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IOT之雲端WSN經典成功案例

IOT 之雲端WSN經典成功案例

四年多前,由臺灣大學生物產業機電工程學系江昭皚與盧福明兩位教授、昆蟲學系楊恩誠教授與臺北科技大學電機工程系曾傳蘆副 教授共同合作,由國科會與農委會防檢局和農糧署補助相關經費,組成無線感測器網路技術應用研發團隊,進行此項遠距無線自動化監測系統的研製,研發成果為世 界上首次將無線感測器網路技術應用於蟲害監測。

台灣農業的蟲害問題

臺灣地處亞熱帶地區,加上擁有多樣的地型環境,盛產瓜果種類繁多且成熟期不一,極適宜害蟲繁殖與生長。如何推斷害蟲生命 期、預測疫情爆發時間,以即早控制疫情,是一項重要課題。在臺灣,東方果實蠅(Bactrocera dorsalis (Hendel))與斜紋夜蛾(Spodoptera litura (Fabricius))為農業作物的主要威脅來源,歷年危害事件頻傳,防治問題相當棘手。

將台灣優勢的資訊技術跨領域整合到其他產業, 是目前政府致力推動的國家發展方針, 藉此可提升效率和產能, 並創新產品研發。

東方果實蠅原產於印度及馬來半島等地,繁殖與飛行遷徙能力強大,已知的寄主果實如芒果、番石榴、蓮霧、柑桔類等高達約 150種,為亞洲太平洋地區各國果樹栽培上重要經濟害蟲,危害區域甚至達到夏威夷與北美洲。東方果實蠅的雌蠅將卵產於果皮下,幼蟲孵化後鑽入果肉中蛀食。 由產卵及蛀食所產生的傷口常有微生物寄生,使受災水果因而畸形、腐敗或落果失去經濟價值,或由於檢疫問題無法出口,導致以億為單位的重大農業損失。東方果 實蠅的平均壽命為30∼40天,且具高度繁殖力,一隻雌性東方果實蠅可產下數千顆蟲卵,每年則大約產生 8 至 9 代。

斜紋夜蛾則為雜食性害蟲,寄主廣泛,危害作物包括蔬菜、花卉、雜糧及果樹等作物,全年皆可發生。由於斜紋夜蛾高齡幼蟲具耐 藥性,且因食用植物種類繁多而易轉移至其他作物,最佳殺除時機為卵期和幼蟲低齡期,因此如何判斷斜紋夜蛾的生命週期,對噴藥防治規劃影響重大。若監測系統 能累積足夠歷史觀測資訊,相關單位便可於最有效的時刻進行大規模撲殺。

針對蟲害問題,政府每年花費約數千萬元經費,採用誘引劑搭配誘蟲筒進行捕捉,以降低害蟲數量,並建立蟲口預警體系及建置蟲 害防治模式等防治方法。其中蟲口預警體系建立方面,是由政府定期派員進行蟲口密度調查記錄,建立害蟲密度數值分析。以東方果實蠅為例,是每旬(十天)派員 至各鄉鎮,手動計算蟲筒中捕捉到的東方果實蠅蟲數。但此法不僅由於人力成本限制,得到資訊的空間及時間解析度過低,更由於僅能取得蟲數,並未針對監測區可 能影響果實蠅棲群動態變化之環境參數進行量測,使得環境參數不足,對於及時偵測與預警方面效果不佳。另一方面,由於WSN擁有高時空解析度與遠距大範圍自 動化量測特性,恰好可以解決上述的感測問題,使得植基於WSN技術的植物疫情動態監測與預警系統應運而生。

WSN 無線感測網路技術

所謂無線感測器網路 (Wireless Sensor Network, WSN) 技術,指的是通過無線傳輸,將感測器彼此聯結在一起。使用者只需在主控平臺端等待感測器網路將資訊回傳,即可以得到即時訊息,而不必親自到達監測現場。 WSN最早是應用於軍事用途上,因其具有靈活、偵測對象多樣等優點,故近年來的應用面迅速擴展到環境監測、生態監測、健康與醫療照護、防災救災、商業與家 庭自動化、交通管理等各種領域,可以提供傳統監測方法所無法觀察的現象。

WSN 無線感測網路非常適合用於野外超大面積的環境偵測, 只要佈建的節點夠多、夠廣,可輕易地在幾分鐘內取得上千公頃的監測資料。

感測器節點 (Sensor Node) 是組成 WSN 的最小單位,其上裝載有通訊模組與多種感測 器,感測器之種類可由使用者因應其需求而挑選。當大量節點高密度地部署在小範圍的空間內, 透過節點中內建的程式,感測器節點可以依時、依指令、依事件啟動自動化量測。即使人員不在 現場,仍然可以在任何時間進行測量,亦可在短時間內依需求進行多次量測,得到高度空間與時 間解析度之測量數據。

