“十四五”時期我國將大力推進(jìn)數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)。在我國全面系統(tǒng)實施鄉(xiāng)村振興、健康中國和共同富裕大戰(zhàn)略矩陣的時代背景下，如何有效加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、5G、智慧氣象等現(xiàn)代信息技術(shù)在生態(tài)茶園數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域的輕量級應(yīng)用，大力建設(shè)數(shù)智化生態(tài)茶園，已經(jīng)成為“十四五”期間及未來更長一段時期生態(tài)茶園的發(fā)展方向。但現(xiàn)階段生態(tài)茶園數(shù)智化輕量級應(yīng)用研究仍處于起步階段。
杭州市第九批科技特派員團隊根據(jù)杭州的茶產(chǎn)業(yè)特征和區(qū)域優(yōu)勢，以杭州有機生態(tài)茶園數(shù)智化輕量級應(yīng)用研究試點，設(shè)計集成開發(fā)了一套以有機生態(tài)茶園資源數(shù)字化保護為核心的茶園數(shù)字化系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)有機茶園粗放式管理向數(shù)智化精準(zhǔn)化管理的轉(zhuǎn)型，提升了有機茶的產(chǎn)量和品質(zhì)，推進(jìn)了杭州有機茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。
▲富陽淥渚鎮(zhèn)有機茶園
01
項目建設(shè)思路與技術(shù)線路
1、項目建設(shè)思路
創(chuàng)新構(gòu)建“1+N+1”科技特派數(shù)智服務(wù)模式(1:1個科技特派員服務(wù)團隊，N：多個跨專業(yè)群全產(chǎn)業(yè)鏈智庫專家，1:1個智慧有機茶園全生命周期數(shù)字化系統(tǒng))，聚焦杭州有機茶園這一綠色特色產(chǎn)業(yè)，綜合利用無人機、區(qū)塊鏈、人工智能(AI)、5G、云計算等技術(shù)，分期有序開發(fā)“有機茶種質(zhì)資源生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、有機茶無人機飛防系統(tǒng)、有機茶綠色病蟲害防控系統(tǒng)、有機茶水肥藥一體化調(diào)控系統(tǒng)、有機茶全生命周期智庫專家系統(tǒng)、有機茶融媒體新型態(tài)電商系統(tǒng)”六大數(shù)字化矩陣系統(tǒng)，系統(tǒng)賦能杭州有機茶園有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化保護、有機茶數(shù)字化生產(chǎn)、有機茶數(shù)字化加工、有機茶數(shù)字化儲運、有機茶數(shù)字化營銷等環(huán)節(jié)，貫通有機茶產(chǎn)業(yè)鏈、有機茶供應(yīng)鏈、有機茶資金鏈、有機茶創(chuàng)新鏈，打造“科技特派助力杭州有機茶全產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期數(shù)字化管理”新模式，實現(xiàn)杭州有機茶全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化蝶變，打造“1+N+1”科技特派數(shù)智服務(wù)模式助力鄉(xiāng)村振興賦能共同富裕杭州富陽樣板。
2、項目技術(shù)路線
基于Spring Cloud架構(gòu)的有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)構(gòu)建遵循以下技術(shù)路線：根據(jù)“1+N+1”科技特派數(shù)智服務(wù)模式組建跨專業(yè)群研發(fā)團隊，收集國內(nèi)外參考文獻(xiàn)，對國內(nèi)外該領(lǐng)域研究進(jìn)行系統(tǒng)分析，實地走訪杭州及周邊有機茶園;根據(jù)杭州有機茶園全生命周期數(shù)字化管理的實際需求，研討并形成該項目的總體方案;根據(jù)基于Spring Cloud架構(gòu)的有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計要求進(jìn)行系統(tǒng)布局及六大子系統(tǒng)功能分解;開展Spring Cloud、MVVM開發(fā)模式、無線通信技術(shù)、基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的有機茶種質(zhì)資源生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集技術(shù)、基于動態(tài)圖像識別的有機茶綠色病蟲害視頻監(jiān)控技術(shù)等關(guān)鍵共性技術(shù)研究;搭建有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)、有機茶無人機茶園飛防系統(tǒng)、有機茶綠色病蟲害防控系統(tǒng)、有機茶水肥藥一體化調(diào)控系統(tǒng)、有機茶全生命周期智庫專家系統(tǒng)、有機茶融媒體新型態(tài)電商系統(tǒng)六位一體的有機茶園數(shù)字化管理平臺;結(jié)合杭州有機茶園全生命周期數(shù)字化管理實際需求進(jìn)行算法改進(jìn)、平臺性能檢測和軟件著作權(quán)申報;完成基于Spring Cloud架構(gòu)的有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和實地部署。
02
系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計
