NB-IoT技術(shù)在智慧茶園中的應(yīng)用

李兆雄，張朝陽，劉暉，俞成然

福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，福建 福州 350003

2020 年7 月，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation partnership project，3GPP）技術(shù)正式被國際電信聯(lián)盟（ITU）接受為IMT-2020 5G 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBand Internet of Things，NBIoT），由中國產(chǎn)業(yè)鏈主導(dǎo)，獲得了全球產(chǎn)業(yè)鏈的廣泛認(rèn)可和支持，成為5G 建設(shè)的重要組成部分。自誕生之初，NB-IoT 便定位于物與物之間的連接，并在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在過去兩年的防疫抗疫工作中，包括火神山醫(yī)院在內(nèi)的許多地方，在安防系統(tǒng)和醫(yī)療物資管理等方面都采用了NBIoT 技術(shù)。近年來，隨著技術(shù)的不斷提升和優(yōu)化，NB-IoT 甚至改變了一些行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營模式，成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。

茶葉是我國重要的特色農(nóng)產(chǎn)品之一，也是我國重要的出口商品之一，具有悠久的歷史和豐富的文化內(nèi)涵[1]。隨著消費升級和市場需求的變化，茶產(chǎn)業(yè)也在不斷進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在茶產(chǎn)業(yè)中具有巨大的應(yīng)用潛力，可以幫助茶農(nóng)實現(xiàn)智能化管理，促進現(xiàn)代茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。NB-IoT 正式成為5G 標(biāo)準(zhǔn)后，在全球市場得到快速規(guī)?；瘧?yīng)用，逐漸擴展到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。本文旨在探討NB-IoT 技術(shù)在智慧茶園中的應(yīng)用，為茶產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供借鑒和思路。

1 NB-IoT的技術(shù)特點

NB-IoT 技術(shù)是一種新型的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是3GPP制定的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一。NB-IoT技術(shù)采用窄帶調(diào)制方式，可以在較低的功率和帶寬下實現(xiàn)廣域覆蓋，適用于大規(guī)模低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景[3]。與其他蜂窩技術(shù)（如2G、3G和4G）相比，NB-IoT技術(shù)具有多方面優(yōu)勢。

1.1 低功耗

NB-IoT 協(xié)議中，設(shè)計了省電模式（PSM）和擴展不連續(xù)接收（eDRX）模式，在這兩種模式下，使用NB-IoT 技術(shù)的終端可以在極低功耗下工作，這種設(shè)計延長了設(shè)備的電池壽命，降低設(shè)備的維護成本。

1.2 廣域覆蓋

NB-IoT 技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)為蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署在現(xiàn)有的全球移動通訊系統(tǒng)（GSM）、通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）和LTE 網(wǎng)絡(luò)上。支持M2M體系下海量連接，在同樣帶寬條件下，NB-IoT技術(shù)提供可靠的覆蓋增強[4]，相比GSM增益提升20 dB，特別適用于網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)。

1.3 低成本

NB-IoT技術(shù)采用窄帶技術(shù)，低帶寬、低速率、低功耗帶來低成本的優(yōu)勢，使用較低成本實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接，降低物聯(lián)網(wǎng)的部署和運營成本。

當(dāng)前，低功耗廣域接入技術(shù)根據(jù)其使用頻段和實現(xiàn)方式的不同，可以分為兩大技術(shù)派系。其中一個派系，使用授權(quán)頻段的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如NB-IoT、增強機器類通信（eMTC）等技術(shù)；另一個派系，則是使用非授權(quán)頻段，例如遠(yuǎn)距離無線電（LoRa）、Ingenu、Sigfox 等窄帶技術(shù)。在這兩個技術(shù)派系中，使用授權(quán)頻段的NB-IoT 和使用非授權(quán)頻段LoRa 最具代表性。表1 列出了NB-IoT和LoRa的參數(shù)指標(biāo)，以對其技術(shù)特性進行對比[5]。

