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無線感知網路(WSN)技術在農業領域上的應用成果

資訊中心 蔡依真

一 . 前言

  無線感知網路( Wireless sensor network, WSN )在廣義上而言,泛指一切具有感測器感知外界環境變數,並通過無線傳輸相互連結的系統。在狹義上, WSN 一般指的是使用 Zigbee 協定( IEEE 802.15.4 標準)的感測器模組, Zigbee 簡單地說 是一種短距離(約 50 ~ 100m )、低傳輸速率( 20kbps ~ 250kbps ) 、收發少量資料、 低耗電 的 無線傳輸 技術。 每個感測器模組可視為一個極小型的電腦,內有微處理器、微電力的感測器及低電壓操作之收發天線等三大功能,使每一感測模組內微感測器可感應周遭環境資訊或監控特定目標,習慣上常稱每一感測模組為一節點( Node )。 WSN 結合了無線網路技術、感測器、資料記錄器與資訊技術,適用於多種應用領域,如環境監測、生態監測、健康與醫療照護、防災救災、商業與家庭自動化、交通管理等。 WSN 的性質就如同大地的神經系統,扮演感應外界、傳遞訊號的角色。無線傳輸避免了實體佈線麻煩,可以在小範圍的空間內部署高密度的監測節點,也不需人力在監測區域附近待命。

  近年來,模組化 WSN 設計使得感測元件之感測器種類日趨多元,可達到不同的感測應用;而在軟體方面,也只要改應用程式而不需要修改程式之底層架構。目前市面上可應用之感測器的種類有溫度、溼度、光照、氣壓、風向、風速、 CO2 、震動、壓力與可見光、紅外線、紫外線等。 WSN 可長期而精準的記錄環境的相關狀態,並可利用這些資訊分析結果作為即時因應之改善措施、降低風險及提升經營效率。由於 WSN 具有遠端、線上即時監測及資料收集的能力,且能結合感測器、通訊、網路、網頁與資料庫建置成全自動化資料收集平台。因此 WSN 技術可應用於生態研究、環境保育及害蟲監測等農業領域,實際應用情境與效益將於後面章節所述。

二 . WSN 於農業領域應用現況

(一) WSN 應用於農業生態研究

  目前生態研究的資料收集,多數需仰賴人工操作儀器進行資料採集,或定時前往採集點讀取感測器收集之資料,收集之資訊需經過整理、分類、分析與處理,才能提供給研究者使用;若感測器發生狀況損壞時,也無法第一時間得知相關訊息,需待資料收集時才能發現,易造成資料收集不完整現象,這些步驟需耗費大量的人力資源,也不符合研究效率,更會增加許多不必要的困擾。有鑑於此,農業試驗所與台南區農業改良場於 2006 年開始在農業試驗所嘉義分所荔枝園、溪口農場及台南改良場雲林分場之農業生態長期研究站建置無線感測網路系統,以加強各研究站資料收集的完整性。

  試驗田間的感測資料主要透過中繼站電腦進行資料擷取與儲存,且透過電信公司之 ADSL 服務,每 10 分鐘將資料傳送至農試所中央伺服器資料庫,另外本研究亦建置無線感測網路之網頁,讓使用者可以在網路上即時查詢感測器各種不同時間的歷史資料,提供 Word 、 Excel 、 Csv 、 Xml 等多種資料格式下載。並且網站上另有每日滲漏計變化趨勢、土壤溫溼度變化趨勢、植物生長影像即時監控及渦流通量觀測資料。網站上也提供各研究站感測器分佈圖與即時感測器狀態圖,供管理者掌握各地感測器運作情況。介面中會提供感測器位置標示,並設有通報燈號,系統管理者可透過燈號變化瞭解感測器是否故障。

  透過無線感測網路進行生態資料收集平台,研究者可隨時隨地經由網路進行各項感測器的資料取得、分析與處理,並可即時針對異常感測器或數值進行深入分析與維護,不僅降低人力需求,也能降低以往人力資料收集與整理過程中所造成誤植、或儀器損壞所造成的資料錯誤與資料斷層。更藉由完整生態系資料的獲得,未來亦可利用科學之工作流程進行農業生產力與生態系功能等模式推導,可加速國內農業生產與生態研究之進展。

(二) WSN 應用於環境保育

  澎湖馬公市青灣海域擁有珍貴的珊瑚生態與優良的水產環境,青灣水域亦為農委會水產試驗所種原庫取用水源之一,作為種原庫內至少數十種特有或高經濟性水產種原繁殖及箱網中間育成之用。近年來因為受到地球溫室效應所引發的氣候不穩定性,加上冬季寒害常造成該區大規模水產生物及珊瑚死亡案件,亟需對該水域環境進行長期監測,以免因氣候異常而導致海域環境生態的破壞及水產業者的損失。但因傳統船測方式受限於時空條件侷限,無法滿足監測需求。為達到穩定收集海域資料,水產試驗所從 2009 年開始規劃並利用崁入式系統整合控制 WSN ZigBee 傳輸技術,發展一具有太陽能自主供電及電力控制能力,與溫度、鹽度、 pH 、溶氧、濁度及葉綠素等多參數水質監測儀器的觀測浮標系統,以期達到海域水質觀測與預警之目的。

