林果业不仅经济附加值高，而且地域特色优势明显，是大部分地区的重点产业，具有良好的发展前景[1]。果树从幼苗栽培到成树产出需多年精心培育，日常养护管理要求较高，且需精确到每棵果树，因此林果产业的人力和农资投入较高，亟需通过数字化方式实现降本增效[2]。
物联网（Internet of Things，IoT）通过传感器和无线通信，实现数据自动采集和传输，能够提高林果的种植管理效率。陆猛[3]研究提出了一种结合远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）模型和窄带物联网（Narrow Band IoT，NB-IoT）技术的果园监控系统，具有能耗低、响应快、通信距离远等优势，应用于林果产业有助于节省人力成本，提高经济效益。陈生学等[4]提出了一种结合ZigBee和5G技术的智慧果园监控系统，具有使用便捷、操作简单、运行成本低等优点。高群等[5]分析了现代化果园物联网技术应用现状，介绍了一种可满足果园物联网应用需求的服务系统和大数据平台。部分果园物联网建设受电源、功耗和成本限制，网络节点数量较少，组网需结合无线局域网和广域蜂窝网。
1 基于5G-A无源物联网的果园监测系统方案设计
该系统分为数据采集及发送、数据入网传输和数据计算处理3个部分，其中，数据采集及发送部分，在数据源端部署无源传感标签阵列采集果树生长环境和生长状态数据，通过反向散射通信将数据信号发送出去，经由无源传感标签汇聚节点进行中继放大后上传至5G-A基站。数据入网传输部分，通过5G-A接入网进入光传输网再传至核心网后，上传至云端计算中心，或经由传输网直接到达本地边缘计算数据中心。数据分析计算部分，通过数据中心的果树孪生模型和校正的WOFOST（World Food Studies）果树生长模型，该模型是农业科学领域广泛应用的作物生长模拟工具，主要用于分析作物生产潜力、评估气候变化影响及优化农业管理策略。基于该模型，对果树生长状态数据进行详细计算、分析和预测，实时形成反馈建议或预警并通知给果园管理人员，便于其及时采取相关措施精准施策，最终完成系统闭环。该系统完整结构如图1所示。
1.1 果园数据采集与发送
1.1.1 电能产生
1.1.2 反向散射通信
1.1.3 上行中继
1.2 mMTC网络切片
5G网络架构精简，网络功能丰富多样，无线接入侧和核心网侧都可云化为资源池，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）实现网络灵活编排，按需分配不同类型网络资源，即配置各类网络切片[13]，同时支持多种类型应用场景，实现网络资源高效利用。因此，该系统可设置专门用于支持果园物联网场景的mMTC切片，在对速率、带宽和时延指标要求不高的条件下，主要通过广泛连接大量无源传感器标签传输数据。
1.3 数据计算
边缘计算（EC）通过在数据源端部署轻量化算力节点，快速对现场采集的数据进行计算分析，形成实时响应，解决了云计算中心集中处理大规模数据量时间延迟大、网络负载重和网络带宽不足等问题[14]。在本系统中，将边缘计算节点部署在5G-A无线接入网侧，在本地局域网内对无源传感标签阵列采集的果树生长数据进行实时分析计算并作出反馈，为果农提供种植管理建议。在网络空闲时段，各边缘计算节点将本地果树数据及处理结果上传至云计算中心进行大数据分析。
1.4 基于校正WOFOST模型的果树生长数字孪生系统
2 应用分析
2.1 果树生长状态监测
在果园内部署5G-A无源传感标签阵列，可实时采集果树生长的土壤数据、环境数据以及气候数据；边缘计算中心接收数据后在本地进行快速处理和分析，并及时将相关种植管理建议或预警推送至用户终端；云计算中心收到各边缘计算节点的数据后，可进行跨区域和大尺度的果园生长数据分析，为地区用户提供进一步的种植管理决策支持。此外，5G-A无源物联的大连接能力可支持和每棵果树建立连接，本系统还可进行果树数量统计以及监测每棵果树的生长状态。
2.2 果树生长模拟与预测
本系统通过搭建基于校正WOFOST模型的果树生长数字孪生系统，使果树生长和环境的耦合效应动态可视化，终端用户能够自主进行果树的生长发育模拟、生长胁迫因素分析以及果实产量估算[16]，在掌握当前果树生长状态的同时准确研判果树未来的长势详情及相关问题，为果树各生长阶段的精准预测和科学规划提供了有效方法。
3 结语
相较于现有的果园物联网监测系统，本研究设计的5G-A无源物联方案具备不受电源限制，使用专用频段，组网简单，支持的连接数量大，数据传输和计算能力强，以及融合果树生长模型实现精准施策等优势。然而，在无源传感标签超低功耗计算和通信技术方面还需持续研究和改进，且系统部署应用成本有待市场验证，随着各项关键技术的逐渐成熟，系统功耗和成本问题可以得到解决。5G-A无源物联网技术标准在持续更新迭代中，其演进目标是实现超低功耗通信和千亿物联，对物联网进行全面升级，有望得到大规模应用。在此基础上，本研究提出的基于5G-A无源物联网的果树监测系统方案，为后续研究和实际应用提供参考。