可靠的依据，从一定程度上避免了生产损失，提高了生产效益。
智慧农业的AI应用场景
顾名思义，人工智能就是在一定程度上可以代替人工。如果将人工智能技术应用于农业生产中，将会极大限度地解放劳动力，提高生产效率。在节省人工成本的同时还可以避免生产中因人为原因造成的疏忽、误差、错漏等。以下就以具体实例分析AI在农业生产中的应用。
母猪分娩监测。采用机器视觉的方式实现对母猪分娩的预警，主要通过网络摄像头俯拍产床上待产母猪，实时视频截图后经过基于YOLOv3的深层卷积神经网络识别，判断是否有仔猪出生。当识别会有仔猪出生后，可以通过现场发送报警信号给手机App或短信提醒饲养人员采取措施。这样可以避免饲养人员长时间在舍内等候实现解放劳动力，实现人力成本部分解放的目的。
鸡只咳嗽识别。采用音频识别技术来监测鸡只咳嗽声音，对鸡只的呼吸系统疾病进行预警。主要通过网络拾音器，以及基于机器学习方法构建鸡只咳嗽声识别算法。通过实践发现，肉鸡咳嗽算法模型能较好地检测肉鸡咳嗽，为肉鸡呼吸道疾病的早期自动预警提供技术支持。
智能环控系统。无论种植作物还是养殖畜禽都需要良好而又舒适的环境，因此高效可靠的环境控制系统尤为重要。在环境调控中，温度、湿度、风速等环境因素是相互耦合的，对某一环节因素进行调控也会对其他环境因素造成影响。畜禽舍的环境控制还要根据畜禽的体温，舍内如氨气、硫化氢等有害气体的含量，舍外的温度进行环境调控，尤其鸡舍需要在冬天保温与通风是对立的环境。
智慧农业的5G应用场景
5G具有高网速、低延时、海量连接等特点，这些特点将在智慧园区、未来农场等场景得到充分的应用。
无人驾驶农机。自动驾驶系统集中使用了全球定位系统（GNSS）、自动控制系统、智能控制系统、遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）等先进技术。通过对农机具加装自动驾驶系统，不仅可以使农机按照规定路线规划自动驾驶，还能实现精准对行作业。
车路协同系统。基于5G通信，在农场道路部署5G-V2X车路协同系统，实现农机、道路、人员与云端的全方位连接。在农机进行智能感知信息的共享与交换的同时，共享部分决策信息，使农机具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，最终实现农机具全天候无人驾驶与高度协同的农机作业。V2X路基设备还可以实现园区监控，环境测量、超视距障碍物感知、行人与动物闯入检测、极端天气（能见度低、道路结冰）检测与预警。
智能环控系统。在拥有大面积温室大棚的智慧园区中，需要大量环境感知节点的场景，5G的海量连接可以提供强有力的帮助。同时5G的低延时可以精准控制如风机、湿帘等环境控制机构，避免延时过长造成的过量工作。
养殖机器人。智慧养殖所使用的舍内巡检机器人、喂料机器人等养殖机器人，代替饲养人员进行作业也是未来发展的趋势。其中，机器人数据上传对实时性要求较高，而5G的低时延特性可以很好地解决这一难点。
在未来，海量的实时性要求较高的设备与器械广泛应用于智慧农场、智慧园区、智慧养殖场等场景中，5G则将成为必不可少的一环。
智慧农业中应用的其他新技术
将边缘计算应用于农业生产中可以减少服务器的压力，提高生产效率。如在母猪分娩监测中应用边缘计算，每头或者每两头待产母猪配置一个边缘计算节点，各个节点实时对数据进行分析处理。這样只需将分娩成功的结果上传至云端，可以避免大量视频图片数据全部上传至云端。同样的，在农业生产中，将边缘计算应用于类似场景，一方面可以减少带宽压力，另一方面可以减少服务器压力。
无人机现在已成为一项成熟的技术，无人机植保也正广泛应用于农业生产中。无人机植保具有雾化效果好、穿透力强、节省用药等特点。无人机还具备播撒系统，可均匀播撒种子、肥料等固态颗粒，最高流量高达每分钟15公斤，可极大地节约人力成本，并避免人工的播撒不均。此外，在无人机上搭载高光谱系统可对作物病虫害情况进行检测，便于农药喷洒进行精准作业。无人机还可以对草场草量分布情况、有毒害草种进行检测，在便于草场管理的基础上，进行合理放牧，避免草场沙化。
在数字化时代，智慧农业是我国农业发展的主旋律，在这个时代也涌现出众多新颖的技术。将大数据、人工智能、5G等技术应用于我国农业发展中，让各种技术各司其职，互相配合给我国农业带来重大的变革，最终实现乡村振兴的战略目标，促进我国农业经济的发展。但在我国加速推进智慧农业的过程中，我们不能忽视智慧农业仍面临着缺乏统一规划、核心技术短板制约、体系标准建设不够完善等问题。只有切实解决这些痛点、难点，才能保障我国智慧农业快速健康持续地发展。
（作者单位：中通服咨询设计研究院有限公司）
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