新型數字信息技術賦能農業(yè)機械的自動化

Christine P.Tan，黃為民，項鳳華，秦 冰

（1 福建師范大學 光電與信息工程學院，350007，福建福州；2 福建醫(yī)錦智能科技有限公司，361000，福建廈門；3 福建智云動能智慧科技有限公司，354200，福建南平）

全國鄉(xiāng)村已脫貧，筆者所在的科技特派團隊響應鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，逐步解決農村的信息化問題，已研發(fā)出通用的智慧農業(yè)產品，讓農戶“簡單用、懂得用、用得起”新型數字信息技術，加強農業(yè)管理和提升農業(yè)生產率。目前所研發(fā)的智慧農業(yè)產品已經在福建省南平市20 多個智慧農業(yè)示范點落地，其中兩個農業(yè)案例通過應用智慧農業(yè)產品實現農業(yè)機械的自動化，從而達到平均增收30%和提高生產率70%。

1 鄉(xiāng)村振興的重要發(fā)展方向

2021 年是“十四五”規(guī)劃的開局之年，“數字中國”是國家信息化發(fā)展的重要戰(zhàn)略。2020 年我國實現鄉(xiāng)村全面脫貧之后，為保障鄉(xiāng)村良好的發(fā)展、防止返貧，各地著重治理農村的人居環(huán)境，促進提高農業(yè)種植生產率，鼓勵農業(yè)生態(tài)綠色發(fā)展，從而提高村民的生活和經濟水平。提升鄉(xiāng)村的信息化水平，跟緊國家數字發(fā)展的步伐，打造新時代中國特色社會主義的新一代數字農村，以科技帶動農村數字經濟發(fā)展，促進農村產業(yè)數字化、治理數字化和數據價值化，升級原有的農業(yè)管理模式，是實現興邦富民的重要途徑。新型數字信息技術如5G、物聯網、人工智能、大數據、區(qū)塊鏈等正帶動農村經濟的發(fā)展，同時也為數字農村的基礎建設建立健全長效機制和標準規(guī)范。為實現科技振興鄉(xiāng)村，筆者所在的省級科技特派員團隊在福建省南平市進行研究，研發(fā)了2 款通用的智慧農業(yè)產品，在超過20 個農業(yè)相關的科技特派示范點落地，到農場為農民點對點進行實操培訓，降低使用數字信息技術的門檻，其中涉及的農業(yè)產業(yè)及行業(yè)包括果蔬、食用菌、漁場、畜牧場、茶園、茶廠，從建立特色的農業(yè)產業(yè)到推廣“一村一品”特色農產品，使用數字信息技術解決農業(yè)管理、種植、養(yǎng)殖、生產全過程中的溯源及生產效率提升等問題。通過這一批智慧農業(yè)案例的實際應用，不僅提升農戶的專業(yè)知識和技術水平，也為農戶減低人力成本、提高生產率，已逐步形成一種可復制、標準化的“科技振興鄉(xiāng)村”模式，可推廣到全省乃至全國。

2 助力農業(yè)機械自動化的智慧農業(yè)產品

智慧農業(yè)泛指使用物聯網技術將農場的設備（傳感器、機械設備等）連接到農場管理云平臺，以無線通信（4G、5G、NB-IoT、LoRaWAN）或有線通信（以太網、RS485）方式傳輸農場的環(huán)境數據。農業(yè)設備一旦連接到云平臺，農戶便能通過手機APP、小程序或者平板電腦的界面，對設備進行遠程的權限管理、控制、問題診斷等。同時，農場或農業(yè)加工廠的數據一旦采集并且被存儲到云平臺，農戶也能使用云平臺進行大數據分析和人工智能算法建模，優(yōu)化農作物種植生長的環(huán)境，實現農業(yè)機械的自動化，提高農業(yè)生產效率。

2.1 物聯網通用云控制器

傳統(tǒng)農業(yè)設備如何接入物聯網云平臺是傳統(tǒng)農業(yè)轉型到智慧農業(yè)的一大技術瓶頸。此外，一般農場或農業(yè)加工廠有諸多不同品牌的異構農業(yè)機械設備，傳統(tǒng)農業(yè)設備也沒有任何對接外界的物理接口或通信協(xié)議。為解決這個技術問題，借鑒工業(yè)互聯網的PLC 頂層設計和控制原理，獨立研發(fā)一款適用于不同農業(yè)場景的物聯網通用云控制器，從軟件和硬件雙管齊下，支持傳統(tǒng)農業(yè)機械的智能化改造，以及支持農業(yè)設備多元化通信協(xié)議的兼容性，實際應用場景下的技術優(yōu)勢顯著。這款物聯網通用云控制器不僅實現了傳統(tǒng)農業(yè)機械設備的升級改造，也使海量異構農業(yè)設備連接到智慧農業(yè)云平臺，同時可支持5G 無線連接，同步實現低延時、廣連接、高帶寬的遠程管理，以及城市里的農業(yè)專家與農戶的咨詢互動。此外，物聯網通用云控制可實現本地邊緣計算、本地控制指令執(zhí)行、農業(yè)設備狀態(tài)實時查詢。針對較大面積的農場或農業(yè)加工廠，一個控制器可拓展到70 電回路，進行低成本的海量農業(yè)機械設備管理。

