智慧化有机茶庄园的建设与启示

李福德 ，刘钰懿 ，汪健仁 ，黄金水 *，魏伙霖 ，曾炳南 ，王志友 ，代剑 ，许勇泉 ，苏峰

（1. 安溪县农业农村局， 福建安溪 362400； 2. 中国农业科学院茶叶研究所， 浙江杭州 310008；3. 安溪县桃源有机茶场有限公司，福建安溪 362400； 4. 福建省种植技术推广总站， 福建福州 350003）

随着我国经济的不断发展转型， 对农业的要求越来越高，农业必须根据社会发展需求，对其自身的发展结构作出一定的改变[1]。智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、云计算和物联网技术为一体， 依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等） 和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策[2]。

2018 年，《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》文件提出要大力发展数字农业，实施智慧农业林业水利工程， 推进物联网试验示范和遥感技术应用。茶叶是中国的传统农业，为促进传统茶产业向现代茶产业转变，引进智能化设备，开发数字化系统， 发展智慧茶业是当前茶叶发展和变革的方向。 2017 年，安溪县发布《关于深入实施茶业庄园化战略的通知》，明确提出至2020 年，建成一批特色鲜明、 生产方式绿色、 经济效益显著、辐射带动有力的“金牌茶庄园”，庄园化、集约化管理的茶庄园占全县茶庄园面积80%以上，让茶庄园成为引领安溪茶产业“二次腾飞”的新名片[3]。桃源智慧化有机茶庄园项目根据国家政策倡导的“生产智能化”“管理数据化”及“经营网络化”建设理念，围绕种植、生产、仓储和销售四个方面完善升级原有设施和平台，利用大数据、云计算、物联网等现代信息技术，通过智能化手段开展数字农业试点，成为当地领先的智慧化农业产业园。同时，以“品雅”为产品品牌，以“添寿福地”为文化品牌，以当地古茶文化、古村落文化、农耕文化、母亲河晋江源为依托，借助闽南古式大厝建筑风格，并融合安溪特色茶文化，打造以养眼、养耳、养肺、养胃且养心为特色的智慧茶庄园。

1 智慧化茶庄园建设要点

茶庄园是指在一定的原产地区域内， 采用先进国家的农业管理方式， 按照我国绿色茶叶标准建立起来的可以追溯的茶园和茶叶加工厂。 茶庄园具有严格的种植标准、加工标准；鲜叶流向和干茶流向可以追溯；遵循可持续发展的理念，通过环境保护、人文关怀等措施，使之长期品质稳定，符合低碳理念。下面以安溪桃源茶庄园为例，介绍智慧化茶庄园的建设要点。

1.1 基础设施

供电，用电取自安溪县供电公司，项目区建有完善的供电网络，专线三相电力直达基地，并配置有1 座250 kVA 变压器， 电力容量能够满足需要。供水，所在基地灌溉用水为基地中的自然山泉水，并有8000 平方米水库，水量充足，能够满足项目用水需求。通讯，配置专用移动基站并以高速光纤宽带为主的高效迅捷的网络， 各类信息能够及时传输交流，为项目的建设提供了便利条件。

1.2 智慧化茶园管理智能化

项目以户外茶园、生产加工厂房、深加工标准化厂房作为升级改造主体，通过在产前、产中、产后各环节配备水肥一体化系统、 精准环境测控系统、生产过程管理系统、采后商品化处理系统以及农产品质量安全追溯系统， 构建茶叶数字农业物联网综合管理平台，实现了从种植、加工（包括初精制加工与深加工）、仓储、物流到销售全过程的数字化、信息化与智慧化。

1.2.1 茶园自动化喷灌

将山泉水和饮用水通过输水管网输送至茶园各个蓄水池中， 每个蓄水池出口安装过滤系统以及智能水表，每个灌溉区域配置手自一体电磁阀。软件系统集成了用水管理和灌溉控制两种功能，一方面， 服务器通过智能控制器读取各水表用水信息，从而反映各灌溉区域当前的灌溉状态；另一方面，通过智能控制器进行灌溉控制。此两种功能的结合，实现了园区用水计量、用水调度、灌溉控制三方面的有机结合， 自动化喷灌系统技术结构示意图如图1 所示。 系统将依据获取的量化传感器数据，比对作物生理生态模型，对灌溉相关设备下达灌溉指令，实现用量有据、轮灌有序、区别配给的决策模式，实现了茶园用水的智能管理。

