生態茶園的物聯網技術應用探究

李超然

（韓山師范學院計算機與信息工程學院，廣東 潮州 521041）

1 前言

現代電子技術日新月異，各種新型的自動控制監測系統也越來越多地運用到人們的日常生活、工業生產等領域，它不但可以提高勞動生產率，而且可以使控制的設備或執行的操作更加精確。現代電子產品正在以前所未有的革新速度，向著功能多樣化、體積最小化、功耗最低化的方向發展。它與傳統電子產品在設計上的顯著區別：一是大量使用大規模可編寫芯片，以提高產品性能，縮小產品體積，降低產品功耗；二是廣泛運用現代計算機技術，以提高電子設計自動化程序，縮短開發周期，提高產品的競爭力。單片機的單芯片的微小體積和極低的成本，可廣泛地嵌入電子系統，辦公自動化、艦船、個人信息終端及通信產品等方方面面，成為現代電子系統中最重要的智能化工具。傳感器是信息采集的重要工具，傳感器技術與通信技術和計算機技術構成了現代信息技術的三大支柱，它們在信息系統中分別起著“感覺”“神經”和“大腦”的作用[1]。

在工業應用的生產制造過程中，需要大規模應用各類傳感器來控制和收集生產過程中的各類參數，提高設備的生產效率，提升產品的質量和品質。測量監測系統的關鍵是各式各樣的傳感器，所謂傳感器，國家標準GB7665-87 對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定的規律（數學函數法則）轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。中國物聯網校企聯盟認為，傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。“傳感器”在新韋式大詞典中定義為：“從一個系統接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。在日常生活中，人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，是無法完全滿足現代化智能工業制造的需求的[2]。

在智能工業中，如果缺少了傳感器的參與和應用，智能生產就無從談起，也失去了其生存和發展的基礎。利用數量龐大的各類功能傳感器進行組網，并輔之以各種單片機基底和高性能通信傳輸設備的傳感器網絡，是智能生態的典型應用。在如今的很多傳統行業中，物聯網技術的引入也改變了很多傳統行業的業態，幫助不同的傳統業態提升了運營效率，提高了傳統產品的質量，為更好地實現不同傳統業態的轉型和高質量發展奠定了基礎。聚焦到茶園業態中，物聯網技術和應用更是深入茶園種植中的很多方面。茶葉種植培育的產業，多數位于我國的山區和欠發達地區。在我國城鎮化逐步完善，農民工逐步進城定居的大背景下，農村勞動力的普遍缺乏，促使傳統茶園必須向智能化、機械化的方向進行轉型。而物聯網技術的發展成熟，正契合了傳統茶園的轉型發展趨勢。將物聯網技術引入茶園的建設管理，對于建設智慧型茶園、生態茶園具有重要的意義。生態茶園的興起和發展，對提高勞動生產率，減少農藥和化肥的使用量，改善自然環境質量，提升茶葉生產品質具有積極的意義。

2 生態茶園的智能管理

如前文所述，茶園多建立在山區且零星分散，要建立智慧茶園和生態茶園，必須實現茶園的精細化管理。在物聯網技術不成熟的過去，規劃和建設生態茶園的投入產出比一直較低。因此，傳統茶園的管理一直是通過粗放式的方法進行，依靠傳統運維人員，憑借人為的經驗和判斷，對茶園進行種植和維護，導致茶葉的產量和品質一直無法得到實質的提升。近年來，隨著物聯網技術的發展和成熟，特別是硬件生產工藝的逐步提升，使得通過大規模傳感器進行組網而形成的無線傳感器網絡的各方面性能得到飛速提升。同時，當今全球的主題已經逐步從粗放式大發展的時代轉變為重視環保生態和自然環境的精細化發展時代，在“碳中和”的大時代背景下，生態茶園的發展也應順應趨勢，逐步轉變到真正的智能化綠色生態上來。近年來，國內部分茶葉企業已開始布局物聯網基地建設，嘗試利用物聯網技術加強茶園管理和茶葉質量安全管控。對于茶園的智能管理，主要體現在如下四個方面：