2.2 農業(yè)農村物聯網公共使能平臺

在落地到不同農業(yè)場景時，在征求了農戶的需求后，研發(fā)了一款農業(yè)農村物聯網公共使能平臺，具有較強的開放性和功能拓展性，于2021 年入選全國農業(yè)農村部信息中心的數字農業(yè)農村新技術新產品新模式優(yōu)秀項目，是福建省入選的三個項目之一。這個云平臺的信息架構中功能模塊豐富，支持數據來源采集、數據匯集、平臺數據層、微服務算法、用戶查看監(jiān)控、實際應用和業(yè)務應用服務等。另外，平臺的“SmartC 數據協(xié)議”開放，不僅兼容各種農業(yè)機械設備，同時已支持與第三方平臺對接，如農產品電商平臺（南平市“武夷山水”平臺）、農產品溯源平臺（國家信息中心BSN 區(qū)塊鏈平臺）等，為農業(yè)農村物聯網公共使能平臺的全面推廣打下良好基礎。

3 農業(yè)機械自動化案例

農村的短板之一是信息化薄弱，為加快科技振興鄉(xiāng)村，實現農場和農業(yè)加工廠的生產加工自動化是重要的一步?？傮w來說，在其他產業(yè)領域，自動化生產加工已逐漸成形，為用戶帶來運營便利、加工的生產率提升、生產的產品質量得到保障等好處。當前許多鄉(xiāng)村圍繞“一村一品”，發(fā)展特色農產品，建設綠色生態(tài)，打通農產品的上下游產業(yè)鏈。通過科技特派計劃，筆者所在的科技特派團隊已落地多個智慧農業(yè)項目，為農民提供專業(yè)培訓和實操指導，提供農產品的全程溯源，對農產品從田間種植到生產上市進行監(jiān)控，保障農產品的安全和質量。

3.1 數字茶工廠

茶業(yè)是福建省具有較高經濟價值的特色產業(yè)，全年茶葉生產總產量達45 萬多t，居全國第一位。近年圍繞“綠色發(fā)展、質量興茶”目標，茶葉種植、生產加工、銷售等各環(huán)節(jié)也逐漸轉型升級，引入信息化、自動化、物聯網技術。針對高附加值的地理標志產品——武夷巖茶，在武夷山燕子窠茶園和首席茶葉加工廠，布局物聯網通用云控制器和數字茶工廠云平臺，實現武夷巖茶全程溯源，從茶葉種植、采摘到生產、銷售，做好防偽，提升消費者信任度。

在茶葉種植、生產過程中對環(huán)境數據進行匯集，經過長期數據匯集形成大數據庫之后，可進行數據分析和建模。農業(yè)大數據可助力精準農業(yè)，如收集茶園的土壤pH、溫濕度、氮磷鉀鋅鎂含量、環(huán)境光照和二氧化碳濃度等信息，優(yōu)化茶樹的種植生長條件，科學提升茶葉的質量。

在茶葉采摘季節(jié)，茶廠需要在一個短時間窗口內（茶葉新鮮時）完成搖青，這對人力、體力、集中力及安全是一個挑戰(zhàn)。制茶師傅使用數字茶廠小程序，一個人能同時控制20 只搖青桶，比起傳統(tǒng)方式減少5 人，生產效率提升了70%。除了搖青，數字茶工廠也實現了揉捏、殺青環(huán)節(jié)的自動化控制，制茶師傅從重復、高危險的工作中解放出來，同時讓制茶傳承人更專心提升茶工藝和茶葉口感。信息技術結合物聯網、機械自動化，幫助茶廠的一線操作人員更有效率、更快速、更安全地對生產加工進行監(jiān)控。目前這套數字茶工廠系統(tǒng)已經為武夷山的八家?guī)r茶廠保駕護航。在未來，茶廠的生產加工數據可結合區(qū)塊鏈作為征信數據，用作茶廠向銀行貸款的支撐依據，開啟更多鄉(xiāng)村振興創(chuàng)新模式。

3.2 智慧漁場

在邵武市山塘生態(tài)養(yǎng)殖示范點落地智慧漁場，改造了傳統(tǒng)機械設備（投食機、氧氣泵、投石灰機），應用了物聯網通用云控制器和云平臺，為農民實現了對漁場的遠程控制。農民可以參考漁場的歷史數據，自定義水質指標，通過環(huán)境傳感器和漁場機械設備的閉環(huán)運行，保持漁場的水質在良好水平。例如，漁場中的溶氧傳感器實時監(jiān)控水質，比對農戶設置的指標，一旦檢測到水中溶氧量低，便會自動啟動機械氧氣泵為魚塘增氧；達到農戶定義的含氧量指標后，機械氧氣泵自動收到指令就會關閉。在大面積的漁場中，日常的作業(yè)如喂魚、水質保養(yǎng)等都能通過智慧漁場實現自動化，降低人力成本，所服務的漁場已實現平均增收30%。

4 結語

農村的數字信息化對于中國農村的轉型升級和其未來的綠色生態(tài)發(fā)展有催化作用。本文研究使用新型數字信息技術，開發(fā)及落地一個開放、可擴展性強的智慧農業(yè)平臺，對傳統(tǒng)農場和農業(yè)加工廠進行農業(yè)機械的自動化升級改造，提升農業(yè)生產效率，降低人力成本，培育新一代農民。這個科技振興鄉(xiāng)村的新模式，有利于農村數字經濟的可持續(xù)發(fā)展。