1.2.2 茶园环境精准测控

为确保园区各自动化调控系统的运行不受外部环境因素干扰，需要建设气象监测设备，设备根据海拔高低差， 分别于3 块丘陵分区各安装2 台，于园区中心绿地位置安装1 台。气象墒情监测站用于监测室外空气温湿度、降雨量、太阳辐射强度、风速、风向、4 层土壤温度及4 层土壤含水量指标。 结合当地气象部门发布的气象预告信息，共同构成气象监测服务子系统，为园区在恶劣环境气候、不利于开展对应农事操作的条件下提供技术指标。

1.2.3 茶园网络及监控全覆盖

为方便园区“移动式”管理，在园区内开展无线覆盖工作， 使园区管理人员及农事执行人员可随时随地应用物联网系统记录、填报、咨询农事问题。于种植区域内平均分布安装监控球机，用于监测全园种植状况与重点位置安防情况，记录24 小时不间断影像数据， 为处理突发事件或应急情况提供远程监控手段。

图1 茶园自动化喷灌系统技术结构示意图Fig. 1 Technical structure diagram of automatic sprinkler irrigation system for tea garden

1.2.4 茶园病虫害防治

平均分布安装多功能植保机， 配备手持式健康诊断仪。 多功能植保机除了为病害防治系统提供空气温湿度环境参考参数外， 还具备光学诱捕杀虫功能；手持式设备健康诊断仪，内嵌利用长时序数据建立的稳定模型， 针对不同生育期进行科学建模；同时仪器还充分考虑物候信息，克服了传统光谱测量仪器单时间点测量的不足， 能够快速测得归一化植被指数（NDVI）、叶面积指数（LAI）、植被覆盖度 （FVC）、 叶绿素含量 （Cab）、 产量（Yield）以及推荐施用氮肥量（Nc），为高效开展农事劳作起到了重要作用。

图2 初制和精制茶叶自动化控制系统Fig. 2 Automatic control system for primary and refined tea

1.3 加工厂房智能化

在原有机械设备条件基础上定制开发自动化程控系统， 结合制茶工艺要求定制开发初制和精制茶叶控制模型，并将各独立设备通过连接附件，整合升级为一体化生产线设备， 为依据制茶工艺模型的自动化、智能化茶叶初制生产线的研建，解决茶叶初制标准化生产提供技术保障， 初制和精制茶叶自动化控制系统如图2 所示。

1.3.1 茶叶初制生产线智能化升级改造

铁观音茶初制生产流程依次为鲜叶采摘、晒青（日光萎凋）、做青（摇青与晾青）、杀青（炒青）、揉捻、整形、烘焙、毛茶，在机械化生产过程中，应用储青进料设备、萎凋设备、杀青设备、揉捻设备、烘焙设备等机械设备代替传统手工作业； 为提高初制效率，统一制茶标准，应用传感器技术、自动化控制技术，将原有的设备进行升级改造，形成一条完整的生产线。

1.3.2 智能化茶叶精制过程信息采集系统

由拣梗设备、色选设备及茶叶提香设备构成，集成应用光学技术、物理学技术、机械学技术及自动化控制技术， 实现茶叶品质筛选与提升的全程流水线作业。 拣梗设备将经过筛分和风选后的茶梗混合物， 通过振动槽板和拣梗轴将较长的茶叶梗送越槽沟，使茶叶与茶梗分离，在拣梗的同时也有区分茶条长短的作用； 色选设备应用高清晰度全色谱传感器对茶叶进行筛选，通过程控装置，准确开启气动阀门，将低品质茶叶吹入次品槽，保留精品，实现自动化筛选；茶叶提香设备通过红外灯管产生的红外线对精制后的茶叶进行提香、醇化。