2.1 茶葉種植環境監測的智能化管理

在建設生態茶園的過程中，基礎的環節是對于茶園環境的監測和管理。在這一流程中，以傳感器技術為核心的傳感器網絡契合度最高。傳感器作為數據收集和信息交換的重要功能器件，對于環境參數的采集和管理非常重要。數量龐大的傳感器組成的傳感器網絡，可以動態實時地獲取茶葉種植的環境參數，實現對茶葉培育過程的溫度控制、濕度控制、氣壓調節等功能，契合了生態茶園環境監測系統的功能需求。同時，傳感器網絡具有動態性強、自組織性和去中心化的特點，也非常適合茶園的應用環境。此外，在基礎功能傳感器的安置和布建上，信息技術的應用也可以大幅提高工作效率。通過智能無人機的播散，實現將不同類型的傳感器，放置到不同的監測區域的功能，實現對生態茶園不同區域的環境參數的監測[3]。

2.2 茶園蟲害的智能化防治

生態茶園的建設過程中，也需要引入物聯網技術，搭建起蟲害防治的智能化系統。對于蟲害防治，物聯網技術的作用主要在于可以建立起信息的溯源和分析平臺。將蟲害出現的地點和位置信息進行收集，構建蟲害信息庫和茶樹蟲害本體知識模型，也可以搭建蟲害智能診斷和預測系統。實現病蟲害防治的科學化，進一步提升茶葉的生產質量。同時，通過物聯網系統的智能化分析，也能輔助茶葉培育的專業人員對茶葉的蟲害情況進行判斷，作出更加科學的決策。

2.3 茶葉農藥播撒的智能化

茶業的生長培育，一定程度上也需要依賴適量農藥的播撒。在農藥播撒的流程上，物聯網技術的引入也十分必要，其作用主要體現在可以搭建智能播撒系統，動態管理農藥播撒的體量和撒放時間，避免農藥使用過度的問題，也減輕了茶園運營維護人員的工作量，提高了工作效率[4]。

2.4 茶葉收成過程的智能化

隨著茶葉的生長成熟，收成工作也是生態茶園運營的重要一環，收成過程的智能化，主要體現在對收成時間的判斷和對茶葉生長質量的評價。引入物聯網信息系統，可以輔助茶園運維人員對茶葉的生長情況和茶葉的品質進行判斷，幫助茶園管理人員和運維人員進行更科學的決策。

綜上所述，生態茶園的探索和建設過程，一直伴隨著物聯網技術的應用和融合。在茶園的茶葉種植、田間管理、肥水灌溉、病蟲害防治、環境監測和茶葉收成等流程中，物聯網技術能夠提升上述環節的運行效率，從而進一步提升生態茶園的運營品質和茶葉的質量。

3 生態茶園的智能缺陷

雖然生態茶園的建設和發展日趨完善，但是任何傳統業態的轉型都會存在或多或少的各類缺陷和問題。從傳統茶園的人工培育到生態茶園的智能培育的轉變，必然會存在智能管理過程中的各種缺陷。

其一，生態茶園的地理位置分散，很難實現全面的實時監控。在我國的采茶種茶產業多分布在高山或丘陵地區。同時，這些地區往往是經濟欠發達的區域，茶園分散、面積小，地形復雜多變，地勢高低懸殊，氣候差別很大，不利于統一管理。此外，傳感器網絡的特性雖然可以基本應對分散的環境，但隨著時間的持續，不同區域的傳感器性能會持續損耗，容易導致區域的監測盲點。最后，在一些貧困的高山區域的茶園中，由于坡度過大，物聯網技術的實施和建設成本也會大幅增加[5]。

其二，傳感器網絡雖然具有靈活組網和便于維護的特點，但網絡的通信傳輸過程，易受山地多變氣候的影響，會時常出現數據傳輸的延遲現象，也容易引起數據傳輸的失真。同時，由于傳感器節點的壽命問題，需要茶園運維人員定期對各傳感器節點進行觀察和維護，確保主要功能傳感器的正常運行，與傳統茶園相比，智能化管理的生態茶園的人力成本會相對較高。

