基于Spring Cloud架构的有机茶园数字化系统构建研究

“十四五”时期我国将大力推进数字乡村建设，发展智慧农业。在我国全面系统实施乡村振兴、健康中国和共同富裕大战略矩阵的时代背景下，如何有效加快物联网、大数据、区块链、人工智能、5G、智慧气象等现代信息技术在生态茶园数字化建设领域的轻量级应用，大力建设数智化生态茶园，已经成为“十四五”期间及未来更长一段时期生态茶园的发展方向。但现阶段生态茶园数智化轻量级应用研究仍处于起步阶段。

杭州市第九批科技特派员团队根据杭州的茶产业特征和区域优势，以杭州有机生态茶园数智化轻量级应用研究试点，设计集成开发了一套以有机生态茶园资源数字化保护为核心的茶园数字化系统，实现了传统有机茶园粗放式管理向数智化精准化管理的转型，提升了有机茶的产量和品质，推进了杭州有机茶产业可持续健康发展。

▲富阳渌渚镇有机茶园

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项目建设思路与技术线路

1、项目建设思路

创新构建“1+N+1”科技特派数智服务模式(1:1个科技特派员服务团队，N：多个跨专业群全产业链智库专家，1:1个智慧有机茶园全生命周期数字化系统)，聚焦杭州有机茶园这一绿色特色产业，综合利用无人机、区块链、人工智能(AI)、5G、云计算等技术，分期有序开发“有机茶种质资源生长环境监测系统、有机茶无人机飞防系统、有机茶绿色病虫害防控系统、有机茶水肥药一体化调控系统、有机茶全生命周期智库专家系统、有机茶融媒体新型态电商系统”六大数字化矩阵系统，系统赋能杭州有机茶园有机茶种质资源数字化保护、有机茶数字化生产、有机茶数字化加工、有机茶数字化储运、有机茶数字化营销等环节，贯通有机茶产业链、有机茶供应链、有机茶资金链、有机茶创新链，打造“科技特派助力杭州有机茶全产业链全生命周期数字化管理”新模式，实现杭州有机茶全产业链数字化蝶变，打造“1+N+1”科技特派数智服务模式助力乡村振兴赋能共同富裕杭州富阳样板。

2、项目技术路线

基于Spring Cloud架构的有机茶园数字化系统构建遵循以下技术路线：根据“1+N+1”科技特派数智服务模式组建跨专业群研发团队，收集国内外参考文献，对国内外该领域研究进行系统分析，实地走访杭州及周边有机茶园;根据杭州有机茶园全生命周期数字化管理的实际需求，研讨并形成该项目的总体方案;根据基于Spring Cloud架构的有机茶园数字化系统设计要求进行系统布局及六大子系统功能分解;开展Spring Cloud、MVVM开发模式、无线通信技术、基于多传感器数据融合的有机茶种质资源生长环境数据采集技术、基于动态图像识别的有机茶绿色病虫害视频监控技术等关键共性技术研究;搭建有机茶种质资源数字化监测系统、有机茶无人机茶园飞防系统、有机茶绿色病虫害防控系统、有机茶水肥药一体化调控系统、有机茶全生命周期智库专家系统、有机茶融媒体新型态电商系统六位一体的有机茶园数字化管理平台;结合杭州有机茶园全生命周期数字化管理实际需求进行算法改进、平台性能检测和软件著作权申报;完成基于Spring Cloud架构的有机茶园数字化系统设计、开发和实地部署。

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系统总体架构设计

整个有机茶园数字化系统主要应用于有机生态茶园的综合管理。系统主要将传感器技术、无人机技术、无线传输技术、Internet、3G/4G/5G网络及LoRa等物联网技术有机融合，有机茶园数字化系统按照物联网的结构分为感知设备层、网络传输层、平台系统层和终端应用层四个部分，感知设备层主要包括各种传感器、高清摄像头、无人机、声光警报器、水肥药一体机等设备，主要负责有机茶园各类环境参数、视频图像的采集、无人机和水肥药设备的调控;网络传输层主要是由网关、汇聚节点等组成，主要负责有机茶园各类数据传输与预处理;系统应用层是由服务器端和客户端(监控中心客户端、监控中心大屏、远程客户端和移动客户端)组成的有机茶园数字化系统应用平台，主要负责对有机茶园进行环境检测、飞防、管理、防控、调控、茶叶生产过程的全生命周期溯源和新形态电商等功能，系统整体框架图如图1所示。

