NB-IoT技術在智慧茶園中的應用

李兆雄，張朝陽，劉暉，俞成然

福建省農業科學院農業生態研究所 福建省紅壤山地農業生態過程重點實驗室，福建 福州 350003

2020 年7 月，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation partnership project，3GPP）技術正式被國際電信聯盟（ITU）接受為IMT-2020 5G 技術標準。窄帶物聯網（NarrowBand Internet of Things，NBIoT），由中國產業鏈主導，獲得了全球產業鏈的廣泛認可和支持，成為5G 建設的重要組成部分。自誕生之初，NB-IoT 便定位于物與物之間的連接，并在多個領域得到廣泛應用。在過去兩年的防疫抗疫工作中，包括火神山醫院在內的許多地方，在安防系統和醫療物資管理等方面都采用了NBIoT 技術。近年來，隨著技術的不斷提升和優化，NB-IoT 甚至改變了一些行業的生產經營模式，成為數字化轉型的基礎。

茶葉是我國重要的特色農產品之一，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涵[1]。隨著消費升級和市場需求的變化，茶產業也在不斷進行數字化轉型，實現產業升級。物聯網技術在茶產業中具有巨大的應用潛力，可以幫助茶農實現智能化管理，促進現代茶產業的發展[2]。NB-IoT 正式成為5G 標準后，在全球市場得到快速規模化應用，逐漸擴展到農業物聯網領域。本文旨在探討NB-IoT 技術在智慧茶園中的應用，為茶產業數字化轉型提供借鑒和思路。

1 NB-IoT的技術特點

NB-IoT 技術是一種新型的低功耗廣域物聯網技術，是3GPP制定的物聯網標準之一。NB-IoT技術采用窄帶調制方式，可以在較低的功率和帶寬下實現廣域覆蓋，適用于大規模低功耗物聯網應用場景[3]。與其他蜂窩技術（如2G、3G和4G）相比，NB-IoT技術具有多方面優勢。

1.1 低功耗

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

1.2 廣域覆蓋

NB-IoT 技術的主要結構為蜂窩網絡，可直接部署在現有的全球移動通訊系統（GSM）、通用移動通信系統（UMTS）和LTE 網絡上。支持M2M體系下海量連接，在同樣帶寬條件下，NB-IoT技術提供可靠的覆蓋增強[4]，相比GSM增益提升20 dB，特別適用于網絡覆蓋不足的農村和偏遠地區。

1.3 低成本

NB-IoT技術采用窄帶技術，低帶寬、低速率、低功耗帶來低成本的優勢，使用較低成本實現物聯網設備的連接，降低物聯網的部署和運營成本。

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

表1 NB-IoT和LoRa技術參數對比

NB-IoT 技術使用授權頻段，頻段已獲得牌照，避免非授權頻段的干擾，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前綴（CP）開銷可以提高網絡頻譜效率，從而獲得更遠的傳播距離[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絡進行數據傳輸，無需使用網關設備[8]，因此，在山區茶園的使用場景中，NB-IoT 是更為合適的選擇。

2 NB-IoT技術在智慧茶園中的應用

自NB-IoT 技術誕生以來，其獨特的技術特點備受關注，并在國際上廣泛應用于多個領域。在智慧城市領域，NB-IoT 技術被用于定位追蹤、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。在智慧醫療領域，NBIoT技術被應用于可穿戴設備、醫學標本運送和醫療環境監測等方面。

隨著我國主導的NB-IoT技術被正式納入5G國際標準，NB-IoT 應用得到了迅猛發展[9]。數據顯示，截至2022年底，我國的NB-IoT連接數已超過1億，移動物聯網用戶占全球用戶數的70%以上。

NB-IoT 作為物聯網通訊的重要技術，在山區茶園的應用是否可靠，通訊穩定性至關重要。彭煒峰等[10]在具有丘陵地域屬性的重慶市永川區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全頻段NBdongle 網測儀，SIM 卡為中國電信NB-IoT 卡，數據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 次數據采集、發送，進行多次試驗，試驗結果如表2 所示。通過分析，NB-IoT 的數據傳輸丟包率平均值為0.37%，通信穩定可靠，表明NB-IoT技術在山區使用是可行的。

表2 數據丟包率試驗統計

近年來，NB-IoT 網絡覆蓋范圍逐步從城市擴展至農村地區，信號傳輸可靠性得到進一步提高，NB-IoT技術在智慧茶園的應用也更加全面。

2.1 茶樹生長環境監測

茶樹的生長環境對茶葉的品質和產量有著重要影響[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、土壤電導率等傳感器對茶園大氣和土壤環境進行實時監測，可以了解茶樹的生長環境，以便根據監測數據進行智能化的灌溉、施肥和植物保護控制。

