武义更香有机数字茶园的基本配置与应用

徐欢， 宣逸敏， 罗列万

(1.浙江更香有机茶业开发有限公司，浙江 武义 321200； 2.浙江大学 农业与生物技术学院茶叶研究所，浙江 杭州 310058；3.浙江省农业技术推广中心，浙江 杭州 310020； 4.浙江农艺师学院，浙江 杭州 310021)

传统规模经营的茶园在种植和管理上需要投入大量的人力，难以对茶园进行精准化管理。目前，物联网和无线通信技术广泛应用于社会各个领域，出现了智慧城市、智能电网等实践与进步，使农业领域信息化、数字化、智能化水平的不断提升以及茶园的数字化成为可能[1-2]。本文以武义更香有机数字茶园建立为例，简述数字茶园的基本配置与应用，为各地数字茶业发展提供参考。

1 数字茶园的发展现状

在全省数字化改革不断推进的大背景下，浙江各地充分认识到了传统茶园数字化改造已成为社会经济发展的必然趋势，并自2020年开始出现了多点推进数字茶园试点的现象，也标志着浙江茶业进入了数字化转型的初始阶段。随着“十三五”以来计算机、大数据、物联网等信息科技的快速发展，数字茶园开始在全国范围内遍地开花[3]。

张威劲等[4]公开了一套包括监控系统、控制系统、数据系统、网络系统的基于物联网技术的数字茶园安全监控平台的专利。赵小娟等[5]研发了一套基于物联网、计算机图像识别、多媒体、GIS等技术的茶树病虫害监测预警系统。通过构建病虫害发生的环境气候模型，对病虫害发生进行预警。该系统在英德市茶园进行了试点，取得了理想的监测和预警效果。

曲阜师范大学[6]开发了一套集成采集终端传感器、系统微控制器、智能水肥药一体机等集软、硬件于一体的高标准现代茶园物联网系统，开发了基于Spring Cloud的数字茶园云管理平台，其中包含了视频监控平台、茶树生长环境监测平台、水肥药一体化调控平台、茶树生长过程综合管理平台、茶叶质量追溯平台。该系统设计合理，具有一定的可推广性，能够有效提高茶园的管理效率。

2 数字茶园的基本配置

本文实例选取2020年初设计、2021年3月建成的浙江首批数字茶园中的成功案例，以浙江更香有机茶业开发有限公司位于武义县白姆乡金坑脚的13 hm2数字茶园为例，通过综合运用地理信息、遥感、智能传感、大数据建模分析等多种数字化技术，实现茶园可视化监控、环境自动监测预警、茶园设备自动化运行和管理。

更香数字茶园主要包括四大模块(图1)。

一是长势监测与肥水管理模块。综合茶园长势监测以及土壤肥水分析结果，分析得出茶园茶树水肥养分状况，生成茶园肥水管理调整方案，由茶园管理人员确认后可调整种植管理日历，并进一步实施茶园肥水管理，控制肥水一体化设施自动作业。基本配置的设备为SFZD3-210A水肥一体机系统1套。

图1 更香数字茶园网络拓扑结构

二是采摘期测报及管理模块。通过持续收集与茶园地块采摘期相关的气象数据、生长势监测数据，结合地块地形，建立采摘期预测模型，并根据模型验算结果给出种植管理建议。基本配置的设备有：高空球机1个、普通球机1个、枪机1个。

三是病虫害测报与植保管理模块。结合病虫害监测数据，根据病虫害发生的规模、程度及茶园历史发生和防控情况合理设置阈值，并结合气象信息建立病虫害预警模型，实现对病虫害自动预警，并生成病虫害防控决策、茶园植保管理建议。基本配置的设备有：集农业靶标虫害声光精准防控系统、智能驱鸟系统、智能免维护多光谱杀虫灯为一体的虫害精准防控系统11台套、茶小绿叶蝉虫情测报装置1台。

四是霜冻害预警及管理模块。基于茶园内布设气象站观测数据和高清数字图像，结合地块地形数据，建立茶园霜冻害预警模型，给出相应的预警防控措施建议。基本配置的设备有：茶园环境气象数据采集器2套、古田牌防霜扇6台。

