物聯網技術在閩北烏龍茶初制中的應用與展望

摘要：閩北烏龍茶初制加工工藝復雜，機械化、自動化、數字化程度低，勞動強度大。文章簡述了物聯網的概況、在茶葉加工及茶產業中的應用，從實際工作角度分析物聯網技術在閩北烏龍茶初制設備中的運用及原理，并提出開發物聯網關鍵技術實現閩北烏龍茶柔性生產線的展望，以期能提升閩北烏龍茶的初制水平，促進閩北烏龍茶初制朝著自動化、信息化、智能化方向發展。

關鍵詞：閩北烏龍茶；物聯網；初制機械；柔性生產線

中圖分類號：TS272.3" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：1000－3150（2023）04-15-4

Application and Prospect of Internet of Things Technology in the

Initial Production of Northern Fujian Oolong Tea

HE Kaijie1， CHEN Qiwu1， TAN Christine2， WU Boya1， XIANG Fenghua2， HUANG Weimin2

1. Fortunetea Technology Development Co.， Ltd.， Fuzhou 350100， China;

2. Smart Cloud Power Technology Co.， Ltd.， Nanping 354200， China

Abstract： The initial processing process of northern Fujian Oolong tea is complex， the degree of mechanical automation and digitization is low， and the labor intensity is high. The article briefly described the definition of the Internet of Things and its application in tea processing and tea industry， analyzed the principle of the Internet of Things technology in the initial production equipment of northern Fujian Oolong tea from the perspective of practical work， and explored the prospect of developing key technologies of the Internet of Things to realize the flexible production line of northern Fujian Oolong tea， in order to improve the initial production level of northern Fujian Oolong tea and promote the development of the initial production of northern Fujian Oolong tea towards the direction of automation， informatization and intelligence.

Keywords： Northern Fujian Oolong tea， internet of things， primary machinery， flexible production line

閩北烏龍茶是四大烏龍茶之一，深受消費者喜愛，其初制工藝復雜，主要加工工序為萎凋→做青→殺青→揉捻→烘焙[1]。當前閩北烏龍茶主要通過單機加工，存在機械化、自動化、數字化程度低，生產條件差，勞動強度大[2]，制茶師依靠經驗“看茶做茶”等問題。隨著閩北烏龍茶價值的不斷提升，消費者對產品的要求也越來越高，將物聯網技術應用于茶葉機械，提升茶葉質量已刻不容緩。

1" 物聯網技術在茶葉加工及茶產業中的研究和應用現狀

1.1" 物聯網概況

物聯網指通過各種類型的傳感器件，并借助特定的信息傳播媒介，實現物物相連、信息交換和共享的新型智慧化網絡模式[3]。孫其博等[4]將其歸納為通過無線技術互連的嵌入式設備網絡，并通過信息技術和數據服務賦能現實業務流程的技術。

1.2" 物聯網在茶產業中的應用

物聯網技術在近年來日益細分化的發展過程中，廣泛運用于智能可穿戴設備、智能家居設備、交通監測、具有多種傳感器的農業物聯網、智能電網和供水供料等多種場景[5]。在茶產業則常見于智慧茶園、茶葉加工、倉儲物流這三大應用場景中[6]。茶園管理過程中，物聯網常見于監測茶園天氣土壤情況的土地墑情站、遠程智能判別操控澆水施肥的智慧灌溉系統和觀測到蟲害時邀請專家遠程鑒定種類及規模的病蟲害防治系統[7]，不僅可以協助智慧茶園以更低的人工成本完成管理操作，還能在茶葉流通交易中對茶產業數據進行全方位采集、融合，幫助政府、企業把握行業脈搏，洞悉市場走向[8]。在茶葉的加工包裝過程中，物聯網契合加工流程自動化、數據化、智慧化的發展趨勢[9]，使現代茶葉加工更加智慧化、精細化，標準化。采集的數據也可以在應用層面進行共享和智慧化分析，在技術上優化茶葉加工自動化發展以及茶葉產品的質量管控，在文化上幫助制茶非遺技藝傳承發揚[10]。