各節點通常內建有低耗能的 MCU 運算器,並包括感測模組、記憶體、通訊模組、定位裝 置、類比/數位轉換器與電力供應裝置。其中,感測器與無線通訊模組是最重要的部分:使用者 可以依需求選擇感測器,目前市售的無線感測器節點通常有提供具基本參數(如溫濕度等)測量 功能之感測器模組,讓使用者選購;其他較為特殊的感測器,如化學感測器、氣體偵測感測器或 氣象模組等則需要使用者自行研發或另外購買及組合。

目前大多數的感測器節點使用ZigBee通訊協定,透過節點內的控制程式使 WSN 內的各節點 可彼此交換感測資訊,將各感測器所蒐集到之環境參數傳送到使用者端。ZigBee 通訊協定設計 為低耗能,而通訊距離可達百公尺以上;而且即使受天候、地形與障礙物等影響,資訊傳輸在節 點間則仍可透過多重跳接方式進行,使得 WSN 系統可以應用在大範圍田園間的環境參數監測。

植物疫情動態監測預警系統

針對植物疫情監測的困難,臺灣大學生物產業機電工程學系、臺灣大學昆蟲學系與臺北科技大學電機工程系,共同合作開發出世界 首例的「植物疫情動態監測預警系統」,對臺灣本地果園害蟲棲群生態進行深入研究。此系統包括兩個部分:前端害蟲監測網,及後端主控平臺與資料庫。害蟲監測 網包含無線自動誘捕節點及田間閘道器。臺大生機系江昭皚教授的研究團隊研發兩種田間閘道器,可依據不同野外佈建環境與電源供應之有無,採用以個人電腦為核 心的多功能型田間閘道器(圖3),或是微控制晶片 (MCU) 核心的節能型田間閘道器(圖4)。

前者適用於有市電供應的農場或溫室環境;後者消耗能源較低,使用太陽能模組與鉛蓄電池即可維持運作,適用於山區或田野等偏 遠地區。圖 5 為建置於高雄區農業改良場場內的節能型監測系統實際狀況。

誘捕裝置設計

田間害蟲生態監測網路由閘道器和多個無線感測器節點組成,感測器節點上除了有感測器測量環境參數(溫度、溼度、照度等) 外,還配置有自製的誘捕裝置,內部放置甲基丁香油等誘引劑,有效吸引東方果實蠅。當東方果實蠅爬過特別設計的誘引通道時,藉著兩段式光遮斷開關,當果實蠅 通過會產生電子訊號,進而完成自動計數的工作。因為要測量的範圍很大,這些節點通常採用階層式管理,一層一層地以無線接力傳遞方式把訊息回傳至田間閘道 器。

簡單說如果擔心開發後的程式在舊版 .Net Framework 上無法執行, 可以自行選
擇編譯成可在 .Net Framework 3.5 或2.0 上執行的執行檔, 解決相容性問題。

精準蒐集各種數據後,必須交由各領域專家進行資料分析,才能進行各種實務的應用。

WSN 無線感測網路朝雲端服務化的方向發展, 可更即時、主動、全面性的提供必要的資訊給相關人員。

植物疫情動態監測預警系統

整體生態監測網路佈建於農田後,田間閘道器定時匯整來自誘捕節點的資訊(蟲數、溫度、濕度及照度等),與閘道器自身量測的 其他參數(溫度、濕度、照度、雨量、風速與風向等),利用 GSM 手機模組將監測資料以簡訊傳送至位於臺大的主控平臺。主控平臺人機介面由LabVIEW程式發展軟體撰寫,並同樣配備有 GSM 手機模組,可接收遠端網路傳回的資料,存放至 MySQL 資料庫中。監測資訊的蒐集只是此防疫系統建置的第一線,還必須有賴專家進行資料分析,才能幫助農民預防蟲害,達到防疫預警、杜絕害蟲的目的。因此,江昭皚 教授研究團隊整合了昆蟲學系的專家,透過此主控平臺可執行即時資料顯示、儲存及整合,進行長期資料的分析、統計與管理,且由網頁平台提供網路瀏覽與查詢功 能,獲得即時且全面性的田間環境與蟲害資訊。整體系統功能如下所述,架構示意圖如圖 7。

圖形化防疫資訊展示

植物疫情監測網資訊網頁中,結合 Google Earth 與 Google Map 介面,讓使用者可透過2D與3D 圖形介面,了解監測網狀態,同時使相關管理員不需留守於資料庫所在位置,而能隨時隨地透過網際網路進行相關設定。對於研究人員而言,亦可根據監測系統提供 的各項蟲害資訊,隨時對監測區域內蟲害情形進行初步瞭解,並視需求取回原始資料進行進一步分析。