同时，对建模范围的茶园地理信息进行数字化处理，通过利用高清卫星图或使用测绘无人机对建模茶园进行高精度、高清晰的数据采集及数据处理流程生成模型，能直观反映地物的外观、位置、高度等属性，在此基础上叠加地块、品种、设备等信息，形成茶园地理信息系统。更香公司茶园地理信息，经大疆Phantom4 Advanced无人机、携带1英寸2 000万像素CMOS相机航拍、Context Capture Master实景三维建模软件、自研茶园地理信息系统，实现茶园三维模型及茶园信息的分析、处理、展示。为茶树种植区域识别、统计、追溯，采摘期、霜冻、肥水，及产、质量预测等提供基础。

3 数字茶园的应用与运行

3.1 茶园综合监测网络

茶园相关数据的收集是数字茶园建设的基础，主要通过视频监控设备和相关设备的监控采集模块，构建整个茶园综合监测网络，同时通过物联技术将收集的信息和控制信号通过5G网络和云主机的智慧平台进行相互通信。

3.1.1 视频监控设备

使用高空球机、球机和枪机进行茶园区域内实时监控，随时随地查看茶园长势与生产管理。根据监控设备的有效监控距离进行合理布局，做到远景各主要地块全面覆盖、有效监控，近景可对不同位置、不同朝向、不同品种都能辨识。

3.1.2 茶园环境气象数据采集器

通过设立在茶园气象站中的气象设备和布置在茶园各地块的土壤温湿度计，分别采集温度、湿度、光照强度、大气压、风速、风向、雨量等气象要素，以及土壤温度、湿度、pH、电导率等土壤要素，通过5G通信方式，将采集的环境数据实时通过数据传输模块向云服务器进行定时上传，用户可通过PC端或手机端登陆，随时随地查询现场环境数据和图像，时刻掌握茶园环境整体和局部情况(图2)。

图2 更香数字茶园系统长势监测与水肥管理分析界面

3.1.3 虫情测报装置

通过分析布置在茶园的茶小绿叶蝉虫情和茶尺蠖性信息素计数监测装置，获取茶小绿叶蝉和茶尺蠖的监测数据，在茶小绿叶蝉或茶尺蠖的数量偏多超过防治阈值时，系统给出预警信号，指导茶农农事操作。

3.2 数字茶园管理平台

管理平台是数字茶园的大脑，具有3个层次的功能：一是代替“脚”的功能，将通过综合监控网络收集的多源监测数据进行集成和可视化展示，管理人员可在办公室通过平台远程获取茶园当前的环境参数，了解茶园直观情况；二是代替“脑”的功能，管理平台能对各项参数自动生成各类图表，以供管理人员了解变化趋势，并通过数据库和模型设计，对监测数据进一步分析，计算出未来一段时间内病虫害、霜冻害发生的概率，并根据其严重程度发布不同级别的警报，提醒管理人员做好相应的准备；三是代替“手”的功能，管理平台基于5G网络通信技术，连接下游各种茶园管理设备，将基于多源数据、图表趋势、预测预警形成的农事方案，能通过远程开关控制、参数修改甚至实时控制来实现远程统一管理。

管理人员需要建立茶园种植管理日历，记录茶园历年农事活动，制定未来农事计划，一是管理人员对农事计划的管理，管理人员结合往年农事活动记录来制定当年农事计划，可以合理安排茶农，计算物料投入，预估作业成本；二是管理人员对农事活动的管理，管理人员通过PC端下发农事计划到各茶园负责人的手机APP端，茶园负责人按计划安排农事活动，并将活动关键信息和结果记录在APP上并返回到数字茶园管理平台上，管理人员通过终端即可实时预览农事结果并统计，也可根据记录给予茶园负责人农事操作指导建议。

