武義更香有機(jī)數(shù)字茶園的基本配置與應(yīng)用

徐歡， 宣逸敏， 羅列萬

(1.浙江更香有機(jī)茶業(yè)開發(fā)有限公司，浙江 武義 321200； 2.浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院茶葉研究所，浙江 杭州 310058；3.浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 310020； 4.浙江農(nóng)藝師學(xué)院，浙江 杭州 310021)

傳統(tǒng)規(guī)模經(jīng)營(yíng)的茶園在種植和管理上需要投入大量的人力，難以對(duì)茶園進(jìn)行精準(zhǔn)化管理。目前，物聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，出現(xiàn)了智慧城市、智能電網(wǎng)等實(shí)踐與進(jìn)步，使農(nóng)業(yè)領(lǐng)域信息化、數(shù)字化、智能化水平的不斷提升以及茶園的數(shù)字化成為可能[1-2]。本文以武義更香有機(jī)數(shù)字茶園建立為例，簡(jiǎn)述數(shù)字茶園的基本配置與應(yīng)用，為各地?cái)?shù)字茶業(yè)發(fā)展提供參考。

1 數(shù)字茶園的發(fā)展現(xiàn)狀

在全省數(shù)字化改革不斷推進(jìn)的大背景下，浙江各地充分認(rèn)識(shí)到了傳統(tǒng)茶園數(shù)字化改造已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，并自2020年開始出現(xiàn)了多點(diǎn)推進(jìn)數(shù)字茶園試點(diǎn)的現(xiàn)象，也標(biāo)志著浙江茶業(yè)進(jìn)入了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的初始階段。隨著“十三五”以來計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息科技的快速發(fā)展，數(shù)字茶園開始在全國(guó)范圍內(nèi)遍地開花[3]。

張威勁等[4]公開了一套包括監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字茶園安全監(jiān)控平臺(tái)的專利。趙小娟等[5]研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別、多媒體、GIS等技術(shù)的茶樹病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。通過構(gòu)建病蟲害發(fā)生的環(huán)境氣候模型，對(duì)病蟲害發(fā)生進(jìn)行預(yù)警。該系統(tǒng)在英德市茶園進(jìn)行了試點(diǎn)，取得了理想的監(jiān)測(cè)和預(yù)警效果。

曲阜師范大學(xué)[6]開發(fā)了一套集成采集終端傳感器、系統(tǒng)微控制器、智能水肥藥一體機(jī)等集軟、硬件于一體的高標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代茶園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，開發(fā)了基于Spring Cloud的數(shù)字茶園云管理平臺(tái)，其中包含了視頻監(jiān)控平臺(tái)、茶樹生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)、水肥藥一體化調(diào)控平臺(tái)、茶樹生長(zhǎng)過程綜合管理平臺(tái)、茶葉質(zhì)量追溯平臺(tái)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有一定的可推廣性，能夠有效提高茶園的管理效率。

2 數(shù)字茶園的基本配置

本文實(shí)例選取2020年初設(shè)計(jì)、2021年3月建成的浙江首批數(shù)字茶園中的成功案例，以浙江更香有機(jī)茶業(yè)開發(fā)有限公司位于武義縣白姆鄉(xiāng)金坑腳的13 hm2數(shù)字茶園為例，通過綜合運(yùn)用地理信息、遙感、智能傳感、大數(shù)據(jù)建模分析等多種數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)茶園可視化監(jiān)控、環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警、茶園設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行和管理。

更香數(shù)字茶園主要包括四大模塊(圖1)。

一是長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與肥水管理模塊。綜合茶園長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)以及土壤肥水分析結(jié)果，分析得出茶園茶樹水肥養(yǎng)分狀況，生成茶園肥水管理調(diào)整方案，由茶園管理人員確認(rèn)后可調(diào)整種植管理日歷，并進(jìn)一步實(shí)施茶園肥水管理，控制肥水一體化設(shè)施自動(dòng)作業(yè)?；九渲玫脑O(shè)備為SFZD3-210A水肥一體機(jī)系統(tǒng)1套。

圖1 更香數(shù)字茶園網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二是采摘期測(cè)報(bào)及管理模塊。通過持續(xù)收集與茶園地塊采摘期相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)、生長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地塊地形，建立采摘期預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)模型驗(yàn)算結(jié)果給出種植管理建議?；九渲玫脑O(shè)備有：高空球機(jī)1個(gè)、普通球機(jī)1個(gè)、槍機(jī)1個(gè)。

