绿茶制茶工艺及其物联网技术应用分析

张新

摘要：制茶工艺是影响绿茶品质的一个关键因素，绿茶制作工艺的发展经历了从手工化、机械化、自动化的发展历程，随着信息技术的发展，特别是物联网技术的应用与推广，绿茶制茶工艺进入了信息化、智能化新时期。论述了绿茶制茶工艺的相关内容，并以物联网技术的视角来分析绿茶制茶过程中杀青、揉捻、干燥等环节的信息化技术应用，为绿茶制茶工艺的技术进步提供参考。

关键词：绿茶；制茶工艺；物联网技术；信息化与自动化

中图分类号：S571.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）03-0097-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.03.024

Abstract： Tea processing is one of the key factors affecting the quality of green tea. The development of green tea production process experienced the development process from manual mechanization and automation， with the development of information technology， especially the popularization and application of networking technology， green tea processing technology has entered the information， intelligent new period. The related contents of green tea produing tea process was discussed with the perspective of internet of things technology to analysed of the application of information technology green tea tea process fixing， rolling， drying etc. It could provide a reference for the technological progress of green tea.

Key words： green tea；tea making technology；Internet of things technology；information and automation

茶叶和可可、咖啡组成世界三大著名炊料，深受大众喜爱。茶叶作为中国部分地區农业领域的重要支柱产业之一，受到高度重视和广大民众的青睐，中国茶叶品种繁多，主要可分绿茶、红茶、乌龙茶、黑茶、白茶、黄茶等六大类，其中绿茶无论其产量还是品质都名列前茅，绿茶生产与加工比较典型且成熟，绿茶制茶工艺对绿茶品质的影响至关重要。茶叶加工过程是理化结合的一个综合性过程，它是利用茶叶中生物酶作用、湿热化学反应、微生物作用等来促进茶叶中多种元素的变化，从而达到茶叶色、香、味具佳的高品质产品。中国是茶叶生产大国，但在茶叶生产和加工工艺上还不是强国，茶叶的制茶工艺在一个较长的时期以手工作坊式生产为主，随着茶叶产量的增加和科学技术的进步，制茶工艺也得到了较快的发展，基本上从手工制茶全面进入了机械化和自动化的生产加工阶段。当前，物联网技术的兴起与应用，给茶叶制茶工艺的发展增加了无限可能，本研究以绿茶作为研究对象来分析物联网技术在绿茶制茶工艺中的应用，利用物联网技术对茶叶制茶工艺的技术改造，推动制茶工艺向信息化、智能化的方向发展。

1 物联网技术

1.1 物联网概念与内涵

物联网技术集计算机、通信与网络、电子、自动控制等多学科多专业领域为一体，是一综合性很强的新概念、新技术。物联网简单的说就是物物相连的互联网，可以从两个方面来理解：一是物联网以国际互联网为基础，是互联网的延伸和发展；二是从人与人之间发展到物品与物品之间，实现了物品与物品之间的通信与信息交换，也就是物物相联。物联网通过多样化的感知设备（如传感器、RFID电子标签、定位系统等）， 获取感知对象信息，以某种网络的通信方式把感知信息实时可靠地传输到信息处理中心进行管理与存贮，最终经数据分析、挖掘和处理，结合行业应用对象，实现物与物的通信与控制管理。

1.2 物联网体系与应用

物联网应用系统一般可以用三层结构化模型来分析与认识。第一层就是感知层。感知层的主要任务是解决信息的获取，涉及多种类型的感知设备，典型的设备有传感器、定位终端、RFID标签及各种智能设备，也包括为了现场信息传输汇聚的近距离传输网络。第二层就是传输层也可叫网络层。主要是多种形式的信息传输高速公路，把由感知层获得的信息通过传输层提供的通信网络做到实时可靠的传送。第三层是应用层。这一层有时又可分管理层和行业应用层。把由传输层传送的信息存储到数据库中，并进行一定的分析处理，这些数据采用数据挖掘、智能处理，最后结合具体应用，实现对相应目标的管理与控制。

目前，物联网技术的应用已经成熟，特别是无线传感网技术和RFID技术的应用更是渗透到了各行各业，如智能交通、智能物流、环境监测、智慧家居等。物联网技术已成为传统产业转型升级和信息化改造的技术基础和原动力。