整個有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)主要應(yīng)用于有機生態(tài)茶園的綜合管理。系統(tǒng)主要將傳感器技術(shù)、無人機技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、Internet、3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)及LoRa等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機融合，有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分為感知設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、平臺系統(tǒng)層和終端應(yīng)用層四個部分，感知設(shè)備層主要包括各種傳感器、高清攝像頭、無人機、聲光警報器、水肥藥一體機等設(shè)備，主要負(fù)責(zé)有機茶園各類環(huán)境參數(shù)、視頻圖像的采集、無人機和水肥藥設(shè)備的調(diào)控;網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要是由網(wǎng)關(guān)、匯聚節(jié)點等組成，主要負(fù)責(zé)有機茶園各類數(shù)據(jù)傳輸與預(yù)處理;系統(tǒng)應(yīng)用層是由服務(wù)器端和客戶端(監(jiān)控中心客戶端、監(jiān)控中心大屏、遠(yuǎn)程客戶端和移動客戶端)組成的有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用平臺，主要負(fù)責(zé)對有機茶園進(jìn)行環(huán)境檢測、飛防、管理、防控、調(diào)控、茶葉生產(chǎn)過程的全生命周期溯源和新形態(tài)電商等功能，系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。
03
平臺架構(gòu)與實現(xiàn)
1、系統(tǒng)采用技術(shù)框架
有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)采用Spring Cloud微服務(wù)框架，由注冊中心、代理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)消息、容錯等公共件組成。Spring Cloud一般用于快速搭建分布式系統(tǒng)應(yīng)用，其主要包括Zuul技術(shù)(服務(wù)網(wǎng)關(guān))、Eureka技術(shù)(服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn))、Hystrix技術(shù)(全鏈路監(jiān)控、服務(wù)熔斷)、Ribbon技術(shù)(負(fù)載均衡)、Feign技術(shù)(Web服務(wù)客戶端)等技術(shù)。利用Spring Boot的開發(fā)便利性巧妙地簡化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，Spring Cloud基于Spring Boot提供了一套完整的微服務(wù)解決方案，微服務(wù)圍繞業(yè)務(wù)能力進(jìn)行構(gòu)建，使用Spring Boot的開發(fā)風(fēng)格通過全自動部署機制獨立部署，做到一鍵啟動和部署，服務(wù)可以采用不同的語言開發(fā)，采用不同的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)采用的Spring Cloud微服務(wù)框架如圖2所示。
有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)采用了MVVM(Model-View-View Model，模型-視圖-視圖模型)前端架構(gòu)模式，MVVM模式來源于MVC模式。View Model的雙向綁定是MVVM模式的核心思想，View和Model之間沒有聯(lián)系是MVVM與MVC架構(gòu)模式的區(qū)別，而View Model和Model是進(jìn)行雙向通信的，其視圖數(shù)據(jù)的變化將影響到數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，MVVM模式有效優(yōu)化了前后端開發(fā)的分離，有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)采用MVVM代替MVC模式開發(fā)，數(shù)據(jù)源的變化將在視圖上進(jìn)行反映，更便于業(yè)務(wù)邏輯重用，MVVC設(shè)計模式架構(gòu)如圖3所示。
2、系統(tǒng)工作流程
有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)將整個系統(tǒng)劃分為有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)、有機茶無人機飛防系統(tǒng)、有機茶綠色病蟲害防控系統(tǒng)、有機茶水肥藥一體化調(diào)控系統(tǒng)、有機茶全生命周期智庫專家系統(tǒng)、有機茶融媒體新型態(tài)電商系統(tǒng)六個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)作為一個微服務(wù)存在，統(tǒng)一定義每個微服務(wù)名稱，微服務(wù)之間既相互獨立，又相互調(diào)用協(xié)作，實現(xiàn)有機茶園管理人員“隨時隨地”對有機茶園進(jìn)行精準(zhǔn)數(shù)字化管理。用戶向有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)、有機茶無人機飛防系統(tǒng)、有機茶綠色病蟲害防控系統(tǒng)、有機茶水肥藥一體化調(diào)控系統(tǒng)、有機茶全生命周期智庫專家系統(tǒng)、有機茶融媒體新型態(tài)電商系統(tǒng)發(fā)起某個請求，例如有機茶園相關(guān)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)刪減、數(shù)據(jù)新增、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)下載等。有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。