1.3" 物聯網在茶葉加工中的應用概述

福建省作為茶葉產銷大省，致力于推廣茶葉加工的機械化、自動化和數字化，目前已經在連續自動化生產線上取得了突破，并在香江茶業等行業龍頭企業成功推廣應用，生產線人工減少了40%，同時產量提升了100%[11]。福建茶園以山地居多，存在相對規模小、散點狀分布的特點，這造就了茶葉加工中批量小、批次多的生產特點。在交通不便，茶園面積小的鄉鎮，茶葉加工容易陷入規模效應缺失、品控失效、加工失準的情況。

物聯網為小規模茶葉加工提供了非常完整的解決方案，通過建立云端茶葉數據庫，匯集茶葉加工各環節的信息，將依靠大師長期經驗積累才能決定的制茶操作，變成應用系統自動提醒的具體操作，降低制茶門檻，提升茶葉成品的質量。

物聯網提供了基于茶葉狀態數據的加工流程智能管理方式，利用狀態數據收集、算法智能研判和遠程控制3個主要功能模塊，完成了“感知、判斷、執行”的操作閉環。感知層面上，配合茶葉品質即時測控技術的突破及便攜式多用途茶葉品質快速檢測儀研發，使得茶葉狀態數據采集從傳統的親臨現場、做茶看茶，轉變為越發細致且針對性更強的狀態數據，并可以實時上傳到茶葉加工云端數據庫，形成數據沉淀[12]。判斷層面上，要實現茶葉狀態的監測、評價和分析，并在此基礎上，提供狀態預警和全局資源管理，真正實現智能化、智慧化。物聯網利用云端茶葉生產大數據，通過聯合多個茶廠數據，增大了數據樣本，提供了數據模式。與此同時，神經網絡和AI算法的應用也不斷往茶學的細分領域發展，多個研究團隊都在AI算法與茶葉分類判斷的交叉領域不斷探索[13-15]，能在生產中快速學習完善功能需求的算法模型研究開發也已起步。

提高機械設備與工藝技術的融合度是物聯網在茶葉加工中應用的另一個發展趨勢。由于茶葉種類繁多，加工工藝理論各不相同，對于茶機裝備的需求各有不同。針對各種不同茶葉加工的工藝和工序特性，提升茶機裝備與工藝技術的融合度，以此提升各個工序中茶葉加工機械對于指令執行的精細度和實時性，更好地保障茶葉品質。

2" 物聯網技術在閩北烏龍茶初制加工中的應用

傳統茶葉初制的生產機械化于上世紀八九十年代模仿手工初制工藝而來，在結構、信息化及自動化接口等方面存在先天缺陷，閩北烏龍茶初制機械通過加裝物聯網輸入設備，可以將制作過程中的工藝參數等全部儲存，實現產品生產過程全溯源。還可以通過云計算和物聯網技術，將數據傳輸到云端，進行本地與遠程操控切換，實時監制調整以及整體數據分析，分析數據得到適應不同條件的加工工藝方案可以直接輸入設備，實現茶葉智能化加工生產，減輕工作強度，提升茶葉生產效益。物聯網技術在閩北烏龍茶初制加工中的原理相似，但在每個環節又有所不同。

2.1" 萎凋

萎凋是烏龍茶加工的第一道工序，閩北烏龍茶萎凋對場地、氣候、人力條件要求較高，部分企業鮮葉入廠后，直接投入綜合做青機與做青工序合并，影響成品質量。萎凋房萎凋是閩北烏龍茶萎凋較為適宜的方式，主要配置除濕機、風機、加熱裝置、排氣裝置。通過加裝溫濕度傳感器與內嵌數控系統的物聯網云控制器，實現萎凋環境的實時監控與控溫控濕裝置的自動調節，降低對客觀條件的依賴，提升萎凋質量。