2 绿茶制茶工艺

2.1 制茶工艺发展历程

中国茶叶生产历史悠久，制茶工艺发展也绵延流长。由于茶叶种植与加工地域大多处于山区半山区地带，加上茶叶自身的特点，茶叶制茶工艺在相当长的时期主要以手工操作加工生产为主，在手工操作的过程中，制茶工匠师傅们积累了大量的实际操作经验，对茶叶加工生产过程的环节和顺序做出了很好的总结，这给制茶工艺机械化甚至信息化、智能化打下了良好基础，当前茶叶加工主要还是以机械化加工生产为主，从20世纪90年代，在引进国外先进技术的基础上，中国开展了茶叶加工自动化生产线的研究工作，取得了一定的成绩，但由于受到技术的限制，在信息化与智能化方面仍有一定的局限性。

2.2 制茶工艺分析

制茶工艺因茶叶种类不同有一定的差别，但总的方法是基本相同的，以绿茶制茶工艺为例，绿茶是一种非发酵类茶，相比其他的制作工艺简单。绿茶的制茶加工一般分成四大类：炒青、烘青、晒青和蒸青，它们的加工方法虽有不同，但其基本工序都是围绕在摊青、杀青、揉捻、干燥4个过程展开的。这4道工艺如何直接关系到最终的茶叶品质。摊青是制茶工艺第一步，也是杀青的基础，主要解决新鲜茶叶在一定工况下，均匀地让其水分适当挥发，让嫩叶细胞张力减小、柔软并具有一定的韧性，另外，也使叶细胞慢慢浓缩，增强了酶的活性，这些内含物的变化有利于提高绿茶品质的化学转化。目前摊青的方式主要有自然摊青、架子式摊青、半机械式摊青和自动化摊青等。

杀青是绿茶工艺流程中最核心和关键的，在绿茶的品质形成中起决定性作用。杀青的主要目的是通过合适的高温让茶叶本身的水分散发掉，从生化的角度就是要钝化茶叶酶的活性，防止茶叶继续被氧化的可能，并使其叶中的内含物发生一定的化学变化，从而形成绿茶的品质特征。外观特征表现上，叶子没有变红但已变软，为下一道揉捻做好准备。杀青的主要方式有锅式杀青、滚筒式杀青、热风式杀青、汽热式杀青、槽式杀青等。

揉捻是绿茶塑造外形的一道重要工序，它分二类：冷揉与热揉，杀青叶经过摊凉后揉捻就称作冷揉，反之不经摊凉而趁热进行的揉捻就是热揉。一般来说，嫩叶宜冷揉老叶宜热揉。揉捻过程中，在外力的作用下，使叶片揉破变轻、卷转成条、体积缩小，且便于冲泡。同时，茶汁挤溢附着在叶表面，对提高茶滋味浓度起到重要作用。

干燥是绿茶制茶的最后一道工序，它起到对茶叶整形做形，固定茶叶品质，发展茶香的作用，一般先经过烘干，然后再进行炒干，目前主要分为烘干、炒干和晒干3种形式。

3 绿茶制茶物联网技术应用

3.1 无线传感网技术

无线传感网是物联网技术的核心技术之一，它被广泛应用于现场实时监测与控制。一般情况下，无线传感网由以下部分组成：终端（包括感知、控制二类）节点、路由节点、协调器和上位机。若干个终端节点、路由节点和协调器利用ZIGBEE协议构成一个自组织网络，协调器与上位机进行通信实现数据与控制信息交互。终端节点由传感器（或控制器）、无线通信、MCU和电源等模块组成，完成对外界对象进行实时物理量采集（或控制执行机构），并通过路由节点的转发最终汇聚到协调器，其他节点如路由节点和协调器，其基本原理与终端节点类同，路由节点无感知模块，主要完成数据和路由转发，协调器是整个网络的中心，具有更强的处理能力，对整个网络进行控制与管理，如建立网络等，并与上位机通信。