表1 NB-IoT和LoRa技術(shù)參數(shù)對比

NB-IoT 技術(shù)使用授權(quán)頻段，頻段已獲得牌照，避免非授權(quán)頻段的干擾，頻譜安全性更高。此外，有研究表明，在隨機接入信號中不引起干擾的情況下減少循環(huán)前綴（CP）開銷可以提高網(wǎng)絡(luò)頻譜效率，從而獲得更遠(yuǎn)的傳播距離[6]，使得在相同的通訊信號條件下，NB-IoT的覆蓋范圍比Lo-Ra 更廣泛[7]。并且NB-IoT 直接使用運營商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，無需使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備[8]，因此，在山區(qū)茶園的使用場景中，NB-IoT 是更為合適的選擇。

2 NB-IoT技術(shù)在智慧茶園中的應(yīng)用

自NB-IoT 技術(shù)誕生以來，其獨特的技術(shù)特點備受關(guān)注，并在國際上廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。在智慧城市領(lǐng)域，NB-IoT 技術(shù)被用于定位追蹤、智能煙感、智能表計、智慧照明、智慧停車、智能樓宇和智能井蓋等方面。在智慧醫(yī)療領(lǐng)域，NBIoT技術(shù)被應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、醫(yī)學(xué)標(biāo)本運送和醫(yī)療環(huán)境監(jiān)測等方面。

隨著我國主導(dǎo)的NB-IoT技術(shù)被正式納入5G國際標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT 應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展[9]。數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，我國的NB-IoT連接數(shù)已超過1億，移動物聯(lián)網(wǎng)用戶占全球用戶數(shù)的70%以上。

NB-IoT 作為物聯(lián)網(wǎng)通訊的重要技術(shù)，在山區(qū)茶園的應(yīng)用是否可靠，通訊穩(wěn)定性至關(guān)重要。彭煒峰等[10]在具有丘陵地域?qū)傩缘闹貞c市永川區(qū)箕山山脈茶葉種植基地對NB-IoT 的傳輸可靠性進行試驗，通信模塊采用BC95-B5，信號強度測試采用移遠(yuǎn)全頻段NBdongle 網(wǎng)測儀，SIM 卡為中國電信NB-IoT 卡，數(shù)據(jù)無線傳輸丟包率采用多次檢測求平均值的方法進行驗證。根據(jù)試驗地的實際情況，隨機安排多個測試點進行丟包率測試，每隔30 min 進行1 次數(shù)據(jù)采集、發(fā)送，進行多次試驗，試驗結(jié)果如表2 所示。通過分析，NB-IoT 的數(shù)據(jù)傳輸丟包率平均值為0.37%，通信穩(wěn)定可靠，表明NB-IoT技術(shù)在山區(qū)使用是可行的。

表2 數(shù)據(jù)丟包率試驗統(tǒng)計

近年來，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍逐步從城市擴展至農(nóng)村地區(qū)，信號傳輸可靠性得到進一步提高，NB-IoT技術(shù)在智慧茶園的應(yīng)用也更加全面。

2.1 茶樹生長環(huán)境監(jiān)測

茶樹的生長環(huán)境對茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量有著重要影響[11]。通過在茶園安裝大氣溫濕度、光照、雨量、土壤溫濕度、土壤pH、土壤電導(dǎo)率等傳感器對茶園大氣和土壤環(huán)境進行實時監(jiān)測，可以了解茶樹的生長環(huán)境，以便根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能化的灌溉、施肥和植物保護控制。

典型的茶園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。NB-IoT技術(shù)可以實現(xiàn)對茶樹生長環(huán)境的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，確保茶樹生長環(huán)境的穩(wěn)定和優(yōu)化，提高茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量。