其三，生態茶園的競爭力主要體現在精細化管理方面。但是，與茶樹培育相關的基礎研究依然薄弱，對基于物聯網技術搭建的智能網絡而言，欠缺基礎理論的指導，很難充分發揮網絡的智能性，也難以實現全面精細化管理。因此，雖然利用物聯網系統可以實時收集茶葉的不同參數，同時對茶樹的生長情況進行跟蹤和溯源。但是，在茶葉生長出現不如預期的狀況時，如何進行相應的處理方法，需要基礎研究理論和方法的指導，也是茶園物聯網系統能否發揮最大功效的關鍵和難點。

其四，正如本文前述所提，生態茶園所引入的物聯網技術主體是大量傳感器搭建的傳感器網絡。傳感器網絡所跨越的技術類型包含傳感器技術、信息處理技術和網絡技術。這類型的網絡屬于綜合物聯網應用網絡，包含大量不同類型的節點和設備終端。然而，目前市場上的各類物聯網應用終端依然不夠完善，智能化程度依然有進一步提升的空間。同時，這些終端設備雖然收集數據的精確性逐年提升，但具有自動化控制功能的設備終端價格高企，性價比依然不夠好。因此，智能化設備在生產技術飛速發展的同時，生產成本的高企和生產周期的冗長，仍然是制約生態茶園發展的重要原因[6]。

其五，物聯網應用技術領域，依然缺乏頂尖的技術人才。任何行業的發展，都離不開人才的不斷涌現和貢獻。作為新興領域和新興技術，物聯網技術人才需要通曉軟件技術、硬件技術和通信技術三個技術領域，對人才的高要求，也是造成物聯網應用技術領域人才欠缺的原因。針對生態茶園的領域，除了掌握物聯網技術能力外，還需要熟悉茶葉種植培育的相關專業知識。擁有大量既懂技術又了解農業的復合型人才，才能實現生態茶園的智能和高效，也是實現生態茶園精細化管理的重要途徑。因此，大力推廣物聯網技術，大力培育相關的人才，也是建設生態茶園的重要舉措[7]。

4 生態茶園未來建設的方向

基于生態茶園存在的各種缺陷，生態茶園未來建設的方向也應圍繞缺陷的改進展開。首先，在建設新型生態茶園的開始階段，應盡可能集中擇地，改進傳統茶園過于分散的缺陷。在選擇傳感器的功能組件時，也應著重關注傳感器的精度和效度。其次，應大力發展茶葉種植培育的基礎研究。基礎研究是枯燥且效益在短期內不明顯的工作，既有賴于對人才待遇的提高和激勵，也有賴于政府的倡導和投入。再次，應繼續大力研發智能終端設備，同時繼續提升智能芯片的生產技術，降低高科技產品的生產制造成本，使物聯網相關產品在市場上具有價格競爭力，如此才能更大規模地普及物聯網應用技術和相關的應用產品。最后，應更重視物聯網技術人才的培養，補齊人才短板，也是發展物聯網技術的重要手段[8]。

總之，生態茶園的推廣應用是一個系統而復雜的工程，涉及政策、資金、硬件、軟件、人才等多方面，需要社會各界更加緊密的合作。物聯網技術是未來具有廣闊發展前景的新興技術，將物聯網技術引入茶園的建設和管理，不僅可以降低茶園管理成本，還能夠提升茶葉的質量，也能夠加強茶園在市場上的競爭力。

5 結語

本文探究了生態茶園的物聯網技術應用，分析了生態茶園的智能化環節，展示了物聯網相關技術在生態茶園建設和管理的不同環節上的應用，也分析了物聯網技術對提升生態茶園的運營和管理水平的重要作用。同時，本文也闡述了生態茶園的不足和待改進的方面，從茶園建設、基礎研究、設備質量和人才儲備等方面提出了生態茶園未來的建設方向。綜上所述，生態茶園的建設離不開物聯網技術的應用和發展，物聯網技術的不斷完善，也是生態茶園不斷成熟的重要基礎。