蟲害出沒資訊分析

目前防疫系統已分別裝設於新北市坪林區、宜蘭縣冬山鄉、宜蘭縣員山鄉、臺中市神崗區、臺中農試所、彰化縣員林鎮、嘉義農試 分所及嘉義縣竹崎鄉、嘉義縣中埔鄉、屏東縣長治鄉等地,針對番茄、柑橘、高接梨、番石榴、金棗、毛豆、茶葉等經濟作物進行害蟲防治監控。防疫系統在經過一 定時間的佈建後,可以透過所收集到的害蟲數量與環境氣候參數進行「害蟲出沒資訊分析」,找出該區域的害蟲出沒熱點,可精準掌握害蟲出沒資訊。

當害蟲數量急遽增加時,自動化的監控平臺將主動發佈警訊告知農民及該地區防治單位進行加強防治工作,以期提升害蟲防治效率 並降低農業損失。

即時氣象監測系統

野外實驗最困難點是耐候性問題,任何的風吹雨打都會對系統裝置造成傷害,使得長期監測更是難以實現。此防疫系統經長期測試 改良後,已具有相當良好的耐候性,並搭配智慧型控制程式,連夏季颱風侵襲期間都能持續運作。例如,在今年莫拉克颱風侵襲期間,中南部降下數十年未見的大 雨,豪雨成災。但設置在嘉義竹崎地區的防疫系統在颱風侵襲期間仍持續回傳資料,其中所得到的氣象資訊與氣象局所公布的數據趨勢相符。此系統除了能監測東方 果實蠅與斜紋夜蛾出沒外,未來也可將系統所收集之氣象資訊,提供相關單位作為特定區域的降雨量評估與防災決策之參考。透過監測網所提供的行動資訊服務平 臺,更能掌握颱風侵襲期間各地區的氣象變化。

防疫系統發展所遭遇的挑戰

WSN 技術應用中,最令研究人員頭痛的問題,莫過於能源供應。感測器節點的能量來自電池,當電池中儲存的電量耗盡,節點將因電力不足,無法將監測資料有效傳送回 伺服器,故須派員定時更換。但若電池更換需求過於頻繁,便喪失了架設WSN進行長期遠端遙測的意義,且對於需佈設於農園中的疫情監測系統而言,頻繁派員更 不可行。因此,研究人員需要精準計算各種能量耗費,延長運作壽命,減少更換電池次數。

節點的電量主要消耗來自於感測器測量與資訊傳輸,研究人員會在每次資料讀取與傳送間採取低耗電睡眠模式,關閉大部分功能, 降低能量消耗。此外,由於各類害蟲皆有其特定出沒時間,如東方果實蠅僅於日間活動,而斜紋夜蛾反之,在其不出沒時關閉自動誘捕節點的蟲數感測器,也可節約 許多能量消耗。配置太陽能板定期為電池充電則是另一個常見的選擇,但若需建置 WSN 網路在陰雨天發生比率較高區域時,更需謹慎考量監測網內各項軟硬體設施之設計與 配置。

農業應用中的 WSN 系統多半在野外運作,故設備耐候性是另一個受到考驗的議題。由於感測器的電子電路容易因為風吹雨打受到損害,硬體設備均應當有防水與防塵等相關防護設計。 此外,還有因生物活動(如昆蟲於節點築巢、蜘蛛結網捕蟲等)、人為因素及眾多未知的因素也可會對監測造成影響。以上各項問題都是研究人員所需面對的挑戰, 各類初步解決方案也已經陸續出現。然而各種解決方案,都可能衍生新的問題。如何持續克服,實為未來WSN於農業應用的諸多挑戰,將著實考驗研究人員的智慧 與巧思。

除了偵測害蟲族群生態外,本系統所量測的到氣象參數亦可以作為自然災害的偵測與記錄之用。對於臺灣而言,颱風的觀測即為重 要議題。本監測系統除了監測東方果實蠅出沒外,也可以憑藉著對氣象資訊的收集,隨時掌握遠端網路監測地區之氣候狀況。如果預先設定各項氣象指標之危險值, 則可在到達設定值時進行緊急通報,補足一般廣域氣象監測機制的不足,獲得即時的資訊與警報。

結語

WSN 雖然是在資訊領域發展已久的技術,但整合到其他產業領域卻是在近幾年才逐漸看到一些成果,特別是在整合傳統農業,更是全球少見的成功案例。同時,因為機電 整合及嵌入式處理技術仍持續發展,各種感測技術日益求新,無線感測器模組的運算能力亦不斷進步,使得 WSN 帶來的各種應用將有更多可能。

當 WSN 整合田間自動化機電設備,透過後端主控平台控制,管理者可在遠端資訊站內進行遙控管理,或是透過設定採取自動化因應措施。使用此等嶄新的農業科技,勢必將 有效地降低損害,提升農產品生產力及外銷競爭力。更可以在保持生產量的同時,維持與環境的平衡,確保長期的效益,達到永續性發展的目標。



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