三是病蟲害測(cè)報(bào)與植保管理模塊。結(jié)合病蟲害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)病蟲害發(fā)生的規(guī)模、程度及茶園歷史發(fā)生和防控情況合理設(shè)置閾值，并結(jié)合氣象信息建立病蟲害預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害自動(dòng)預(yù)警，并生成病蟲害防控決策、茶園植保管理建議?；九渲玫脑O(shè)備有：集農(nóng)業(yè)靶標(biāo)蟲害聲光精準(zhǔn)防控系統(tǒng)、智能驅(qū)鳥系統(tǒng)、智能免維護(hù)多光譜殺蟲燈為一體的蟲害精準(zhǔn)防控系統(tǒng)11臺(tái)套、茶小綠葉蟬蟲情測(cè)報(bào)裝置1臺(tái)。

四是霜凍害預(yù)警及管理模塊?；诓鑸@內(nèi)布設(shè)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)和高清數(shù)字圖像，結(jié)合地塊地形數(shù)據(jù)，建立茶園霜凍害預(yù)警模型，給出相應(yīng)的預(yù)警防控措施建議?；九渲玫脑O(shè)備有：茶園環(huán)境氣象數(shù)據(jù)采集器2套、古田牌防霜扇6臺(tái)。

同時(shí)，對(duì)建模范圍的茶園地理信息進(jìn)行數(shù)字化處理，通過利用高清衛(wèi)星圖或使用測(cè)繪無人機(jī)對(duì)建模茶園進(jìn)行高精度、高清晰的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理流程生成模型，能直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，在此基礎(chǔ)上疊加地塊、品種、設(shè)備等信息，形成茶園地理信息系統(tǒng)。更香公司茶園地理信息，經(jīng)大疆Phantom4 Advanced無人機(jī)、攜帶1英寸2 000萬像素CMOS相機(jī)航拍、Context Capture Master實(shí)景三維建模軟件、自研茶園地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)茶園三維模型及茶園信息的分析、處理、展示。為茶樹種植區(qū)域識(shí)別、統(tǒng)計(jì)、追溯，采摘期、霜凍、肥水，及產(chǎn)、質(zhì)量預(yù)測(cè)等提供基礎(chǔ)。

3 數(shù)字茶園的應(yīng)用與運(yùn)行

3.1 茶園綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

茶園相關(guān)數(shù)據(jù)的收集是數(shù)字茶園建設(shè)的基礎(chǔ)，主要通過視頻監(jiān)控設(shè)備和相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控采集模塊，構(gòu)建整個(gè)茶園綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)通過物聯(lián)技術(shù)將收集的信息和控制信號(hào)通過5G網(wǎng)絡(luò)和云主機(jī)的智慧平臺(tái)進(jìn)行相互通信。

3.1.1 視頻監(jiān)控設(shè)備

使用高空球機(jī)、球機(jī)和槍機(jī)進(jìn)行茶園區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)隨地查看茶園長(zhǎng)勢(shì)與生產(chǎn)管理。根據(jù)監(jiān)控設(shè)備的有效監(jiān)控距離進(jìn)行合理布局，做到遠(yuǎn)景各主要地塊全面覆蓋、有效監(jiān)控，近景可對(duì)不同位置、不同朝向、不同品種都能辨識(shí)。

3.1.2 茶園環(huán)境氣象數(shù)據(jù)采集器

通過設(shè)立在茶園氣象站中的氣象設(shè)備和布置在茶園各地塊的土壤溫濕度計(jì)，分別采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等氣象要素，以及土壤溫度、濕度、pH、電導(dǎo)率等土壤要素，通過5G通信方式，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊向云服務(wù)器進(jìn)行定時(shí)上傳，用戶可通過PC端或手機(jī)端登陸，隨時(shí)隨地查詢現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和圖像，時(shí)刻掌握茶園環(huán)境整體和局部情況(圖2)。

圖2 更香數(shù)字茶園系統(tǒng)長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與水肥管理分析界面

3.1.3 蟲情測(cè)報(bào)裝置

通過分析布置在茶園的茶小綠葉蟬蟲情和茶尺蠖性信息素計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，獲取茶小綠葉蟬和茶尺蠖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在茶小綠葉蟬或茶尺蠖的數(shù)量偏多超過防治閾值時(shí)，系統(tǒng)給出預(yù)警信號(hào)，指導(dǎo)茶農(nóng)農(nóng)事操作。

3.2 數(shù)字茶園管理平臺(tái)

