杨 雷

（烟台市农业科学研究院，山东 烟台 264000）

传统农业装备尤其是大田机械的机械作业部分已发展得较为成熟。目前，农业装备的研发正向着小众化、细分化发展，但受到物理原理、材料技术等限制，研发速度较慢，进入“瓶颈期”。随着5G技术的发展和普及，人们看到了农业装备发展进化的一条新路。笔者经过前期大量的实地考察、学习研判，总结出了在5G技术发展大背景下农业装备发展的三大方向，希望有助于明确今后农业装备的科研方向。

1 技术背景

第五代移动通信技术已经覆盖到了全国绝大多数城市以及近50%的乡镇。我国5G网络建设规模始终保持全球领先，5G基站数量也占全球70%以上。5G技术拥有前几代通信技术无法比拟的优势，必将掀起万物互联、高效协同的新浪潮，目前已经在工业生产、自动驾驶、远程医疗等领域得到较为广泛的应用。2021年7月工业和信息化部、国家发展和改革委员会等十部门印发《5G应用“扬帆”行动计划（2021—2023年）》，旨在推进5G赋能千行百业，促进形成“需求牵引供给，供给创造需求”的高水平发展模式[1]。可以说，5G产业的发展是我国各类产业实现弯道超车的一个重要机会，必将在全社会、全行业迸发出更加强劲的力量。

5G技术最大的特点是高速率、大容量、低时延，理论传输速度可达20 Gbps，理论时延可低至1 ms，基本能够支持各类接口实现无线化、远程化升级。5G单基站覆盖范围较4G小很多，增加了部署成本，但也带来了设备容量高、冲突小等诸多优点，且国家正在积极部署具有覆盖广、穿透力强、组网成本低等特点的700 MHz频段5G网络，空旷区域广覆盖优势明显，将大大加速5G网络在农村地区的广泛覆盖[2]。4G、5G网络理论速度、每km2容量、理论时延的对比，分别如图1、图2、图3所示。

图1 4G、5G网络理论速度（Mbps）对比

图2 4G、5G网络每km2容量（个）对比

图3 4G、5G网络理论时延（ms）对比

受现有物理原理、材料技术等的制约，大部分农业装备尤其是大田机械已很难有重大突破。现有农业装备想要实现转型升级，势必要依靠新技术、新产业的发展[3]。5G技术的发展，已经在汽车、手机等领域造成了重大影响，为各行各业提供了极具优势的通信技术，正在深刻改变着传统的产业格局，成为当今世界产业升级的重要方向。5G网络作为整个经济社会发展的“新基建”，正在加速为广大农村地区提供优质、高效的“网络高速公路”，农民的生活方式、农业的发展方式都将受到其影响。同时5G技术也为农业装备的上下联通提供了高速度、大容量、低时延的通信网络。在时代大潮的影响下，农业装备也必将乘着5G技术的“东风”，实现新的突破。

2 5G时代农业装备特征

农业装备在5G通信技术的影响下，将充分发挥5G网络高速度、大容量、低时延的优势，向智能化、电气化、模块化方向发展。

2.1 智能化

为了推动农业现代化发展，各大高校、科研院所、农机企业已经根据基本国情和农业现状研制和推广了如控制器、传感器、采集器等大量的智能化设备[4]。但由于通信技术以及社会大环境的制约，这些设备基本采用了传统的LoRa、NFC、ZigBee等通信技术[5]，都或多或少地存在着时延高、精度低、流量小、无统一接口等问题，且大多数都是用于被动监测、统计农机工作状态，没有被充分、直接地用于控制作业，几乎无法起到改进生产方式和提高生产效率的作用。5G通信技术的发展，将实现各类数据接口以及信息传输的新突破，大大提高数据上传、下载速度，通过把传感器与作业机构、控制中心高效连接，可达到低时延闭环生产，从而突破传统农业生产控制与操作环节的空间限制，实现大数据调度、远程作业、人工智能生产等一系列目标[6-7]。

通信技术的更新为农业装备的发展特别是控制系统的发展开辟了一条崭新的道路。5G技术几乎可以承载任何大小、任何复杂程度的控制信号。未来，将实现控制中心对农业装备的集中监测、集中调度、集中控制，这就对控制系统的软硬件设计提出了新的挑战[8]。如何提高控制中心的软硬件水平，对大量不同类型的农业装备实现智能化调度、精准控制、高效分配，需要包括制造业、网络通信、云服务、软件开发在内的各行各业通力合作，这也是未来农业装备科研发展的一个重要方向[9]。

