廣電5G+智慧農(nóng)村建設(shè)實(shí)踐

（本文作者：江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司蘇州分公司 趙明 ）

智慧農(nóng)業(yè)是高度技術(shù)密集的新興產(chǎn)業(yè)，江蘇有線蘇州分公司深入研究智慧農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村治理需求，將5G技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)；同時，采用5G技術(shù)對公司成熟的視頻監(jiān)控和應(yīng)急廣播業(yè)務(wù)進(jìn)行重構(gòu)，應(yīng)用于智慧鄉(xiāng)村治理，提出了一種低成本的廣電5G+智慧農(nóng)村整體解決方案。

1 廣電5G+智慧農(nóng)村建設(shè)方案

該方案包含智慧農(nóng)業(yè)和智慧鄉(xiāng)村治理兩個系統(tǒng)平臺。

1.1廣電5G+智慧農(nóng)業(yè)

廣電5G網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力強(qiáng)，覆蓋范圍廣，利用其進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，能大大節(jié)省光纜布放成本，縮短施工周期。同時，借助其高帶寬的特點(diǎn)，廣電5G網(wǎng)絡(luò)既能滿足傳感數(shù)據(jù)等小帶寬業(yè)務(wù)傳輸，也能支持視頻監(jiān)控等大帶寬業(yè)務(wù)傳輸。將5G應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸，是智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)的理想方案。但目前5G網(wǎng)絡(luò)切片功能還不成熟，且5G模組成本較傳統(tǒng)的WiFi、LoRa和ZigBee模組成本高，使用5G網(wǎng)絡(luò)直接替代傳感器網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)效益低。因此，綜合考慮實(shí)施成本、覆蓋距離、傳輸帶寬和功耗等關(guān)鍵要素后，我們決定采用5G+LoRa（WiFi）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸。

蘇州廣電5G+智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 蘇州廣電5G+智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)圖架

感知層主要包括LoRa傳感器網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)。LoRa傳感器網(wǎng)絡(luò)，適用于低帶寬數(shù)據(jù)的傳輸，主要用于農(nóng)田數(shù)據(jù)采集和控制信息下發(fā)。LoRa傳感器網(wǎng)絡(luò)包含傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能較大的節(jié)省功耗，延長傳感器節(jié)點(diǎn)的電池壽命，減少維護(hù)成本；同時，還能縮短數(shù)據(jù)傳輸時延，提高數(shù)據(jù)采集的及時性。傳感器節(jié)點(diǎn)部署不同類型的傳感器，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳、土壤熵值、土壤濕度等傳感器。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)部署有LoRa集中器和5G CPE設(shè)備，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的上傳和控制信息的下發(fā)，同時借助5G網(wǎng)絡(luò)將感知層采集數(shù)據(jù)回傳到應(yīng)用層，并將應(yīng)用層下發(fā)的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)。WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫室大棚安防監(jiān)控、溫感視頻拍攝、病蟲害視頻監(jiān)控等大帶寬數(shù)據(jù)采集和傳輸。WiFi網(wǎng)絡(luò)包括采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)部署視頻攝像頭、紅外攝像頭等高帶寬數(shù)據(jù)采集設(shè)備，和WiFi模塊，負(fù)責(zé)采集普通視頻和紅外視頻信息，并與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，執(zhí)行網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的各種指令。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時部署WiFi AP和5G CPE模塊，完成數(shù)據(jù)中傳的功能，借助5G網(wǎng)絡(luò)將前端采集數(shù)據(jù)回傳到應(yīng)用層，同時將應(yīng)用層的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給采集節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)感知層數(shù)據(jù)的上傳和應(yīng)用層信息的下發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層采用廣電5G網(wǎng)絡(luò)，借助其廣覆蓋的特點(diǎn)，能支持大量感知層網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的接入，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田廣覆蓋，能大幅減少光纜的布放。同時，借助其大帶寬的特點(diǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)除了支持農(nóng)田環(huán)境參數(shù)等小帶寬數(shù)據(jù)的回傳外，還能支持視頻等大帶寬業(yè)務(wù)的回傳。

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)農(nóng)田數(shù)據(jù)的管理和分析。應(yīng)用層利用公司已有的行業(yè)云平臺部署智慧農(nóng)業(yè)管理平臺。該平臺負(fù)責(zé)感知層網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)的管理，并實(shí)時收集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)（包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度，土壤濕度、熵值等）和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提供信息查詢和呈現(xiàn)功能，為農(nóng)業(yè)科學(xué)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，該平臺結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別技術(shù)智能識別作物的生長狀況，發(fā)現(xiàn)干旱缺水、缺少營養(yǎng)元素或病蟲害等現(xiàn)象，及時在管理平臺上預(yù)警，并通過APP客戶端或短信方式將預(yù)警信息和處理建議，推送至管理人員和相關(guān)農(nóng)戶，實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植。