3、客戶端與數(shù)據(jù)庫的交互
數(shù)據(jù)庫是整個有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的基石，其作為有機茶園數(shù)字化數(shù)據(jù)的載體，直接為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。因此，對于有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)整體的可用性來說數(shù)據(jù)庫架構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要，常見的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計有主備模式、主從模式和單點模式。其中，主從模式將數(shù)據(jù)庫分為一主多從，寫操作由主數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)，讀操作由數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)，在三種模式中安全性、穩(wěn)定性最優(yōu)，因此，有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)采用主從模式作為數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫架構(gòu)主從模式架構(gòu)原理如圖5所示。
由于有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)集成了六個子系統(tǒng)，系統(tǒng)在運行過程中需要存儲大量的原始數(shù)據(jù)信息，作為當(dāng)下被最廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫之一的MySQL數(shù)據(jù)庫具有穩(wěn)定性好、處理速度快和安全性高等特性，因此，有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)采用了MySQL 5.58版本的數(shù)據(jù)庫。
對每個子系統(tǒng)均設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表，主要包括有機茶種質(zhì)資源生長環(huán)境數(shù)據(jù)存儲表、有機茶無人機飛防信息存儲表、有機茶綠色病蟲害信息存儲表、有機茶水肥藥一體化信息存儲表、有機茶全生命周期智庫專家信息存儲表和有機茶融媒體新型態(tài)電商信息存儲表六個數(shù)據(jù)庫表。每個表包含多個子表，例如，用戶信息表和設(shè)備信息表等，其中，設(shè)備信息表主要用于存儲有機茶園各類設(shè)備的相關(guān)信息，設(shè)備信息表結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。
4、核心功能模塊實現(xiàn)與應(yīng)用
有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)利用當(dāng)前主流數(shù)據(jù)管理技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)資源屬性構(gòu)建了有機茶種質(zhì)資源數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)(平臺)，實現(xiàn)了對杭州有機茶園茶樹生長環(huán)境的多維度實時監(jiān)測，為對杭州富陽有機茶園茶樹資源開展可視化、數(shù)字化和實時化的動態(tài)監(jiān)測和防控提供了技術(shù)支撐。
(1)有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)框架
有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)了有機茶園狀況的實時監(jiān)測和報警提醒，以及對有機茶園種質(zhì)資源采樣工作進(jìn)行數(shù)字化管理的功能。系統(tǒng)主要包括平臺登錄管理、平臺主界面布局、茶園檢測數(shù)據(jù)管理、采樣檢測報告管理和平臺報警管理五個模塊。用戶登錄該平臺后，首先可以實時查看有機茶園的狀態(tài)，若有異常，界面會有報警提示，便于茶園管理人員及時采取相應(yīng)的管理措施。有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖6所示、有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)主頁如圖7所示。
(2)有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理
有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理核心功能是對有機茶園狀況的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和有機茶園茶葉種質(zhì)資源采樣檢測數(shù)據(jù)的管理。其中，有機茶園狀況的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)管理主要指可以對有機茶園茶樹生長過程中的大氣壓、PM2.5、PM10、空氣濕度、雨量、溫度、光照、土壤pH值、土壤溫度、土壤濕度等10多項指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)添加和歷史數(shù)據(jù)刪減;有機茶園茶葉種質(zhì)資源采樣檢測數(shù)據(jù)的管理主要指對有機茶園茶葉種質(zhì)資源采樣檢測數(shù)據(jù)添加、采樣檢測數(shù)據(jù)刪減、采樣檢測歷史數(shù)據(jù)查詢和采樣歷史數(shù)據(jù)曲線顯示等。有機茶園茶樹生長過程中歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖8所示。