3.3 数字茶园自动运行系统

3.3.1 虫害精准防控系统

基地虫害精准防控系统主要由农业靶标虫害声光精准防控系统和智能免维护多光谱杀虫灯组成，智慧平台可根据历年数据对其模板防控日期和时段进行修正，精准防控有关虫害。农业靶标虫害声光精准防控系统主要通过声控干扰害虫相互声音通讯和空间定位，阻断交配和繁殖，并通过光控远程切换光谱频率，根据虫害光敏特性针对性杀灭成虫。智能免维护多光谱杀虫灯则采用多光谱分时控制，针对不同虫害光敏特性开启相应光谱进行精准高效灭杀，具有光控、声控、雨控和物联网远程控制功能，并具有移位跟踪功能。

3.3.2 水肥一体化系统

水肥一体化系统利用管道灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉和施肥。基地的水肥一体化系统嵌入DTU通信模块接入数字茶园平台，通过5G通信技术实时在线监测灌溉情况，同时可进行远程控制操作，手机端可根据田间灌溉情况分区域开停灌溉。同时建立土壤检测数据和水肥一体机的联动控制，在土壤湿度和温度达到平台设定的数值后，在前台发布土壤预警，同时检测灌溉机中是否存在溶液，存在则远程开启灌溉系统进行滴灌操作。

3.3.3 防霜系统

防霜系统采用日本古田牌防霜扇，防霜原理在于破坏逆温层，把气温高的上层空气吹到下层，迫使下层冷空气上升，从而造成近地层气温升高从而达到防霜的目的。通过嵌入DTU通信模块将信号数据和控制数据接入数字茶园平台，当天气情况达到平台预设的防霜预警值时进行前台页面预警，同时自动开启防霜扇进行除霜。

3.3.4 灾害预警系统

灾害预警系统利用茶园环境气象数据采集器，通过5G通信方式将采集的环境实时数据通过数据传输模块向云服务器进行定时上传。通过对监测数据的进一步分析，管理平台将计算出未来一段时间内病虫害、霜冻害等发生的概率，并根据其严重程度发布不同级别的警报，及时通知管理人员做好相应的准备。管理人员在灾害预警系统的辅助下可以有效地做出防灾预案，减少损失。

3.3.5 农事提示系统

农事提示系统基于数字茶园管理平台，由系统根据在线检测信息自动生成或由管理人员在PC端制定农事计划并发送到各茶园负责人的手机APP端，提醒茶园负责人按计划安排施肥、灌溉、植保、修剪、采摘、除草、耕作等农事活动的数字化应用系统。同时，由茶园负责人将农事活动反馈记录在APP上并返回数据到管理平台，管理系统进行统计和分析，做出进一步部署。农事提示系统为茶园精准化管理提供了一个集成农事管理平台，既连接了茶园负责人和管理人员，也提供了一个记录和分析农事活动的数据库，极大地提高了茶园人力和农事管理效率。

4 数字茶园的成效和展望

数字茶园是基于物联网技术，通过传感器、3S、互联网、无线通信、大数据、云平台等综合数字技术，在茶园生产、管理及农事等各个环节，实现数据自动采集、传输、分析、预警和远程诊断、控制与精准解决等数字化管理的全新生产模式，可有效提高茶园生态管理、提高茶叶质量安全水平和茶产业化程度，有效精准减少人为条件与自然灾害的影响，确保茶叶生产要素优化配置、鲜叶产出高效优质，实现传统茶园向现代茶园的转变。更香数字茶园建成以来，已在自然灾害、病虫害防控，以及采摘期预报、土壤墒情监测、田头农事安排、投入品信息档案管理等方面发挥了作用。其中，虫害精准防控系统的设置使得茶园2021年10月上半月的虫口平均减退率达到了60%～90%，有效地减少了人工成本，提高了虫害防治效率。

更香数字化茶园在下一步规划中，将在两方面进一步推进：一方面，将以不断累积的茶园数据为基础，形成因地制宜的茶树种植数据字典，后续将与正在开发的茶叶产销数字化系统相结合，形成从种植到加工、销售一体化的数字追溯体系，构建茶叶有机健康档案，使客户通过扫码能查阅茶叶全流程记录，使客户买得放心，从而真正做到数字变现，大幅提升更香自身产品的竞争力；另一方面，继续对数字化茶园进行升级，建立茶园知识库，通过对茶园数据的积累与分析，进一步挖掘茶园数据的作用，形成茶园的智能化管理，最终达到数智化茶园建设的要求。