2.2 电气化

智能化的控制系统也对农业装备的生产执行方式提出了新的要求。从执行的角度来说，要实现智能化、自动化控制，传统的手动式、按钮式的控制方式就要被淘汰。大规模运用单片机、PLC、电磁继电器、电动控制阀、自动变速箱、步进电机等元件取代传统机械式的控制方法，既能降低生产过程中人工操作的难度，又便于控制系统替代人工控制生产[10]。从动力的角度来说，由于机械信号到电信号的转换较难且控制精度较低，传统使用油气能源的农业装备也会逐渐被淘汰。随着电池技术、充电技术以及电力基础设施建设的发展和完善，农业机械像汽车一样向新能源方向进化也是必然趋势。全面电气化后，数据控制中心才能实现对农业装备的全面管理、调度和控制。电气控制全面取代机械操作是农业装备发展进化的必要条件，也是必由之路，起到了承上启下的衔接作用。农业装备研发过程中应做到尽早筹划布局，升级控制方式，提高电气控制覆盖率，为接入智能控制系统提前做好硬件准备。

2.3 模块化

随着通信技术的发展和数据接口的更新，农业装备模块化发展已具备成熟的理论基础，只是缺少应用技术的积累以及大规模的市场认知。目前，农业装备市场已显现出了多功能、小批量、定制化、多样化的用户需求特征[11]，模块化的发展形式可以更好地实现这些需求目标，并且有利于节约成本、管控质量和提升效率[12]。以目前广泛使用的拖拉机挂载松、耕、种、收等器具的生产形式为例，虽然结构简单，操作门槛低，但很难实现智能化、信息化，且几乎只适用于大田作业，在果园等需要精细化作业的环境中工作效率较低。未来，传统的拖拉机将向网络化、智能化方向发展，或由各类多功能行走平台取代，衍生出标准的、统一的机械和数据接口；各类作业模块也将兼具机械和数据接口，可与基础行走平台实现标准化对接。农业机械将由能源模块、通信模块、控制模块、行走模块、执行模块等几大基础模块组成，并且可以高自由度地组合，实现一平台多用途。模块化能够实现的基础是数据接口、机械接口的发展和统一，需要各行业、各部门的协同设计，并制定和推广优质、高效的行业标准。

3 实例分析

以笔者团队正在研发的一款小型果园行走平台为例进行分析，果园行走平台功能模块如图4所示。该行走平台以轮式驱动的行走机构为主体，单片机主板搭载5G通信模块、控制模块、能源模块、视频模块、雷达模块等基础模块以及拓展数据接口、机械接口，后续可搭载植保模块、除草模块等功能性模块，实现远程或自动化果园打药、除草等功能。

图4 果园行走平台功能模块示意图

控制模块以STM32F103单片机为主体，通过外接5G工业模组、摄像头、雷达以及预留各类外设接口，组成平台的电路系统。行走机构为双电机轮式机构，由动力电机直接控制转向，具有结构简单可靠、转向半径小等优点，并且可以根据需求更换履带模块，兼容多种地形，适用于不同应用场景。此平台可通过标准化的接口挂载多种作业模块，为生产者降低研发和生产成本，为消费者减少重复购买动力机械数量，提高农机利用率，提高农业生产效率。

4 结论

5G不仅是一种新型通信技术，更是一种底层网络设施，是“新基建”战略的关键和基础，可以与各行各业深度融合，联通各个环节，实现生产的高度自动化、精准化[13]。农业装备与5G技术的融合发展，是农业装备发展进化的一条崭新道路，是一个系统性工程，需要多个学科、多个产业的配合协作，整合二、三产业最先进的技术并将其引入农业生产，促使农业装备向着智能化、电气化、模块化方向发展，实现农业生产的远程控制、自动调度、无人值守化管理，从根本上带动农业产业的转型升级。同时，将促进产业融合发展、解放发展生产力、改善劳动环境、提高劳动者收入、吸引技术人才服务“三农”，是实现农业农村现代化、实现乡村振兴的重要途径。