圖1 基于NB-IoT的茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在該系統(tǒng)中，環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置通過標(biāo)準(zhǔn)接口與各種傳感器進行連接，以獲取多種生境數(shù)據(jù)信息。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）進行處理和傳輸。該裝置采用了BC95-B5 型無線通信模組，充分利用了NB-IoT 的特點，即使在偏遠(yuǎn)的山區(qū)茶園，也能夠獲得比傳統(tǒng)通信模式更廣泛的傳播范圍[12]，通過NB-IoT 數(shù)據(jù)鏈路，環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置與茶園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)連接，接收管理系統(tǒng)下發(fā)的控制信號，并將各類傳感器收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到位于云端的管理系統(tǒng)。這些實時數(shù)據(jù)根據(jù)監(jiān)測時間和監(jiān)測節(jié)點的不同，被分類存儲于云端的數(shù)據(jù)庫中，方便使用者通過電腦終端進行查詢、下載和分析。同時，農(nóng)戶通過微信與系統(tǒng)賬號綁定，能夠?qū)崟r在手機上查看所監(jiān)測的數(shù)據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，農(nóng)戶可以迅速采取干預(yù)措施，以減少潛在的損失風(fēng)險。

2022 年福建武夷山茶葉主產(chǎn)區(qū)遭遇嚴(yán)重旱情，筆者團隊使用基于NB-IoT 的茶園生境監(jiān)測系統(tǒng)[13]，對武夷山興田鎮(zhèn)茶園進行監(jiān)測。該系統(tǒng)采用太陽能供電，使用NB-IoT 進行無線通訊，在旱情持續(xù)期間獲取不同深度土壤溫、濕度的連續(xù)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)對研究茶樹在干旱脅迫下的生理反應(yīng)有重要意義。

2.2 茶樹健康狀況監(jiān)測

除了環(huán)境因素之外，茶樹的健康狀況也對茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響[14-15]，通過安裝病蟲害傳感器對茶樹健康狀況進行實時監(jiān)測，利用NBIoT 技術(shù)實現(xiàn)茶樹健康狀況的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，使農(nóng)戶得以及時發(fā)現(xiàn)茶樹存在的問題，并采取相應(yīng)措施來防治病蟲害，這對于保障茶樹的健康、提高茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量至關(guān)重要。

基于NB-IoT 技術(shù)的茶樹健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)由病蟲害傳感器、數(shù)據(jù)采集器、NB-IoT 通訊模組、云平臺和客戶端組成。該監(jiān)測裝置集成了害蟲捕捉器、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)控制單元和NB-IoT 通訊模組。害蟲捕捉器用于引誘和捕獲茶園中的害蟲，傳感器和物聯(lián)網(wǎng)控制單元負(fù)責(zé)采集茶園害蟲數(shù)量以及環(huán)境數(shù)據(jù)，通過NB-IoT 模組，采集到的數(shù)據(jù)可以高效地上傳至云平臺，并且可以接收平臺下發(fā)的控制指令[16]。

根據(jù)圖2所示，蟲情監(jiān)測裝置采用光、電、自動控制等先進技術(shù)，實現(xiàn)了無需人工干預(yù)的自動化操作。該裝置能夠自動進行誘蟲、殺蟲、蟲體分散和拍照判斷等任務(wù)。通過NB-IoT 技術(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)被上傳至云平臺，并經(jīng)過云平臺的分析計算，得出監(jiān)測數(shù)據(jù)。茶農(nóng)可以通過電腦或手機訪問云平臺，獲取蟲情數(shù)據(jù)，從而了解茶園的病蟲害狀況，為后續(xù)的茶樹保護工作提供決策依據(jù)。同時，茶農(nóng)還可以通過電腦或手機將系統(tǒng)控制參數(shù)上傳至云平臺，云平臺將這些參數(shù)下發(fā)至監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對蟲情監(jiān)測裝置的遠(yuǎn)程控制，極大地方便了茶農(nóng)的管理工作，提高了茶園病蟲害的監(jiān)測和防治效果。