典型的茶園環境監測系統如圖1所示。NB-IoT技術可以實現對茶樹生長環境的實時監測和數據傳輸，確保茶樹生長環境的穩定和優化，提高茶葉的品質和產量。

圖1 基于NB-IoT的茶園生態環境監測系統網絡拓撲圖

在該系統中，環境數據監測裝置通過標準接口與各種傳感器進行連接，以獲取多種生境數據信息。采集到的數據經過數據傳輸單元（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，即使在偏遠的山區茶園，也能夠獲得比傳統通信模式更廣泛的傳播范圍[12]，通過NB-IoT 數據鏈路，環境數據監測裝置與茶園生態環境監測管理系統連接，接收管理系統下發的控制信號，并將各類傳感器收集到的環境數據上傳到位于云端的管理系統。這些實時數據根據監測時間和監測節點的不同，被分類存儲于云端的數據庫中，方便使用者通過電腦終端進行查詢、下載和分析。同時，農戶通過微信與系統賬號綁定，能夠實時在手機上查看所監測的數據。一旦發現數據異常，農戶可以迅速采取干預措施，以減少潛在的損失風險。

2022 年福建武夷山茶葉主產區遭遇嚴重旱情，筆者團隊使用基于NB-IoT 的茶園生境監測系統[13]，對武夷山興田鎮茶園進行監測。該系統采用太陽能供電，使用NB-IoT 進行無線通訊，在旱情持續期間獲取不同深度土壤溫、濕度的連續數據，該數據對研究茶樹在干旱脅迫下的生理反應有重要意義。

2.2 茶樹健康狀況監測

除了環境因素之外，茶樹的健康狀況也對茶葉的品質和產量產生重要影響[14-15]，通過安裝病蟲害傳感器對茶樹健康狀況進行實時監測，利用NBIoT 技術實現茶樹健康狀況的實時監測和數據傳輸，使農戶得以及時發現茶樹存在的問題，并采取相應措施來防治病蟲害，這對于保障茶樹的健康、提高茶葉的品質和產量至關重要。

基于NB-IoT 技術的茶樹健康狀況監測系統由病蟲害傳感器、數據采集器、NB-IoT 通訊模組、云平臺和客戶端組成。該監測裝置集成了害蟲捕捉器、傳感器、物聯網控制單元和NB-IoT 通訊模組。害蟲捕捉器用于引誘和捕獲茶園中的害蟲，傳感器和物聯網控制單元負責采集茶園害蟲數量以及環境數據，通過NB-IoT 模組，采集到的數據可以高效地上傳至云平臺，并且可以接收平臺下發的控制指令[16]。

根據圖2所示，蟲情監測裝置采用光、電、自動控制等先進技術，實現了無需人工干預的自動化操作。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。通過NB-IoT 技術，相關數據被上傳至云平臺，并經過云平臺的分析計算，得出監測數據。茶農可以通過電腦或手機訪問云平臺，獲取蟲情數據，從而了解茶園的病蟲害狀況，為后續的茶樹保護工作提供決策依據。同時，茶農還可以通過電腦或手機將系統控制參數上傳至云平臺，云平臺將這些參數下發至監測裝置，實現對蟲情監測裝置的遠程控制，極大地方便了茶農的管理工作，提高了茶園病蟲害的監測和防治效果。

圖2 基于NB-IoT的茶園蟲情監測系統網絡拓撲圖

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測，孫云云[18]利用機器視覺技術進行作物病害監測，結合黃成龍等[19]設計的邊緣計算盒子，能夠在應用終端對病蟲害進行識別。識別結果隨后通過NB-IoT 技術傳送到云平臺，這樣能夠建立起一個完善的茶樹健康監測系統，為茶農提供更準確、及時的信息，以便采取相應的防治措施，保護茶樹的健康，并提高茶葉的品質。

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，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年產量，茶葉品質、生化組成甚至次年的產量都會造成嚴重影響[20]。茶樹全年的需水量要求在1 100～1 300 mm 的降雨量，蒸騰系數為300～385，年經濟產量耗水系數為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 技術實現智能化水資源管理，根據設定閾值主動對茶園環境參數進行調控。具體而言，在茶園中安裝土壤濕度監測裝置和茶園氣象站，用于監測土壤濕度、氣象條件和水消耗量。通過建立土壤含水量預測模型[23]，并利用NB-IoT 數據網絡將相關數據上傳至云端的自動灌溉管理系統（圖3），該管理系統根據監測數據和預測模型調整灌溉計劃，并通過NB-IoT 發送控制信號至茶園灌溉設備，實現精準灌溉，幫助茶農節約水資源、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