1.4 茶叶智能化深加工系统

系统由智能化冲击磨浓缩机、 涡流微分机、脉冲除尘器、卧式双螺旋混合机、粉碎机、除粉器、单片冲压机、混合机、槽型混合机、热风循环烘箱、摇摆式颗粒机、震动筛分机、深加工粉剂自动化包装系统及配套组件共同组成机组， 机组主要由粉碎、除尘、混合、干燥、包装等五个功能模块组成。 粉碎部分由粗粉碎、细粉碎两步来完成，以提高生产效率和细度；除尘部分采用袋式脉冲除尘器，减少生产过程中的粉尘污染；混合部分为卧式双螺带混合机，混合均匀度高，操作简单；干燥部分选择微波烘干，具有干燥杀菌双重功效，且烘干温度低，提高了烘干后的产品质量； 包装部分采用了全自动包装机，效率更高，操作简单、智能。 整套设备材质选用食品级304 不锈钢材质，且从进料到成品出料无需人工操作，并可随时调整，在控制上实现一键操作，实时监测， 并可通过手机进行远程监控和操作，完全实现智能化控制，智能化茶叶深加工系统工作流程如图3 所示。

1.5 数控中心建设

建设园区农业数据中心， 搭建数字农业物联网综合管理平台， 将项目中建设的各应用系统所采集的农业数据汇总展现。 各业务系统数据交互共享，农业数据分为基础数据、专家数据、企业数据、产品数据、土肥数据、环境数据、作物数据等。

形成物联网技术应用集中展示功能， 通过丰富的表现手段直观展示茶叶种植过程的视频场景、空气温度、空气湿度、土壤含水量、地温等参数。通过数控中心可直观感知基地环境信息、生产履历信息、视频场景信息等；依托云服务平台的分布式数据存储系统， 形成基于海量时间序列感知数据的挖掘、切片、统计、分析等功能，辅助茶叶种植专家提炼形成基于物联网的作物生长、 生产模型，病虫害预警模型等；通过该系统直接参与茶叶种植，通过操控园区内的控制设备，实现生产环境远程调控、用水精准投入等。

2 庄园有机茶生产技术要点

有机茶是指在原料生产过程中遵循自然规律和生态学原理， 采取有益于生态和环境可持续发展的农业技术，不使用合成的农药、肥料及生长调节剂等物质，在生产中不使用食品添加剂，并经专业机构认证的茶叶及相关产品。

2.1 资质认证

有机茶产品需按照有机产品国家标准GB/T 19630—2019《有机产品 生产、加工、标识与管理体系要求》中的技术要求进行生产，加工后的产品得到相关认证机构认证， 具有完整的产品可追溯体系，健全的生产记录。有机产品认证证书由认证机构根据《有机产品认证管理办法》的规定颁发，有效期为一年。 结合有机茶产品的生产加工实际情况， 有机产品认证证书中详细记录了有机茶园信息、鲜叶产量、有机茶产品名称、加工地址、生产数量等信息。 安溪县桃源有机茶场有限公司于2004 年开始茶园建设，从基地开发开始就全程采取有机管控技术，例如，开发茶园时，保留原有的树木和林带，并在茶园的边界保留和种植树木，使之形成天然的隔离屏障；公司于2005 年开始申请有机茶认证，并于同年通过有机茶产品认证，经过多年持续改进有机茶园的生态环境及生产加工技术，至今已经连续16 年通过国家有机茶认证。 现有有机茶园133 公顷，年产有机铁观音120 吨。

2.2 茶园管理技术特点

有机茶所有原料要求生长在生态环境良好、远离城市的区域。 这些区域污染少， 气候条件适宜，昼夜温差大，土壤腐殖质多，有机质含量高，营养元素充足，茶树抗性好，茶叶品质优异，为有机的生产奠定了良好的基础。 桃源有机茶园位于海拔800～1000 米之间，庄园中林木占60%，茶树占40%，自然植被覆盖率高，生物多样性优势明显。庄园现有铁观音80 公顷，金观音20 公顷，另外还有金牡丹、梅占、黄金桂、本山、毛蟹等茶树良种。