圖2 基于NB-IoT的茶園蟲情監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

除此之外，王斌[17]的研究專注于高光譜圖像分析對作物病害表型的監(jiān)測，孫云云[18]利用機器視覺技術(shù)進行作物病害監(jiān)測，結(jié)合黃成龍等[19]設(shè)計的邊緣計算盒子，能夠在應(yīng)用終端對病蟲害進行識別。識別結(jié)果隨后通過NB-IoT 技術(shù)傳送到云平臺，這樣能夠建立起一個完善的茶樹健康監(jiān)測系統(tǒng)，為茶農(nóng)提供更準(zhǔn)確、及時的信息，以便采取相應(yīng)的防治措施，保護茶樹的健康，并提高茶葉的品質(zhì)。

2.3 茶園灌溉控制

含水量是土壤理化特性的一個重要指標(biāo)，茶樹生長對土壤含水量有一定的要求，水分過高或過低對茶樹當(dāng)年產(chǎn)量，茶葉品質(zhì)、生化組成甚至次年的產(chǎn)量都會造成嚴(yán)重影響[20]。茶樹全年的需水量要求在1 100～1 300 mm 的降雨量，蒸騰系數(shù)為300～385，年經(jīng)濟產(chǎn)量耗水系數(shù)為0.86～0.90，一般來說，土壤相對含水率在70%～90%之間，是茶樹生育的適宜條件[21]。

然而，普通的茶園管理者往往難以有效控制土壤濕度，導(dǎo)致灌溉工作存在不確定性和隨意性，茶樹的水分需求無法得到合理滿足。傳統(tǒng)的灌溉方法效率低下、操作粗放，既浪費水資源，也無法及時進行補水。為了解決這些問題，海濤等[22]研究利用NB-IoT 技術(shù)實現(xiàn)智能化水資源管理，根據(jù)設(shè)定閾值主動對茶園環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控。具體而言，在茶園中安裝土壤濕度監(jiān)測裝置和茶園氣象站，用于監(jiān)測土壤濕度、氣象條件和水消耗量。通過建立土壤含水量預(yù)測模型[23]，并利用NB-IoT 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至云端的自動灌溉管理系統(tǒng)（圖3），該管理系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)測模型調(diào)整灌溉計劃，并通過NB-IoT 發(fā)送控制信號至茶園灌溉設(shè)備，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，幫助茶農(nóng)節(jié)約水資源、降低勞動成本，同時保證茶樹的健康生長。

圖3 基于NB-IoT的茶園自動灌溉系統(tǒng)

2.4 茶葉加工過程監(jiān)測

茶樹生長、鮮葉采摘環(huán)節(jié)保證了茶青的質(zhì)量，而茶葉的加工過程也會嚴(yán)重影響成品茶葉的品質(zhì)和安全[24]。近年來，現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和無損檢測技術(shù)迅猛發(fā)展，光譜技術(shù)、機器視覺、聲波檢測技術(shù)、氣味檢測技術(shù)、電特性檢測技術(shù)等多項先進技術(shù)已廣泛應(yīng)用于茶葉加工過程中。新的技術(shù)在傳統(tǒng)茶葉加工生產(chǎn)方式中加入了數(shù)字化、智能化要素，為茶葉產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級注入了新的動力[25]。在加工過程，利用視覺、嗅覺傳感器及近紅外光譜技術(shù)實時監(jiān)測茶葉攤放、萎凋、殺青、揉捻、發(fā)酵、渥堆、干燥等加工過程中在制葉水分、色澤和香氣等品質(zhì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用信息融合和集成控制技術(shù)，實現(xiàn)對時間、溫度和轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)實時控制。通過對茶葉加工過程的數(shù)字化管理和優(yōu)化控制，提高茶葉品質(zhì)、降低成本和提高生產(chǎn)效率[26]。NB-IoT技術(shù)可以實現(xiàn)對茶葉加工過程的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，確保茶葉加工過程的可控和可追溯。