2.4 茶葉加工過程監測

茶樹生長、鮮葉采摘環節保證了茶青的質量，而茶葉的加工過程也會嚴重影響成品茶葉的品質和安全[24]。近年來，現代數字技術和無損檢測技術迅猛發展，光譜技術、機器視覺、聲波檢測技術、氣味檢測技術、電特性檢測技術等多項先進技術已廣泛應用于茶葉加工過程中。新的技術在傳統茶葉加工生產方式中加入了數字化、智能化要素，為茶葉產業的轉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實時監測茶葉攤放、萎凋、殺青、揉捻、發酵、渥堆、干燥等加工過程中在制葉水分、色澤和香氣等品質參數，在此基礎上，利用信息融合和集成控制技術，實現對時間、溫度和轉速等工藝參數實時控制。通過對茶葉加工過程的數字化管理和優化控制，提高茶葉品質、降低成本和提高生產效率[26]。NB-IoT技術可以實現對茶葉加工過程的實時監測和數據傳輸，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過程為例，把茶葉生產過程的監測參數分為設備參數和工藝技術參數兩類。設備參數包括各種設備運行數據，比如電機頻率、熱風溫度、熱風流量等；工藝技術參數包括葉層厚度、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。通過生產現場的傳感器記錄加工過程各環節的技術數據，并由NB-IoT 通訊網絡將數據匯總至云平臺，利用茶葉品質評價模型對生產過程的數據進行分析，結合茶葉品質檢測機構對相關批次的檢測結果，建立成品茶品質與生產數據間的關聯。制茶企業不斷積累、分析生產數據，對改進茶葉加工工藝有積極意義。

2.5 茶葉物聯網溯源

由于茶葉具有獨特的地域特性和經濟價值，消費者越來越關注茶葉的品質和安全。電商的興起推動了茶葉的銷售模式轉型，也不斷擴展茶葉產業鏈，使茶葉商品溯源成為當前迫切的需求[28]。典型的溯源系統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、數據傳輸與數據存儲模塊、二維碼管理模塊、廠家與經銷商管理模塊、消費者查詢模塊。該系統的主要作用是在茶樹的生長及茶葉生產和倉儲物流過程中設置數據監測節點，收集和儲存監測數據，建立茶葉溯源的重要基礎數據[29]。通過使用傳感器、數據采集器和云平臺，對茶樹的生長及茶葉生產、加工和分銷等信息進行實時和準確追蹤，實現茶葉的物聯網溯源。應用NB-IoT 技術可以實現茶葉物聯網溯源監測數據的實時傳輸，尤其是在茶樹生長和鮮葉采摘環節，由于許多茶山處于偏遠山區，通訊信號微弱，應用NB-IoT技術更具優勢。

通過茶葉溯源系統架構圖（圖4）可見，應用物聯網技術，對茶樹生長及茶葉生產、倉儲、銷售各個環節的數據進行實時記錄，消費者可以很方便地進行查詢。構建完整的溯源系統，可以幫助茶農提高茶葉生產和管理的透明度和責任心，增強消費者對茶葉品質和安全的信任度和忠誠度。

圖4 茶葉溯源系統架構圖

3 結語

NB-IoT 技術使用授權頻段，采用蜂窩結構，以其獨特的設計，在低速率、窄帶寬的應用場景中具有低功耗、廣覆蓋、低成本的優勢，在智慧城市、智能工廠和智慧醫療等領域已得到應用。近年來，隨著物聯網的發展，這項技術在智慧茶園中的應用也越來越廣泛。茶農可以利用NB-IoT技術實時監測茶樹生長環境、茶樹健康狀況，控制茶園灌溉系統，并監測茶葉加工過程，甚至實現茶葉的物聯網溯源。這些應用不僅提高了茶葉生產各環節的自動化程度，還為茶農提供了大量的生產、流通數據，幫助他們提高茶葉的品質和產量，增強茶葉的安全性和品牌價值。盡管構建完整的智慧茶產業生態系統還需要結合其他技術和管理手段，如大數據、人工智能和區塊鏈等，但NB-IoT 技術作為基礎技術，為茶產業的數字化轉型和可持續發展提供了重要的技術支持，有助于滿足消費者的需求和期望，推動茶產業向更高水平發展。