1.2廣電5G+智慧鄉(xiāng)村治理

廣電5G+智慧鄉(xiāng)村治理系統(tǒng)包含平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)視頻監(jiān)控、應(yīng)急廣播和農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測三個子系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 蘇州廣電5G+智慧鄉(xiāng)村治理系統(tǒng)架構(gòu)圖

平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基于網(wǎng)格化管理，結(jié)合公司已有的視頻監(jiān)控云平臺，實(shí)現(xiàn)對鄉(xiāng)村全方位安全監(jiān)控；同時提供信息上報(bào)功能，為村民提供自助自救的有效工具。應(yīng)急廣播系統(tǒng)，依托有線電視網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和5G網(wǎng)絡(luò)，建立區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村三級“應(yīng)急廣播”平臺，通過與蘇州市應(yīng)急廣播調(diào)度平臺對接，同時滿足區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和行政村的地域性應(yīng)急信息發(fā)布和應(yīng)急指揮需求，實(shí)現(xiàn)全天候、全方位、全時段的預(yù)警信息發(fā)布。農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村空氣、水源、土壤、生活垃圾、廁所糞污、生活污水等信息的實(shí)時監(jiān)測，分析各片區(qū)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境改善情況，及時預(yù)警生態(tài)破壞事件。

1.2.1 平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)視頻監(jiān)控

平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為業(yè)務(wù)接入層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺層。

業(yè)務(wù)接入層主要負(fù)責(zé)視頻信息的采集和傳送，包括接入節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。接入節(jié)點(diǎn)部署智能攝像頭和WiFi通信模塊，負(fù)責(zé)采集相關(guān)視頻數(shù)據(jù)，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時通過WiFi網(wǎng)關(guān)接收相關(guān)指令信息。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時部署有WiFi AP和5G CPE模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)傳輸，將接入節(jié)點(diǎn)采集的信息轉(zhuǎn)發(fā)給平臺層，同時將平臺層下發(fā)的命令轉(zhuǎn)發(fā)給接入層。

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)視頻終端與管理平臺和存儲系統(tǒng)的互聯(lián)。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)層一般采用IP數(shù)據(jù)專線或EPON網(wǎng)承載，都需要布放光纖至視頻終端設(shè)備，建設(shè)成本高。該方案中，我們采用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各終端節(jié)點(diǎn)的無線匯聚，通過IP城域網(wǎng)將5G網(wǎng)絡(luò)與云平臺互聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視頻終端與管理平臺之間的信息交互，大大節(jié)省了光纜部署成本，縮短了建設(shè)周期，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

平臺層分為管理平臺和存儲系統(tǒng)。管理平臺包括資源配置子系統(tǒng)、視頻應(yīng)用子系統(tǒng)和運(yùn)維管理子系統(tǒng)?；A(chǔ)配置子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)視頻資源管理、告警業(yè)務(wù)配置、錄像業(yè)務(wù)配置、級聯(lián)管理、系統(tǒng)參數(shù)配置、操作日志管理等。視頻應(yīng)用子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)資源導(dǎo)航、視頻監(jiān)控、視頻預(yù)案輪巡、云鏡控制、錄像回放、電視墻管理、網(wǎng)絡(luò)對講、智能應(yīng)用（客流量統(tǒng)計(jì)等）、視頻文件應(yīng)用、報(bào)警主機(jī)控制、操作日志、信息公告、幫助系統(tǒng)等功能。運(yùn)維管理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)配置管理、資源監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、告警分析等功能。存儲系統(tǒng)利用蘇州行業(yè)云平臺云存儲系統(tǒng)，采用分布式數(shù)據(jù)塊存儲技術(shù)，采用數(shù)據(jù)路徑與控制路徑分離的非對稱分布式架構(gòu)，結(jié)合負(fù)載均衡與并發(fā)訪問策略，實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一命名空間下提供PB級存儲容量及超高聚合帶寬，同時具備高可用、靈活擴(kuò)展、易管理、易使用等特點(diǎn)。

1.2.2 應(yīng)急廣播建設(shè)方案

應(yīng)急廣播系統(tǒng)分為業(yè)務(wù)接入層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺層。