2.2" 做青

做青是烏龍茶品質形成的特有工序，也是關鍵工序，技術較為復雜，需要加工者依據茶樹品種、鮮葉老嫩、萎凋程度、氣候條件等“看青做青”。綜合做青機是閩北地區常用的烏龍茶做青機械，其主要結構由機架、搖青筒體、變速裝置、鼓風機等組成。通過加裝溫濕度傳感器與內嵌變頻器的物聯網通用云控制器，可以收集到溫度、濕度、做青機轉速、運行時間等工藝參數，并進行數字化解碼，實現綜合做青機的自動化、數字化升級，便于加工者做出準確判斷。加裝設備后還改變了傳統綜合做青機單一轉速運行的現狀，生產者可根據需要調整快慢檔及無極變速轉動，并且可以同時操作多個搖青筒，依據搖青筒內的溫度、濕度自動開啟搖青、涼青、反轉出茶，解決人力短缺、無法同時控制多個搖青筒的問題，大大提升了工作效率。

2.3" 殺青

殺青是制茶的重要環節，閩北烏龍茶鮮葉成熟度較高，需高溫快炒，少透多悶。滾筒殺青機是閩北地區常用的烏龍茶殺青機械，由機架、滾筒、傳動系統、風扇、支撐架、爐灶等組成。通過加裝熱電偶傳感器與內嵌報警器的物聯網通用云控制器，可以靈敏收集到殺青機各區域的實時溫度，通過數據歸集和有限元分析（FEM）法建立數字模型，控制每個區域茶葉溫度，做到實時監控、對樣分析，并依據溫度、運行時間情況自動開啟或停止殺青、反轉出茶，在溫度過高、超過設定值時還會觸發警報，提升安全指數。

2.4" 揉捻

揉捻是烏龍茶的造型工序，一般需熱揉、快揉、短揉。揉捻機結構由揉桶、揉盤、加壓裝置和機架等組成，各茶類通用。通過加裝限位器與內嵌報警器的物聯網通用云控制器，可以獲取茶葉揉捻壓力情況，實現開蓋、加壓、揉捻、松壓、下茶多流程自動化進行，避免人工手搖碾壓輪加減壓可能帶來的受傷風險；亦可同時操作多個揉捻機，對未及時處理的揉捻葉自動警報提醒，節約人力、精準控制揉捻全過程。

2.5" 烘焙

烘焙是形成閩北烏龍茶特有色香味品質風格的重要過程，需要足干，為后續精制時“吃火”做準備。閩北烏龍茶初制過程中烘干工序常使用鏈板烘干機，其主要結構由加溫設備、鼓風設備、烘箱傳動系統、輸送裝置等組成，廣泛運用于大量茶葉烘干工序。通過加裝熱電偶傳感器、內嵌報警器與變頻器的物聯網通用云控制器，可以獲取鏈板的溫度、轉速、撥葉器工作速率等數據，精準掌控烘干情況，提升烘干效率，使一次成形。在溫度過高，超過設定值時還會觸發警報，提升安全指數。

3" 閩北烏龍茶初制機械加工關鍵物聯網技術研究展望

隨著物聯網技術的發展，茶葉機械也得到了較大提升，國內外茶機生產企業近年來在制茶裝備的外觀設計、制造工藝水平及自動控制程度、節能減排、智能化等方面均取得了長足進步，運用物聯網技術的白茶萎凋房已經在各白茶產區得到了大量推廣與應用，取得了不錯的效益。隨著物聯網、機器學習等技術的飛速發展，研發更高自動化程度、信息化程度、智能化程度的新型茶葉加工機械，構建柔性無人化、清潔化、連續化生產線替代現有小型、單臺、斷續作業、一家一戶使用為主的閩北烏龍茶加工機械設備是必然趨勢。目前武夷學院相關團隊已經對其中的關鍵技術開展研究，通過無人輸送車輛改變傳統的通過傳送帶連接的生產線。

