台中區農業改良場 何榮祥˙田雲生․陳令錫

前 　　 言

　　在農業生產過程中，溫度、濕度、日照強度、雨量、土壤水份等諸多環境因子，對作物生長狀況與產品品質有決定性的影響，在傳統的研究與調查中，比較簡單的方法可以參考氣象單位的測候資料，進階的方法則是根據試驗所需，在田間佈設相關之感測器與記錄器，研究人員則定期前往下載資料，是為一種離線的處理模式，但離線的調查方法在遇到較大範圍之測點或分散廣泛之區域或需要即時反應設備或環境之狀況，則因距離之限制操作之困難度，尤其在防災系統上必須立即取得資料，更是無法有效滿足所需，所以離線的紀錄模式在運用上、時效上受到極大的限制。近年來由於微機電資訊與通訊技術的快速發展，運用適當的無線通訊技術，配合感測系統的運用，相關監測資料可以立即傳送至遠端資料處理中心，進行統計分析，或提出預警，必要時甚至可以進行逆向之控制，大幅提升反應速度，研究人員與栽培者得以立即取得更精準的環境資訊，同時亦可藉由歷史紀錄的回溯，配合作物生長狀況調查，更有效的掌握作物生長關鍵，使作物栽培更有效率。台中區農業改良場自民國 95 年起即積極進行運用無線通訊技術，進行作物生產管理之研究。整體系統是以一般民眾廣泛使用數位式行動通信系統為基礎，結合感測器，進行作物生產微氣候環境偵測與控制系統做整合應用，設計出一個可進行遠端無線資料傳輸與設備無線遙控之監控系統。監控系統定時進行溫室栽培環境溫度、濕度與日照強度等微氣候環境資料及風扇、水牆、遮陰網等設備運作狀態的資訊收集，並將所得之資料藉由電信業者之行動電話簡訊系統，同時傳送至遠端之中央控制電腦與系統管理人員之行動電話中；系統管理人員可以在連結網際網路之環境下，隨時運用電腦上網，連結中央控制電腦，查詢與控制溫室內部設備操作與微氣候環境狀態；在無法使用網際網路系統時，亦可直接運用行動電話進行查詢，必要時更可利用行動電話簡訊系統逆向發出命令，進行設備操作與控制，達到無遠弗屆之管理，另一方面更可藉由中央控制電腦累積中長期監測紀錄資料，改進其生產作業程序，提升產品品質，使其生產管理更具彈性與效率。

系統架構

　　本系統前端由可程式邏輯控制器、感測器與手機通訊模組組成，首先感測器將設施內外所偵測到之環境數據送交可程式邏輯控制器進行編碼、暫存，再與所設定之控制條件做比較並對溫室環境控制設備進行控制，接著可程式邏輯控制器依照所設定之時間間隔呼叫手機通訊模組，運用行動電話簡訊系統，向後端電腦及行動電話送出訊息，操作者使用電腦瀏覽器可以顯示系統即時狀態、歷史資料回溯、分析繪圖，在系統調整與控制方面則以圖控方式，逆向發送對應之簡訊命令，進行控制；行動電話部分除接收簡訊訊息外，另以 JAVA 程式為基礎，撰寫控制命令選單，操作人員以下拉式選單模式，選擇所需操作條件，發送對應之簡訊命令，進行系統狀態查詢與控制。整體系統架構如圖 1 。

圖 1 溫室遠距無線傳輸監控系統架構圖

　　操作者由可程式邏輯控制器之人機介面，進行設備控制相關參數之設定 ( 圖 2) ，設備啟動後，可程式邏輯控制器依所設定之條件，進行溫室內部與外部之微氣候環境資料與溫室環境控制設備運作狀態資料收集，系統將蒐集所得之資料經編碼後暫存於可程式邏輯控制器中，再依操作者所設定之時間間隔，呼叫手機通訊模組，將所量測數據藉由手機通訊模組以簡訊方式通過電信業者之基地台做中繼，向後方接收端傳送資料，系統訊號之收送均使用所設定之電話號碼為辨識對象，以確定收發兩端之身分，並確保系統安全。

