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106年9月(第303期)

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農業用無線通訊感測系統之研發


文圖   桃園區農業改良場 吳有恒

一、前言

  臺灣溫網室面積超過 1 萬公頃,且逐年增加。於溫網室內栽培作物除可減少天然災害的影響外,更重要的是可藉由量測與分析溫室環境微氣候、作物生長訊息及土壤狀態等資料,進行灌溉、施肥、控溫、控濕與遮蔭等管理作業,以提供作物最適生長環境,從而提升作物產量、穩定作物品質與調整作物產期。

  在農業生產上,作物的生長與品質受到環境溫度、溼度、日照、土壤溫度、含水率及電 導度等許多因子的影響。以感測器配合訊號的無線傳輸,可將感測資料即時傳送遠端,由遠端管理人員進行資料的分析與判讀,並提出預警措施;或串接控制系統以進行相關的控制作業,提供作物更好的生長環境。再者,感測系統更可連續記錄各項感測資料,藉由分析各參數的歷史資料與作物對應產量,管理者可更容易掌握關鍵的栽培技術。

  農業生產環境通常高溫高濕,農業用感測系統在設計上必須考慮環境的影響,包含如何選擇適用於農業環境的感測器及如何將感測器與電路板介接,以避免感測器直接鑲嵌在電路板上所可能引起的腐蝕損壞;以及允許更換使用不同廠牌及精度的感測器,以增加感測系統的適用性,解決維修不易的問題。同時在後端軟體的設計上,要能將感測數據轉化成作物生長管理有用的資訊,以供溫室管理人員快速的決策判斷。

  桃園區農業改良場於 103~104 年執行相關研究計畫,開發農業用無線通訊感測系統暨雲端服務平臺,可同步監測溫室溫度、濕度、CO2 濃度、光合作用光量子通量密度(Photosynthetically Photon Flux Density; PPFD)、作物葉片溫度、土壤溫度、含水率及電導度(Electricity  Conductivity,  EC)等 8 項作物栽培參數;感測資料直接透過 3G 無線網路上傳雲端服務平臺,溫室管理者可於遠端利用電腦或行動裝置連線進入平臺, 查詢即時感測資料、歷史資料及經運算分析後的數據與圖表,以有效進行作物栽培管理。

二、農業用無線通訊感測系統

  農業用無線通訊感測系統架構如圖 1。溫室內微氣候、作物及土壤等訊息由感測器感知後傳送至主機,訊號經主機運算處理後, 透過 3G 網路,上傳雲端伺服器;管理人員可透過網路連線進入雲端伺服器,查詢即時感測資料、歷史資料、運算處理後資料,或是將資料下載,進行其它的分析運算,以作為作物栽培管理的依據。

圖 1. 農業用無線通訊感測系統架構。

圖 1. 農業用無線通訊感測系統架構。

圖 2. 無線通訊感測系統主機及感測器配置。

圖 2. 無線通訊感測系統主機及感測器配置。

  感測系統主機及感測器配置如圖 2,主機內裝置有 iPCB-2000 主機板以連接非線性類比信號,以及研華 ADAM-4117 線性資料擷取模組。感測主機連接有溫度、濕度、CO2 濃度、光合作用有效光子通量密度、作物葉片溫度、土壤溫度、含水率及電導度等 8 項感測器。

圖 3. 雲端平臺資料收集分析架構。

圖 3. 雲端平臺資料收集分析架構。

三、雲端平臺資料收集分析架構

  雲端平臺資料收集分析架構如圖 3,包含環境監測、監測資料查詢、成長分析與系統設定。於環境監測項下可顯示所有感測器的即時感測數據及感測器是否正常運作。於資料查詢項下,可設定時間區間,以進行感測資料的查詢與下載。在綜合成長分析項中,可顯示各感測資料的歷史曲線圖,使用者可設定不同時間範圍,以觀察此段時間內各感測參數的長期變化趨勢;歷史曲線圖亦可針對管理分析需要,選擇 1 個或多個感測參數同時顯示,以評估感測參數間的交互影響狀況。在累積值分析部分,可顯示不同時間內, 各感測數值累積量,以及運算後的統計數據。於系統設定項下,可進行包含設施所在位置、主機位置、使用者資訊及感測器的各項設定等。

四、雲端平臺資料顯示與分析

  雲端平臺入口頁面如圖 4,使用者輸入名稱及密碼 後即可進入平臺。進入平臺後可點選設置於不同溫室感測主機之即時資料,圖 5 為架設於桃園市八德區小番茄溫室內主機回傳之即時感測資料。

圖 4. 雲端平臺入口頁面。

圖 4. 雲端平臺入口頁面。

圖 5. 感測主機回傳之即時感測資料。

圖 5. 感測主機回傳之即時感測資料。

圖 6. 感測資料歷史曲線圖。(a) 相對濕度;(b)土壤含水率;(c) 葉片溫度;(d) 土壤 EC;(e) 土壤溫度;(f)環境溫度;(g) CO2 濃度;(h) PPFD。

圖 6. 感測資料歷史曲線圖。(a) 相對濕度;(b)土壤含水率;(c) 葉片溫度;(d) 土壤 EC;(e) 土壤溫度;(f)環境溫度;(g) CO2 濃度;(h) PPFD。