3.2 制茶自动化系统的总体架构

绿茶制茶自动化系统属于典型的物联网3层体系结构应用，感知层设在制茶生产车间，传输层采用WIFI无线宽带网，应用层设在信息处理与管理中心。制茶生产车间组成一个无线传感网，在制茶流水线中的摊青、杀青、揉捻、干燥4道主要加工环节，需要大量的实时数据进行采集，如温度、湿度、时间、重量和图像等，这些信息需要实时准确地上传到信息处理中心的数据库，经专家系统的评估与判断后，实时反馈控制信息给前置在多种制茶加工机器中的控点节点，并控制执行器来调整加工机器的工况。传输层要完成生产车间采集的信息和信息处理与管理中心的控制管理信息的实时准确传输。生产车间构成的无线传感网具有一定的相对独立性，若干个车间通过无线宽带网络组建成一个较大规模的制茶自动化系统。另外，为了保障茶叶的食品安全需建立视频安全监控系统，它与加工过程视频监控有机结合。整个自动化系统的核心是信息处理与管理中心。它是整个系统的大脑，要对大量信息存贮与处理，这些数据由茶叶加工专家系统来评估与判断，产生控制数据来完成对加工机械的精准控制，做到茶叶生产的智能化管理。当然，系统具有大量管理功能，如远程查询和控制、报表生成与打印、大数据分析与挖掘等，总体架构如图1所示。

3.3 数据采集与视频监控

绿茶制茶自动化生产线运行的前提是对各台茶叶加工机械多类参数的实时监测和反馈控制，因此，如何解决好现场数据的采集是关键问题。绿茶制茶工序主要包括摊青、杀青、揉捻、干燥，但实际加工设备相对比较多，一般情况会多达十台以上，每台加工设备需要监测的参数一般会多于4种以上，可设置1个传感节点，采用多合一变送器来支持多台传感器，每台加工设备还有若干个控制节点（以3个为例）来调节加工状态， 因此，一条生产线至少会布设40个终端节点加1个协调器节点，由这41个节点组成自组织无线传感网，所有的数据由协调器节点通过RS232接口与上位机通信，上位机经无线宽带WIFI网络上传到信息处理与控制管理中心，实现茶叶加工机械的现场数据采集和反馈控制。

传感器数据采集原理与方法大致相同，下面以滚筒式杀青机为例。滚筒杀青机采用天燃气加热，具有温度易控、操作方便、连续作业等优点。滚筒杀青机所要采集参数主要有温度、湿度、时间、重量、转速和滚筒倾斜角等参数，相应的控制对象基本一致。传感器模块负责最原始数据的采集，如红外测温传感器测量筒各段表面溫度，它由传感器探头、多合一变送器组成。多个传感器的弱电信号经多合一变送器转变成标准的电压信号以备节点控制模块采集，数据处理模块将感知端子返回的电信号经过处理转换成为节点控制模块能够处理的形式。控制节点接收信息处理与管理中心发送的控制参数，控制各执行机构来调节滚筒杀青机工况，如转速等。另外，利用数字式摄像头组成一个视频监视子网络，直接接入WIFI网络，视频图象实时上传到信息处与管理中心，实现对生产线和生产车间的安全监控。

3.4 信息处理与管理

制茶自动化生产线的核心是信息处理与管理中心的设计与应用。所有由生产车间获得的信息都经宽带网络传输到了信息处理与管理中心（简称信息中心）的数据库中存储。信息中心的主要功能模块为制茶专家系统模块、信息收发与存储模块、数据分析、处理与查询模块、报表生成与打印模块、远程查询与管理模块和视频监控管理模块等。软件模块结构如图2所示。其中的关键模块为制茶专家系统模块。大量的控制信息经专家系统对获取的参数进行评估与判断后实时产生，控制信息经宽带网直接发送到无线传感网上的控制节点，完成对制茶机械设备的精准控制。专家系统的知识库至关重要，制茶工艺有其特殊性，制茶经验特别重要，长期以来的手工化操作积累了丰富的经验数据，而制茶过程的不少参数控制是需要长期跟踪和分析，才能为专家系统的有效性提供了保证。信息中心可以采用多种方案设计，以关系数据库如MSSQL2005作为数据库管理平台，C#语言作为开发语言，结合多种其他应用技术来实现信息处理与管理中心的基本功能。

4 小结

绿茶是中国的主要茶种，其制茶工艺具有一定的代表性，制茶工艺在一定程度上制约着茶叶的品质，制茶工艺的发展经历了从手工到信息化、智能化的发展过程，手工制茶历史悠久，适合量少的优等茶叶生产，机械化和自动化生产更适合现在大批量的优质茶叶加工。随着技术的进步，特别是物联网技术的发展与应用，进一步推动制茶工艺朝精准控制、信息化管理方向发展，茶叶生产现代化必将为中国茶叶更好地走向世界服务。

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