(3)有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)的部署
項目嚴(yán)格按照規(guī)范流程在有機茶園科學(xué)勘察、選址、定位和部署各類高精度環(huán)境監(jiān)測設(shè)施，構(gòu)建有機茶園茶樹生長環(huán)境多維度實時監(jiān)測模型，監(jiān)測系統(tǒng)由大氣壓傳感器、PM2.5傳感器、PM10傳感器、空氣溫濕度傳感器、雨量傳感器、光照強度傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器等組成，將處理后的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器中，系統(tǒng)服務(wù)器按照統(tǒng)一的格式將采集的多維度環(huán)境數(shù)據(jù)實時存儲，通過系統(tǒng)應(yīng)用終端可以隨時隨地查看歷史數(shù)據(jù)記錄，生成分析報告等，在杭州有機茶園部署的有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)如圖9所示。
(4) 有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用成效
2022年夏天，持續(xù)高溫?zé)o雨的天氣引發(fā)杭州的茶園出現(xiàn)了嚴(yán)重缺水的問題，部分基地甚至出現(xiàn)了茶樹枯死的情況，杭州新嶺村近百畝有機茶園由于部署了有機茶種質(zhì)資源數(shù)字化系統(tǒng)，數(shù)字化系統(tǒng)通過對數(shù)字化設(shè)備自動采集的有機茶園的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、降雨量等諸多數(shù)據(jù)進(jìn)行了大數(shù)據(jù)綜合分析，多次發(fā)出有機茶園的缺水和病蟲害的科學(xué)預(yù)警，有機茶園管理人員第一時間啟動有機茶水肥藥一體化調(diào)控系統(tǒng)和有機茶園專用綠色捕蟲設(shè)備，高效化解了近百畝有機茶園因持續(xù)高溫可能引發(fā)的缺水和病蟲害帶來的嚴(yán)重后果，數(shù)字化系統(tǒng)成功助力有機茶園實現(xiàn)了數(shù)字化抗旱保茶
04
結(jié)語
在國家積極實施鄉(xiāng)村振興、共同富裕戰(zhàn)略，浙江省大力推進(jìn)數(shù)字浙江建設(shè)的大背景，以杭州有機茶園為科技特派員服務(wù)示范開展基于Spring Cloud架構(gòu)的有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)構(gòu)建研究，搭建了有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)，并實現(xiàn)了主要功能模塊，有效提升了杭州有機茶園的數(shù)字化水平，具體總結(jié)如下：
· 科技特派助力鄉(xiāng)村振興
科技特派員團隊通過基于Spring Cloud架構(gòu)的有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)構(gòu)建研究和實施，為杭州有機茶園的整體項目數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級、有機茶園有機茶葉種質(zhì)資源與有機茶的數(shù)字化溯源提供了涉農(nóng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)協(xié)同服務(wù)，創(chuàng)新探索構(gòu)建了科技特派員“1+N+1”全產(chǎn)業(yè)鏈實戰(zhàn)型矩陣式科技特派服務(wù)模式，初步打造了科技特派助力鄉(xiāng)村振興“高校+基地”科技特派服務(wù)富陽淥渚樣板。
· 數(shù)智服務(wù)賦能共同富裕
科技特派團隊已經(jīng)持續(xù)完成基于Spring Cloud架構(gòu)的有機茶園數(shù)字化系統(tǒng)的實地部署，并成功申請了軟件著作權(quán)，接下來科技特派團隊將在進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，重點優(yōu)化有機茶園茶可視化認(rèn)養(yǎng)和新形態(tài)茶電商小生態(tài)功能，有序開展有機茶品牌數(shù)字化提升與新形態(tài)電商賦能共同富裕示范探索，力求打造科技特派數(shù)智賦能共同富裕“科技+產(chǎn)業(yè)”茶業(yè)共同富裕富陽淥渚樣板。
作者簡介：
丁勇
浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院副院長、副教授，中國發(fā)展研究院農(nóng)業(yè)農(nóng)村品牌戰(zhàn)略研究中心研究員和特聘顧問，中國茶葉學(xué)會茶葉經(jīng)濟研究專業(yè)委員會副秘書長，浙江省茶葉學(xué)會茶葉科普工作委員會委員，杭州市第九批科技特派員(數(shù)字茶園)，保護中國種“互聯(lián)網(wǎng)+行動”倡導(dǎo)者。擁有實用新型發(fā)明專利6項、軟件著作權(quán)10項目，先后發(fā)表EI、SCI論文10余篇，出版26萬字專著1部。
來源：中國茶葉加工
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