蔣建東等[27]的研究以黃山毛峰生產(chǎn)過程為例，把茶葉生產(chǎn)過程的監(jiān)測參數(shù)分為設(shè)備參數(shù)和工藝技術(shù)參數(shù)兩類。設(shè)備參數(shù)包括各種設(shè)備運行數(shù)據(jù)，比如電機頻率、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流量等；工藝技術(shù)參數(shù)包括葉層厚度、攤放時間、攤放溫度、殺青投葉量、殺青時間、理條時間、回潮時間、烘干時間、提香時間、含水率等。通過生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器記錄加工過程各環(huán)節(jié)的技術(shù)數(shù)據(jù)，并由NB-IoT 通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總至云平臺，利用茶葉品質(zhì)評價模型對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合茶葉品質(zhì)檢測機構(gòu)對相關(guān)批次的檢測結(jié)果，建立成品茶品質(zhì)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)。制茶企業(yè)不斷積累、分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對改進茶葉加工工藝有積極意義。

2.5 茶葉物聯(lián)網(wǎng)溯源

由于茶葉具有獨特的地域特性和經(jīng)濟價值，消費者越來越關(guān)注茶葉的品質(zhì)和安全。電商的興起推動了茶葉的銷售模式轉(zhuǎn)型，也不斷擴展茶葉產(chǎn)業(yè)鏈，使茶葉商品溯源成為當(dāng)前迫切的需求[28]。典型的溯源系統(tǒng)主要由以下幾大模塊組成：茶園信息采集模塊、倉庫信息采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)存儲模塊、二維碼管理模塊、廠家與經(jīng)銷商管理模塊、消費者查詢模塊。該系統(tǒng)的主要作用是在茶樹的生長及茶葉生產(chǎn)和倉儲物流過程中設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點，收集和儲存監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立茶葉溯源的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[29]。通過使用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和云平臺，對茶樹的生長及茶葉生產(chǎn)、加工和分銷等信息進行實時和準(zhǔn)確追蹤，實現(xiàn)茶葉的物聯(lián)網(wǎng)溯源。應(yīng)用NB-IoT 技術(shù)可以實現(xiàn)茶葉物聯(lián)網(wǎng)溯源監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，尤其是在茶樹生長和鮮葉采摘環(huán)節(jié)，由于許多茶山處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，通訊信號微弱，應(yīng)用NB-IoT技術(shù)更具優(yōu)勢。

通過茶葉溯源系統(tǒng)架構(gòu)圖（圖4）可見，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對茶樹生長及茶葉生產(chǎn)、倉儲、銷售各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行實時記錄，消費者可以很方便地進行查詢。構(gòu)建完整的溯源系統(tǒng)，可以幫助茶農(nóng)提高茶葉生產(chǎn)和管理的透明度和責(zé)任心，增強消費者對茶葉品質(zhì)和安全的信任度和忠誠度。

圖4 茶葉溯源系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 結(jié)語

NB-IoT 技術(shù)使用授權(quán)頻段，采用蜂窩結(jié)構(gòu)，以其獨特的設(shè)計，在低速率、窄帶寬的應(yīng)用場景中具有低功耗、廣覆蓋、低成本的優(yōu)勢，在智慧城市、智能工廠和智慧醫(yī)療等領(lǐng)域已得到應(yīng)用。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這項技術(shù)在智慧茶園中的應(yīng)用也越來越廣泛。茶農(nóng)可以利用NB-IoT技術(shù)實時監(jiān)測茶樹生長環(huán)境、茶樹健康狀況，控制茶園灌溉系統(tǒng)，并監(jiān)測茶葉加工過程，甚至實現(xiàn)茶葉的物聯(lián)網(wǎng)溯源。這些應(yīng)用不僅提高了茶葉生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的自動化程度，還為茶農(nóng)提供了大量的生產(chǎn)、流通數(shù)據(jù)，幫助他們提高茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量，增強茶葉的安全性和品牌價值。盡管構(gòu)建完整的智慧茶產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要結(jié)合其他技術(shù)和管理手段，如大數(shù)據(jù)、人工智能和區(qū)塊鏈等，但NB-IoT 技術(shù)作為基礎(chǔ)技術(shù)，為茶產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持，有助于滿足消費者的需求和期望，推動茶產(chǎn)業(yè)向更高水平發(fā)展。