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平台架构与实现

1、系统采用技术框架

有机茶园数字化系统采用Spring Cloud微服务框架，由注册中心、代理网关、服务消息、容错等公共件组成。Spring Cloud一般用于快速搭建分布式系统应用，其主要包括Zuul技术(服务网关)、Eureka技术(服务注册与发现)、Hystrix技术(全链路监控、服务熔断)、Ribbon技术(负载均衡)、Feign技术(Web服务客户端)等技术。利用Spring Boot的开发便利性巧妙地简化了分布式系统基础设施的开发，Spring Cloud基于Spring Boot提供了一套完整的微服务解决方案，微服务围绕业务能力进行构建，使用Spring Boot的开发风格通过全自动部署机制独立部署，做到一键启动和部署，服务可以采用不同的语言开发，采用不同的数据存储技术，有机茶园数字化系统采用的Spring Cloud微服务框架如图2所示。

有机茶园数字化系统采用了MVVM(Model-View-View Model，模型-视图-视图模型)前端架构模式，MVVM模式来源于MVC模式。View Model的双向绑定是MVVM模式的核心思想，View和Model之间没有联系是MVVM与MVC架构模式的区别，而View Model和Model是进行双向通信的，其视图数据的变化将影响到数据源的数据，MVVM模式有效优化了前后端开发的分离，有机茶园数字化系统采用MVVM代替MVC模式开发，数据源的变化将在视图上进行反映，更便于业务逻辑重用，MVVC设计模式架构如图3所示。

2、系统工作流程

有机茶园数字化系统将整个系统划分为有机茶种质资源数字化监测系统、有机茶无人机飞防系统、有机茶绿色病虫害防控系统、有机茶水肥药一体化调控系统、有机茶全生命周期智库专家系统、有机茶融媒体新型态电商系统六个子系统，每个子系统作为一个微服务存在，统一定义每个微服务名称，微服务之间既相互独立，又相互调用协作，实现有机茶园管理人员“随时随地”对有机茶园进行精准数字化管理。用户向有机茶种质资源数字化监测系统、有机茶无人机飞防系统、有机茶绿色病虫害防控系统、有机茶水肥药一体化调控系统、有机茶全生命周期智库专家系统、有机茶融媒体新型态电商系统发起某个请求，例如有机茶园相关数据查询、数据删减、数据新增、数据修改、数据统计、数据上传、数据下载等。有机茶园数字化系统工作流程图如图4所示。

3、客户端与数据库的交互

数据库是整个有机茶园数字化系统数据处理的基石，其作为有机茶园数字化数据的载体，直接为上层应用提供数据支撑。因此，对于有机茶园数字化系统整体的可用性来说数据库架构的设计至关重要，常见的数据库架构设计有主备模式、主从模式和单点模式。其中，主从模式将数据库分为一主多从，写操作由主数据库负责，读操作由数据库负责，在三种模式中安全性、稳定性最优，因此，有机茶园数字化系统采用主从模式作为数据库架构，数据库架构主从模式架构原理如图5所示。

由于有机茶园数字化系统集成了六个子系统，系统在运行过程中需要存储大量的原始数据信息，作为当下被最广泛应用的数据库之一的MySQL数据库具有稳定性好、处理速度快和安全性高等特性，因此，有机茶园数字化系统采用了MySQL 5.58版本的数据库。

对每个子系统均设计了相应的数据库表，主要包括有机茶种质资源生长环境数据存储表、有机茶无人机飞防信息存储表、有机茶绿色病虫害信息存储表、有机茶水肥药一体化信息存储表、有机茶全生命周期智库专家信息存储表和有机茶融媒体新型态电商信息存储表六个数据库表。每个表包含多个子表，例如，用户信息表和设备信息表等，其中，设备信息表主要用于存储有机茶园各类设备的相关信息，设备信息表结构设计如表1所示。

4、核心功能模块实现与应用

有机茶种质资源数字化监测系统利用当前主流数据管理技术，根据数据资源属性构建了有机茶种质资源数据信息系统(平台)，实现了对杭州有机茶园茶树生长环境的多维度实时监测，为对杭州富阳有机茶园茶树资源开展可视化、数字化和实时化的动态监测和防控提供了技术支撑。

(1)有机茶种质资源数字化监测系统框架

有机茶种质资源数字化监测系统主要实现了有机茶园状况的实时监测和报警提醒，以及对有机茶园种质资源采样工作进行数字化管理的功能。系统主要包括平台登录管理、平台主界面布局、茶园检测数据管理、采样检测报告管理和平台报警管理五个模块。用户登录该平台后，首先可以实时查看有机茶园的状态，若有异常，界面会有报警提示，便于茶园管理人员及时采取相应的管理措施。有机茶种质资源数字化监测系统框架如图6所示、有机茶种质资源数字化监测系统主页如图7所示。