圖 7. 草莓溫室之感測資料歷史曲線圖。(a) 相對濕度;(b) 葉片溫度;(c) 環境溫度;(d) PPFD。

圖 7. 草莓溫室之感測資料歷史曲線圖。(a) 相對濕度;(b) 葉片溫度;(c) 環境溫度;(d) PPFD。

  圖 6 顯示溫室內各感測參數的變化趨勢。在此 1 周的時期內,下午 7 時~上午 7 時間有較高的相對濕度,最高相對溼度可達 98.2%。土壤含水率範圍 39.6%~48.7%,此值與感測器裝設的位置有重要相關性,如土壤水分感測器裝設位置靠近滴流處,其所感測土壤含水率會偏高,因此,溫室管理者可由長期的土壤含水率感測數值與作物的成長狀態,合理規劃作物所需的灌溉模式;由土壤含水率的歷史曲線圖也可看出,該溫室灌溉系統每日進行 4 次灌溉作業,灌溉間隔2 小時,每次灌溉水量不大,為滴灌模式。

  圖 7 為苗栗大湖草莓溫室主機回傳之歷史曲線圖,在顯示的時間範圍內,其溫室最 高溫度可達  34℃,最低溫 19.7℃,溫差可達14.3℃。此溫室在中午時段前後陽光大時, 其 PPFD 遽增,相對溼度低,導致葉片溫度明顯高於環境溫度,且持續時間長。因此,為維持草莓較佳的生長條件,於溫度升高的前期,即須以外遮蔭減少陽光進入溫室;或可能溫室通風不佳,可使用通風設備來降低葉片溫度;再者,由於溫度上升,環境相對濕度減少,植物蒸散速率增加,因此也須適時提供水分,以避免危害作物生長。

  光是影響植物生長發育的重要因子,植物生長需要一定的日累積光量(Daily Light Integral, DLI),其值代表每平方公尺面積 24 小時內接受 400 ~ 700nm 波長的光量子數,此值影響植物的乾重、型態、芽根比、 葉面積、花期、花苞數及花朵的發育速度。如果知道植物所需的日累積光量,可於溫室栽培作業中,以遮蔭網及人工光源進行遮蔽與補光,提供作物每日所需的累積光量,穩定作物的生長。在雲端服務平臺的微氣候環境累積值分析項中,可將溫室內每日接收的 PPFD 數值,進行累積運算與分析。

  在作物栽培生產中,需有足夠的光,並使其在植物的光補償點以上,光合作用才能超過呼吸作用,植物才能累積有機物質。圖 8 假設溫室作物光補償點為 50 µmol m-2 s-1,其累積光量的狀況,顯示日累積光量最高 19.5 mol m-2,最低 9.3 mol m-2,而總累積光量 106.4 mol m-2,總光照時間 69 小時;顯示此周 50 µmol m-2 s-1   光補償點以上的平均每日光照 9.9 小時,可提供 15.2 mol m-2 的 日累積光量,平均 PPFD 值 為 402.3µmol m-2 s-1,此相關參數可作為作物補光需求的參考依據。如溫室日累積光量不足,可於日落後以人工光源補充不足的日累積光量。

圖 8.50 ~ 1,500 µmol m-2 s-1 範圍之日累積光量分析。

圖 8.50 ~ 1,500 µmol m-2 s-1 範圍之日累積光量分析。

  圖 9 為桃園市八德區網室的溫度累積及其分析結果,其溫度累積範圍設定 10℃~ 42℃,分析期間 2 個 月。此期間內,溫室最高溫可 達 41.9℃,最低 10.3 ℃,平 均 24 ℃,日累積溫度(1 天內每小時平均溫度的累積和)最高 717.8 ℃(日均溫 29.9 ℃),最低 362.3 ℃(日均溫 15.1 ℃),總累積溫度 34,573.4 ℃(日均 溫 24℃)。如以 10℃為作物生長最低溫度,則其累積溫度為 840.6 度日(degree day),有 55.5% 的溫度累積來自於白天的溫度,而 44.5%來自於夜晚。由於溫度是影響植物發育速度的主要因素,作物於不同生育階段均需一定的累積溫度,因此,可利用此累積溫度來推算作物開花或成熟的日期。累積溫度為作物生長期間的日均溫扣除作物生長最低溫的累積和,其說明在非極端溫度狀態下,溫度對作物的影響並非瞬間反應,而是經由一段時間累積的綜合結果。

圖 9. 累積溫度分析。

圖 9. 累積溫度分析。

五、系統效益

  本系統具有相當優勢,包含:

(一)插電即可使用,使用者不需調整,按下主機啟動鍵即可進行感測、訊號無線傳輸及資料上傳雲端作業;

(二)可使用市場上大多數的農業用感測器,使用者可依作物種類、溫室型式及管理作業需求而增減感測器;或採用不同品牌、精度及價位的感測器,因此系統在應用上相當多元,也具彈性;

(三)系統利用 3G 無線通訊技術傳送資料,無距離限制;

(四)感測資料可即時上傳雲端伺服器,管理者可透過行動裝置隨時讀取與分析;

(五) 分析資料圖表化,便於管理者進行溫室作業及作物成長狀態的判讀與操作;

(六)管理者可經由本系統取得量化的栽培管理數據,有助於發展智慧型農場的管理模式;

(七)可應用於農業生產代工模式,產業端只需將此系統置於代工溫室即可隨時掌握生產進度,適合農業生產全球布局。

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