管理平臺(tái)是數(shù)字茶園的大腦，具有3個(gè)層次的功能：一是代替“腳”的功能，將通過綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)收集的多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和可視化展示，管理人員可在辦公室通過平臺(tái)遠(yuǎn)程獲取茶園當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，了解茶園直觀情況；二是代替“腦”的功能，管理平臺(tái)能對(duì)各項(xiàng)參數(shù)自動(dòng)生成各類圖表，以供管理人員了解變化趨勢(shì)，并通過數(shù)據(jù)庫(kù)和模型設(shè)計(jì)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，計(jì)算出未來一段時(shí)間內(nèi)病蟲害、霜凍害發(fā)生的概率，并根據(jù)其嚴(yán)重程度發(fā)布不同級(jí)別的警報(bào)，提醒管理人員做好相應(yīng)的準(zhǔn)備；三是代替“手”的功能，管理平臺(tái)基于5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，連接下游各種茶園管理設(shè)備，將基于多源數(shù)據(jù)、圖表趨勢(shì)、預(yù)測(cè)預(yù)警形成的農(nóng)事方案，能通過遠(yuǎn)程開關(guān)控制、參數(shù)修改甚至實(shí)時(shí)控制來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理。

管理人員需要建立茶園種植管理日歷，記錄茶園歷年農(nóng)事活動(dòng)，制定未來農(nóng)事計(jì)劃，一是管理人員對(duì)農(nóng)事計(jì)劃的管理，管理人員結(jié)合往年農(nóng)事活動(dòng)記錄來制定當(dāng)年農(nóng)事計(jì)劃，可以合理安排茶農(nóng)，計(jì)算物料投入，預(yù)估作業(yè)成本；二是管理人員對(duì)農(nóng)事活動(dòng)的管理，管理人員通過PC端下發(fā)農(nóng)事計(jì)劃到各茶園負(fù)責(zé)人的手機(jī)APP端，茶園負(fù)責(zé)人按計(jì)劃安排農(nóng)事活動(dòng)，并將活動(dòng)關(guān)鍵信息和結(jié)果記錄在APP上并返回到數(shù)字茶園管理平臺(tái)上，管理人員通過終端即可實(shí)時(shí)預(yù)覽農(nóng)事結(jié)果并統(tǒng)計(jì)，也可根據(jù)記錄給予茶園負(fù)責(zé)人農(nóng)事操作指導(dǎo)建議。

3.3 數(shù)字茶園自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)

3.3.1 蟲害精準(zhǔn)防控系統(tǒng)

基地蟲害精準(zhǔn)防控系統(tǒng)主要由農(nóng)業(yè)靶標(biāo)蟲害聲光精準(zhǔn)防控系統(tǒng)和智能免維護(hù)多光譜殺蟲燈組成，智慧平臺(tái)可根據(jù)歷年數(shù)據(jù)對(duì)其模板防控日期和時(shí)段進(jìn)行修正，精準(zhǔn)防控有關(guān)蟲害。農(nóng)業(yè)靶標(biāo)蟲害聲光精準(zhǔn)防控系統(tǒng)主要通過聲控干擾害蟲相互聲音通訊和空間定位，阻斷交配和繁殖，并通過光控遠(yuǎn)程切換光譜頻率，根據(jù)蟲害光敏特性針對(duì)性殺滅成蟲。智能免維護(hù)多光譜殺蟲燈則采用多光譜分時(shí)控制，針對(duì)不同蟲害光敏特性開啟相應(yīng)光譜進(jìn)行精準(zhǔn)高效滅殺，具有光控、聲控、雨控和物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制功能，并具有移位跟蹤功能。

3.3.2 水肥一體化系統(tǒng)

水肥一體化系統(tǒng)利用管道灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水中，同時(shí)進(jìn)行灌溉和施肥。基地的水肥一體化系統(tǒng)嵌入DTU通信模塊接入數(shù)字茶園平臺(tái)，通過5G通信技術(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)灌溉情況，同時(shí)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，手機(jī)端可根據(jù)田間灌溉情況分區(qū)域開停灌溉。同時(shí)建立土壤檢測(cè)數(shù)據(jù)和水肥一體機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制，在土壤濕度和溫度達(dá)到平臺(tái)設(shè)定的數(shù)值后，在前臺(tái)發(fā)布土壤預(yù)警，同時(shí)檢測(cè)灌溉機(jī)中是否存在溶液，存在則遠(yuǎn)程開啟灌溉系統(tǒng)進(jìn)行滴灌操作。

3.3.3 防霜系統(tǒng)