(2)有机茶种质资源数字化监测系统数据管理

有机茶种质资源数字化监测系统数据管理核心功能是对有机茶园状况的实时监测数据和有机茶园茶叶种质资源采样检测数据的管理。其中，有机茶园状况的实时监测数据管理主要指可以对有机茶园茶树生长过程中的大气压、PM2.5、PM10、空气湿度、雨量、温度、光照、土壤pH值、土壤温度、土壤湿度等10多项指标的历史数据查询、数据曲线显示、历史数据添加和历史数据删减;有机茶园茶叶种质资源采样检测数据的管理主要指对有机茶园茶叶种质资源采样检测数据添加、采样检测数据删减、采样检测历史数据查询和采样历史数据曲线显示等。有机茶园茶树生长过程中历史数据查询界面如图8所示。

(3)有机茶种质资源数字化监测系统的部署

项目严格按照规范流程在有机茶园科学勘察、选址、定位和部署各类高精度环境监测设施，构建有机茶园茶树生长环境多维度实时监测模型，监测系统由大气压传感器、PM2.5传感器、PM10传感器、空气温湿度传感器、雨量传感器、光照强度传感器、土壤温湿度传感器、土壤pH值传感器等组成，将处理后的数据信息传输到系统服务器中，系统服务器按照统一的格式将采集的多维度环境数据实时存储，通过系统应用终端可以随时随地查看历史数据记录，生成分析报告等，在杭州有机茶园部署的有机茶种质资源数字化监测系统如图9所示。

(4) 有机茶种质资源数字化系统应用成效

2022年夏天，持续高温无雨的天气引发杭州的茶园出现了严重缺水的问题，部分基地甚至出现了茶树枯死的情况，杭州新岭村近百亩有机茶园由于部署了有机茶种质资源数字化系统，数字化系统通过对数字化设备自动采集的有机茶园的空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、降雨量等诸多数据进行了大数据综合分析，多次发出有机茶园的缺水和病虫害的科学预警，有机茶园管理人员第一时间启动有机茶水肥药一体化调控系统和有机茶园专用绿色捕虫设备，高效化解了近百亩有机茶园因持续高温可能引发的缺水和病虫害带来的严重后果，数字化系统成功助力有机茶园实现了数字化抗旱保茶

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结语

在国家积极实施乡村振兴、共同富裕战略，浙江省大力推进数字浙江建设的大背景，以杭州有机茶园为科技特派员服务示范开展基于Spring Cloud架构的有机茶园数字化系统构建研究，搭建了有机茶园数字化系统，并实现了主要功能模块，有效提升了杭州有机茶园的数字化水平，具体总结如下：

· 科技特派助力乡村振兴

科技特派员团队通过基于Spring Cloud架构的有机茶园数字化系统构建研究和实施，为杭州有机茶园的整体项目数字化转型升级、有机茶园有机茶叶种质资源与有机茶的数字化溯源提供了涉农全产业链技术协同服务，创新探索构建了科技特派员“1+N+1”全产业链实战型矩阵式科技特派服务模式，初步打造了科技特派助力乡村振兴“高校+基地”科技特派服务富阳渌渚样板。

· 数智服务赋能共同富裕

科技特派团队已经持续完成基于Spring Cloud架构的有机茶园数字化系统的实地部署，并成功申请了软件著作权，接下来科技特派团队将在进一步完善系统功能的基础上，重点优化有机茶园茶可视化认养和新形态茶电商小生态功能，有序开展有机茶品牌数字化提升与新形态电商赋能共同富裕示范探索，力求打造科技特派数智赋能共同富裕“科技+产业”茶业共同富裕富阳渌渚样板。

作者简介：

丁勇

浙江经贸职业技术学院信息技术学院副院长、副教授，中国发展研究院农业农村品牌战略研究中心研究员和特聘顾问，中国茶叶学会茶叶经济研究专业委员会副秘书长，浙江省茶叶学会茶叶科普工作委员会委员，杭州市第九批科技特派员(数字茶园)，保护中国种“互联网+行动”倡导者。拥有实用新型发明专利6项、软件著作权10项目，先后发表EI、SCI论文10余篇，出版26万字专著1部。

来源：中国茶叶加工

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