2.3 茶叶加工技术特点

2.3.1 初制工艺

在茶叶初制加工上， 引进一条不落地的智能化、标准化、清洁化、自动化乌龙茶生产线，其主要构成模块及特点如下。 （1）做青模块。 采用全自动乌龙茶生产设备，自动完成晒青、晾青、摇青和环境调控作业，毛茶品质优于传统摇晾分置做青，省工节能30%；集成冷热风吹干太阳能晒青，红外线晒青，自动摇青与摊青。这些自动化设备及控制系统使乌龙茶做青实现了智能化、标准化、清洁化、自动化。（2）杀青模块。杀青设备主要有两段，前段为连续式滚筒杀青机， 后端配置连续式微波杀青机，该新能源杀青系统已获得国家实用新型专利。（3）包揉造型模块。采用自动揉捻型包揉造型机加工茶叶的成型过程接近于传统工艺， 所制的茶叶紧结呈团，叶片较完整，制优率大幅提高，品质高于常规半机械化产品。 （4）烘焙模块。 采用自动烘干机，按照预先设定的温度和时间进行低温烘焙，最大程度保留铁观音花香特色品质。 （5） 控制模块。控制模块由触摸屏电脑控制，桃源有机茶厂应用计算机技术、电子技术和传感技术，开发出一套乌龙茶连续做青自动控制系统， 可在手动和自动操作间自由切换， 供不同操作水平的技术人员使用。

2.3.2 精制工艺

茶叶精制加工主要由茶叶自动拣梗机、 色选机、链板式烘干机、全自动包装机组成，通过输送带连接，通过电脑中央控制器，达到智能化控制。

2.3.3 深加工技术

采用以有机茶为原料的超微粉研发技术和茶含片加工技术，让人们从“喝茶”到“吃茶”，满足消费者不同口味的需求。 超微茶粉生产线的构成主要有连续式初粉碎机和精粉碎机、 重金属挑拣设备、连续式微波干燥设备、全自动粉剂包装机，最终出来的茶粉能达到800 目以上。 茶含片生产线主要由粉碎机、槽式搅拌器、粗造粒机、烘焙机、V型搅拌机、细造粒机、压片机和包衣机组成。 可依据消费者口味调节茶含片配方， 目前桃源有机茶厂已研制出抹茶口味和降三高茶含片两种产品。

3 有机茶庄园的成效与启示

3.1 成效

通过茶产业物联网的搭建，实现了茶叶种植、生产、仓储到物流销售全过程的数字化、信息化、自动化与智慧化，采取规范化与精细化的控制，减少中间环节人工的干预， 提高茶叶生产效率和质量；降低茶企的用工成本与劳动强度，建设后的用工由原来的98 人减少到69 人； 改变传统茶农生产模式，提高茶园亩产的经济效益，茶园的蚊虫数量减少50%左右。

进一步探索了智慧农业技术集成应用解决方案和产业化模式，通过在产前、产中、产后各环节配备精准环境测控系统、生产过程管理系统、采后商品化处理系统以及农产品质量安全追溯系统，构建了茶叶物联网系统， 实现了种植、 初精制加工、深加工、仓储物流、销售的数字化，打造了中国智慧化茶庄园的样板，获得“国家数字农业试点项目”“福建省级智慧示范园”“全国商业企业文化优秀成果”“泉州市休闲农业示范点”“泉州市文化产业示范基地”“安溪县金牌茶庄园”等荣誉。

3.2 启示

目前，茶产品企业种植加工方式落后，生产效率不高，生产与营销尚未形成联动机制[4]，我国已进入智慧农业快速发展阶段， 但中国多数茶企仍然没有意识到智慧化农业能给茶行业带来多大影响，物联网、大数据、云计算、智能化种植与加工管理在茶行业内未能被有效发掘并发挥最大价值。

在建设过程中， 数据应用上还存在多处 “痛点”。 例如有机肥、病虫害追踪系统拥有的数据并未全部被有效利用， 行业内相关信息无法及时获取、共享。 移除这些痛点，有赖于打造一个端到端的数据供应链，让数据流动起来，成为“循环农业”的一部分。通过数据供应链，企业可以不断从中获取数据， 并利用从数据中获取的信息优化业务决定，提升盈利能力。特别是在盈利管理、风险管理、供应链管理、创新以及合规这五个方面，数据供应链将为企业带来诸多市场价值。目前，中国茶企仍然处于创建数据供应链的早期阶段，应抓紧打造。阿里、京东、网易等互联网公司通过对数字技术和网络平台的积极利用，使得中国打造“智慧农业”已经初具雏形， 但是对绝大多数传统茶叶企业而言， 打造数据供应链仍然是一个全新且长期的过程。