防霜系統(tǒng)采用日本古田牌防霜扇，防霜原理在于破壞逆溫層，把氣溫高的上層空氣吹到下層，迫使下層冷空氣上升，從而造成近地層氣溫升高從而達(dá)到防霜的目的。通過嵌入DTU通信模塊將信號(hào)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)接入數(shù)字茶園平臺(tái)，當(dāng)天氣情況達(dá)到平臺(tái)預(yù)設(shè)的防霜預(yù)警值時(shí)進(jìn)行前臺(tái)頁(yè)面預(yù)警，同時(shí)自動(dòng)開啟防霜扇進(jìn)行除霜。

3.3.4 災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)利用茶園環(huán)境氣象數(shù)據(jù)采集器，通過5G通信方式將采集的環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊向云服務(wù)器進(jìn)行定時(shí)上傳。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，管理平臺(tái)將計(jì)算出未來一段時(shí)間內(nèi)病蟲害、霜凍害等發(fā)生的概率，并根據(jù)其嚴(yán)重程度發(fā)布不同級(jí)別的警報(bào)，及時(shí)通知管理人員做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。管理人員在災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的輔助下可以有效地做出防災(zāi)預(yù)案，減少損失。

3.3.5 農(nóng)事提示系統(tǒng)

農(nóng)事提示系統(tǒng)基于數(shù)字茶園管理平臺(tái)，由系統(tǒng)根據(jù)在線檢測(cè)信息自動(dòng)生成或由管理人員在PC端制定農(nóng)事計(jì)劃并發(fā)送到各茶園負(fù)責(zé)人的手機(jī)APP端，提醒茶園負(fù)責(zé)人按計(jì)劃安排施肥、灌溉、植保、修剪、采摘、除草、耕作等農(nóng)事活動(dòng)的數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，由茶園負(fù)責(zé)人將農(nóng)事活動(dòng)反饋記錄在APP上并返回?cái)?shù)據(jù)到管理平臺(tái)，管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，做出進(jìn)一步部署。農(nóng)事提示系統(tǒng)為茶園精準(zhǔn)化管理提供了一個(gè)集成農(nóng)事管理平臺(tái)，既連接了茶園負(fù)責(zé)人和管理人員，也提供了一個(gè)記錄和分析農(nóng)事活動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，極大地提高了茶園人力和農(nóng)事管理效率。

4 數(shù)字茶園的成效和展望

數(shù)字茶園是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器、3S、互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等綜合數(shù)字技術(shù)，在茶園生產(chǎn)、管理及農(nóng)事等各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、分析、預(yù)警和遠(yuǎn)程診斷、控制與精準(zhǔn)解決等數(shù)字化管理的全新生產(chǎn)模式，可有效提高茶園生態(tài)管理、提高茶葉質(zhì)量安全水平和茶產(chǎn)業(yè)化程度，有效精準(zhǔn)減少人為條件與自然災(zāi)害的影響，確保茶葉生產(chǎn)要素優(yōu)化配置、鮮葉產(chǎn)出高效優(yōu)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)茶園向現(xiàn)代茶園的轉(zhuǎn)變。更香數(shù)字茶園建成以來，已在自然災(zāi)害、病蟲害防控，以及采摘期預(yù)報(bào)、土壤墑情監(jiān)測(cè)、田頭農(nóng)事安排、投入品信息檔案管理等方面發(fā)揮了作用。其中，蟲害精準(zhǔn)防控系統(tǒng)的設(shè)置使得茶園2021年10月上半月的蟲口平均減退率達(dá)到了60%～90%，有效地減少了人工成本，提高了蟲害防治效率。

更香數(shù)字化茶園在下一步規(guī)劃中，將在兩方面進(jìn)一步推進(jìn)：一方面，將以不斷累積的茶園數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，形成因地制宜的茶樹種植數(shù)據(jù)字典，后續(xù)將與正在開發(fā)的茶葉產(chǎn)銷數(shù)字化系統(tǒng)相結(jié)合，形成從種植到加工、銷售一體化的數(shù)字追溯體系，構(gòu)建茶葉有機(jī)健康檔案，使客戶通過掃碼能查閱茶葉全流程記錄，使客戶買得放心，從而真正做到數(shù)字變現(xiàn)，大幅提升更香自身產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面，繼續(xù)對(duì)數(shù)字化茶園進(jìn)行升級(jí)，建立茶園知識(shí)庫(kù)，通過對(duì)茶園數(shù)據(jù)的積累與分析，進(jìn)一步挖掘茶園數(shù)據(jù)的作用，形成茶園的智能化管理，最終達(dá)到數(shù)智化茶園建設(shè)的要求。