  目前在青灣海域中,共放置 4 具主次節點浮標,其外觀設計皆可分為上部結構、浮體結構及下部結構三部分。上部結構包含太陽能板、 GPS 天線、 ZigBee 天線及用於警告附近船隻之太陽能供電航行警示燈。浮體部份則於內部設計一個儀器艙室以容納及保護所需之訊號傳輸與電源控制設備,下部結構主要功能為聯結錨碇裝置以避免浮標漂流,並在下部結構和錨碇端之間設置一便於維護之可拆卸儀器架,以便將水質觀測儀固定在其中。

  為顯示各節點浮標所測即時資料,水產試驗所同時開發 WSN 即時監測與預警系統網站,本系統網頁可即時展現各主次浮標 10 分鐘間隔連續傳送之各項電力、 GPS 位置及各水質參數資料、主節點浮標之即時水下像,以及整合現有氣象站資料,並可將所測得之水質及氣象資料繪製出等值線圖或差異值圖,以便瞭解灣內水質分布情形。系統亦可約每 6 小時自動分析及繪製漲退潮期及半潮期水文參數等值線圖及異常值圖。

  水產試驗所利用 WSN 無人、全天候、自動監測之優勢,同時即時監測澎湖海洋棲地水質狀態,並串接整合岸上養殖魚塭及種原池水質利用情形,一方面可提供不良水質預警、提前防範及採取必要之措施,確實掌握養殖環境變化,進而發展多參數預警及預測模式可提供水產養殖業者參考,另一方面也可避免人為或天然災害之破壞,以協助生物多樣性環境中珊瑚之保育、海域水質觀測與預警,降低天然災害損失。

(三) WSN 應用於害蟲監測

  東方果實蠅為害我國 30 多種重要經濟水果,係最重要果樹害蟲之一,對農業生產之影響極大。東方果實蠅其生物特性、危害情形與族群分布偵測、誘殺劑運用與蟲害控制管理等研究,國內外已有相當成果,然而一直以來仍缺少一套可節省人、物力,且兼具良好時間與空間解析度之全面性害蟲偵測機制,可有效且準確記錄蟲害發生時之生態環境參數資訊並即時回傳,以建立良好之評估模型與預警系統。有鑑於此,農業試驗所於 2009 年開始著眼於研發提升田間東方果實蠅的綜合防治成效之利器,結合自動化感測、 WSN 無線感測器網路、 GSM 無線資訊傳輸,以及 GIS 地理資訊系統技術,研發新型東方果實蠅誘引模組,以進行遠距自動化害蟲生態環境監測與區域監測網先導應用評估。

  該研究於 2009 年已完成彰化縣員林鎮及嘉義縣竹崎鄉共計 6 處果園之 60 個感測節點及 6 組田間閘道器之裝設,並開發完成主控平台及後端伺服器之各項軟硬體架設等工作,且完成前後端試用評估。 2010 年另於宜蘭縣員山鄉擴點 2 處果園,共計架設 20 個感測節點及 2 組田間閘道器。其裝設完成之果園監測資料皆已陸續蒐集至資料庫中,並與人工計數進行比對以評估其準確性(設備調查與人工計數線性回歸 R2 可達 0.89 )。除此之外,並陸續進行週年之即時監測,評估天候條件對此監測裝置是否有所影響並探討其前後端平台之穩定性等功能。初步研究結果指出,透過 WSN 監測,除將可大幅降低監測需求的人力成本,更可提供田間東方果實蠅危害情形即時性監測功能,其高空間解析度以及高時間解析度的資料收集能力,是現有人工計數難以達到的。並且, WSN 監測管理系統能呈現蟲害控制管理所需重要的資訊,將提供農政單位進行綜合防治管理機制之參考。

三 . 結語

  WSN 結合了感測器及無線網路傳輸機制,改善過去收集資料及建立資料庫所需消耗的人力,達到資料自動化收集的目的,並可用於大範圍或長期記錄之觀測工作,大大提升了監測系統的準確性、感測範圍及便利性。如能利用 WSN 自動收集監控資訊搭配統計分析系統,研究建立參數模式,將可型塑農業綜合支援架構,以因應農業面臨之各種情境。目前國內無線網路傳輸環境越來越趨於成熟及普及,加上各類微感測器多元發展,可預見未來 WSN 技術能應用在農業領域的範圍將更廣泛,對於提升整體農業之效益亦可期待。

土壤溫溼度歷史資料

土壤溫溼度歷史資料

WSN節點浮標資料傳送示意圖

WSN 節點浮標資料傳送示意圖

東方果實蠅監測模組

東方果實蠅監測模組

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