業(yè)務(wù)接入層負(fù)責(zé)應(yīng)急廣播信息的接收、發(fā)布和響應(yīng)，包括終端設(shè)備和5G通信模塊。終端設(shè)備的主要類型有音柱、廣播控制臺、監(jiān)聽音箱和有線電視終端。音柱配置5G CPE模塊，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與區(qū)、鎮(zhèn)、村級播控平臺的互聯(lián)，負(fù)責(zé)接收并播放區(qū)、鎮(zhèn)、村級播控平臺的應(yīng)急廣播信息。有線電視終端通過有線電視網(wǎng)絡(luò)與區(qū)、鎮(zhèn)、村級播控平臺互聯(lián)，負(fù)責(zé)區(qū)、鎮(zhèn)、村級播控平臺的應(yīng)急信息的接收和播放。廣播控制臺和監(jiān)聽音箱部署在村級播控中心，通過5G CPE與本村音柱和區(qū)、鎮(zhèn)、村級應(yīng)急播控平臺互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)村級信息發(fā)布和監(jiān)控信息回傳。

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)應(yīng)急廣播終端的數(shù)據(jù)回傳，和區(qū)、鎮(zhèn)、村應(yīng)急廣播平臺音頻流的下發(fā)。傳統(tǒng)應(yīng)急廣播的傳輸網(wǎng)絡(luò)層一般采用IP數(shù)據(jù)專線或EPON網(wǎng)承載，都需要布放光纖至應(yīng)急廣播終端設(shè)備，建設(shè)成本高。該方案中采用廣電5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣播業(yè)務(wù)的承載，在應(yīng)急廣播終端側(cè)配置5G CPE設(shè)備即能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳和業(yè)務(wù)下發(fā)，能充分利用5G高帶寬、低時延和廣連接的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大范圍多個應(yīng)急廣播終端的接入，大大節(jié)省了光纜布放成本，縮短了施工周期。

平臺層主要負(fù)責(zé)資源管理、廣播管控、監(jiān)管監(jiān)測和系統(tǒng)管理。資源管理模塊主要負(fù)責(zé)媒體資源庫管理、終端管理、控制臺和區(qū)域信息管理等。廣播管控模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時廣播、定時廣播、廣播回放等管理控制。監(jiān)管監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控設(shè)備在線狀態(tài)和監(jiān)管下發(fā)的文字和視頻信息。系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)用戶管理、系統(tǒng)日志管理、頁面管理和運(yùn)維數(shù)據(jù)管理。

1.2.3 農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測子模塊分為業(yè)務(wù)接入層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺層。

業(yè)務(wù)接入層采用LoRa 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包含LoRa感知節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，感知節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集空氣、濕度、光照度等信息，并上報(bào)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時接收平臺層下發(fā)的相關(guān)控制信息。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時部署LoRa和5G CPE模塊，從感知節(jié)點(diǎn)接收采集信息，并通過5G網(wǎng)絡(luò)將采集信息轉(zhuǎn)發(fā)給平臺層。

網(wǎng)絡(luò)層采用廣電5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的回傳，和廣播信息的下發(fā)。

平臺層在云平臺上部署5G+智慧鄉(xiāng)村治理管理平臺，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)將相關(guān)環(huán)境信息采集入庫，同時通過大屏設(shè)備或APP呈現(xiàn)相關(guān)信息，出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境惡化的情況，能及時預(yù)警，并采取相應(yīng)措施。

2項(xiàng)目實(shí)施效果

傳統(tǒng)的智慧農(nóng)田、視頻監(jiān)控和應(yīng)急廣播業(yè)務(wù)主要采用有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，需要大量布放光纜，工程周期長，施工成本高。該方案采用廣電5G網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，充分利用其高帶寬、低時延和廣連接的特點(diǎn)，低成本實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和控制指令等傳輸，在保證傳輸性能的同時，節(jié)省了約80%的光纜布放，同時大大縮短了施工周期，節(jié)省了施工費(fèi)用。

3 結(jié)束語

將廣電5G應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)，利用廣電5G 700M網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延、廣連接的特點(diǎn)，采用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸，能較大的節(jié)省光纜布放成本，縮減施工周期，實(shí)現(xiàn)降本增效。同時，廣電公司利用5G技術(shù)對應(yīng)急廣播和視頻監(jiān)控等傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)業(yè)務(wù)進(jìn)行重構(gòu)，并與智慧農(nóng)村業(yè)務(wù)相結(jié)合，能提供低成本的智慧農(nóng)業(yè)和智慧鄉(xiāng)鎮(zhèn)治理整體建設(shè)方案，搶占智慧農(nóng)村行業(yè)高地。