3.1" 研制巖茶初制加工物料無人輸送車輛

研究開發茶青自動進出物料的車載機電一體接口，研究開發物料提升裝置、物料定重檢測裝置等附屬車載檢測功能模塊；研究多環節工序物料輸送裝置集成技術，完成自裝卸巖茶初制加工物料輸送車輛原型系統開發，實現中間茶青物料“不落地”清潔生產目標。

3.2" 單目機器視覺定位控制研究

單目機器視覺定位控制是利用單目攝像機主動感知生產環境，以深度神經網絡輸出閩北烏龍茶生產現場里程計測量，輔助以模式識別生產裝備，實現提升無人物料輸送車輛的定位控制，使其適用于大小、分布不一的復雜閩北烏龍茶生產環境。

3.3" 基于物聯網架構的智能調度系統研發

研究基于通用開發模塊、通用物聯網云控制器、福建智慧茶云平臺等物聯網軟硬件，結合基于蜂窩的窄帶物聯網（NB-IoT）、5G通信技術，實現從智能茶園管理、智能初制加工、智能倉庫和智慧物流到私有云環境無線互聯，完成茶產業鏈的智能控制和調度系統的開發。研發應用自動化機器學習算法的制茶工藝，將閩北烏龍茶的初制加工制程標準化，以工藝生產技術指標為擬合目標，挖掘傳統生產工藝調度數據，優化巖茶初制加工物料調度規劃。

參考文獻

[1] 陳林， 張方舟， 張應根. 閩北烏龍茶的制法[J]. 中國茶葉， 2003， 25（3）： 17-18.

[2] 周玉璠. 閩茶機械裝備創新之路[J]. 福建茶葉， 2022， 44（2）： 6-8.

[3] 吳吉義， 李文娟， 曹健， 等. 智能物聯網AIoT研究綜述[J]. 電信科學， 2021， 37（8）： 1-17.

[4] 孫其博， 劉杰， 黎羴， 等. 物聯網： 概念、架構與關鍵技術研究綜述[J]." 北京郵電大學學報， 2010， 33（3）： 1-9.

[5] 黃友文. 基于RFID及物聯網技術的茶葉溯源系統研究[J]. 保鮮與加工， 2016， 16（4）： 112-117.

[6] 鐘瑛， 趙建濤， 于歡. 大數據背景下茶葉行業智能化管理研究[J]. 福建茶葉， 2017， 39（2）： 63.

[7] 劉超超， 金健飛. 數字化賦能設施農業種植托管服務[J]. 農業工程技術， 2020， 40（7）： 18-21.

[8] 羅志偉， 何慧妍， 王敏. 鄉村振興背景下的數字化農業空間構建與實踐——以廣東省紫金縣茶產業為例[J]. 熱帶地理， 2022， 42（8）： 1324-1334.

[9] 金晶， 俞燎遠， 陸德彪， 等. 浙江省茶產業數字化改革進程與展望[J]. 中國茶葉加工， 2022（3）： 6-10， 33.

[10] 張虹. 中國茶葉企業品牌營銷問題與對策的研究[D]. 北京： 北京交通大學， 2014.

[11] 李良清. 武夷巖茶自動化精加工生產線及其應用[J]. 中國茶葉加工， 2020（1）： 30-33， 54.

[12] 李文萃， 周新奇， 范起業， 等. 便攜式近紅外茶葉品質快速檢測儀設計與試驗[J]. 現代食品科技， 2021， 37（5）： 303-309.

[13] 李大祥， 張正竹， 夏濤， 等. 2017中國茶產業科技進展發展報告[J]. 茶業通報， 2018， 40（4）： 157-174.

[14] 林麗惠， 魏毅， 潘俊虹. 基于卷積神經網絡的武夷巖茶葉片分類方法[J]. 寧德師范學院學報（自然科學版）， 2021， 33（4）： 363-369.

[15] 陳琦， 潘天紅， 李魚強， 等. 基于卷積神經網絡和近紅外光譜的太平猴魁茶產地鑒別分析[J]. 光譜學與光譜分析， 2021， 41（9）： 2776-2781.