圖 2 溫室遠距無線傳輸監控系統電路與人機控制介面

　　在前端感測器配置方面，於溫室外部設置一套溫、濕度與照度感測器，記錄溫室外部環境參數之變化，所得之資料做為提供與溫室內之環境資料進行對照使用。控制系統以兩套室內感測系統監測所得數值之平均值為控制基礎，若有感測器故障則系統會發出警訊通知系統管理人員進行處理，另以正常運作之感測器監測數值為基準，繼續進行相關對應系統之操作。系統操作人員可以根據其所栽培之作物需求，彈性組合風扇、水牆與外遮陰網之動作。當系統啟動時，監控系統會進行全系統重置，所有設備包括風扇、水牆、遮陰網與四周之塑膠帆布會全數關閉，系統檢測正確無誤後，再根據當時之監測結果與設定條件，開啟對應之設備。整個系統操作過程中，除定時傳送之環境參數資料外，若有任何設定條件或設備運作狀態之改變，系統會記錄所進行之操作項目，並立即以簡訊發出警訊，將所進行之操作內容通知管理人員，以避免現場工作人員之錯誤操作發生。一般狀況之下，前端系統只要接上電源，打開開關，即可依預設程序進行操作，不會對非專業的工作人員造成任何負擔。

　　在資料接收端方面可以選擇單獨使用行動電話或行動電話與電腦兩者同時運作；若單獨以行動電話為接收與控制端，當溫室作業環境發生異常，或設備狀態發生改變時，系統內建之訊息接收名單內所有人員均可立即獲得警告訊息，在逆向控制方面，行動電話端使用 JAVA 平台編寫控制程式 ( 圖三 ) ，運用表單操作選擇對應之操作命令，發送簡訊，進行溫室系統狀態詳細資料查詢，必要時再利用行動電話發送簡訊逆向進行溫室系統調整與問題之解決，若操作人員之行動電話不支援 JAVA 作業平台，亦可直接以命令代碼進行操作，此種方式系統最精簡，但相關微氣候環境資料無法累積、回溯。第二種方式是以行動電話與電腦兩者同時運作，兩者同時為資料接收與控制端，此時前端將傳送訊息先行分類，系統一般運作資料只送交電腦端進行收集、紀錄，以為後續之分析與加值運用，當系統發生異常，或設備狀態發生改變時，則同時將訊息傳送至後端管理人員之行動電話與主要的管理電腦中，管理人員可以立即做出判斷與反應，而系統記錄亦可獲得保存，以為後續改進經營管理之依據。後端電腦系統網頁具有系統狀態即時顯示 ( 圖 4) ，及進行歷史資料回溯、分析繪圖與逆向控制等功能 ( 圖 5) 。系統主要操作模式與行動電話系統相同，但電腦具有更直覺與詳細的操作介面。另外在網頁中亦保留網路攝影機之運用，當數據資料不足以進行決策之判斷，且溫室現場為 3G 行動通訊系統所涵蓋之處，經營管理者另可藉由電話影像傳輸 ( 圖 6) ，由遠端觀察其作物生長狀態，必要時再藉由語音傳輸，指導現場工作人員進行生產管理作業。

圖 3 溫室遠距無線傳輸監控系統行動電話控制介面

圖 4 溫室遠距無線傳輸監控系統即時監控網頁

圖 5 環境資訊歷史資料分析繪圖

圖 6 3G 影像傳輸與互動溝通介面

結 　　 語

　　有鑑於人民生活水準的提高與消費型態的改變，對農產品品質之要求也日益提高，農業生產者需不斷提升其生產技術，在國內農友運用設施結構配合環境自動控制系統進行高品質之作物生產已相當普及，傳統的機電控制系統直接設置於設施之內，經營管理者需經常處於現場進行管理操作，對設施集中的經營者而言，尚不至於產生太大問題，但如果經營者所管理之設施面積較大，且為配合作物最佳生長環境進行生產，而將所管理之設施分散各地，此時將因空間距離造成管理困難與效率低落，若能將分散各地之資料集中於單一地點，進行集中管理與控制，則可大幅提升管理效率。台灣行動電話基地台廣佈，不管在偏遠山區或空曠地區都有不錯的通訊效果，幾無通訊死角，加以國內行動電話普及率極高，操作簡單且貼近一般人之日常生活操作，相較於使用網際網路進行傳輸，其系統之操作技術門檻較低，且通訊涵蓋面亦較大，此外運用行動電話簡訊系統進行資料傳輸，就算後端監控系統發生異常，不能即時接收資料時，資料仍然可以在 24 小時內於電信業者服務中心代為保存，直到監控端正常接收為止，因此資料不易遺失，整體系統具有操作簡單且穩固之特性。本系統運用行動電話系統進行系統即時監控，再配合電腦端集中化之資料收集與累積，經營管理人員不但可以隨時掌握其設施之運作狀態，更可藉由電腦端之資料回溯與分析，反饋於栽培管理，提升其管理效率，使系統管理人員管理能力極大化，且達到無遠弗屆之管理目標。