圖片來源：https://pixabay.com/photo-3704038/

田間物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了農(nóng)林漁牧范疇，建構(gòu)自長(zhǎng)年的田野經(jīng)驗(yàn)背后的數(shù)據(jù)研究累積，借助科學(xué)方法描述數(shù)值所表示田間實(shí)時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象，進(jìn)一步判斷、分析做出對(duì)應(yīng)處置;這項(xiàng)技術(shù)不僅是電子電機(jī)技術(shù)的整合，更需結(jié)合大氣科學(xué)、土壤化學(xué)、生物科學(xué)、電化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等各種領(lǐng)域知識(shí)的整合，隨著聯(lián)網(wǎng)方式以及傳感器技術(shù)進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)將可以更深入于各種應(yīng)用領(lǐng)域。

田間物聯(lián)網(wǎng)意義

農(nóng)林漁牧領(lǐng)域，都是運(yùn)用一定土地區(qū)域進(jìn)行植栽養(yǎng)牧用途，此產(chǎn)業(yè)對(duì)環(huán)境變遷及天災(zāi)極為敏感，生產(chǎn)物皆以人類食用為大宗，是食安敏感課題。同時(shí)此產(chǎn)業(yè)也具備持續(xù)性生產(chǎn)及消費(fèi)需求，是人類主要經(jīng)濟(jì)活動(dòng)來源;因此，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)及監(jiān)控生產(chǎn)物質(zhì)量，便能夠有效率預(yù)估產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、價(jià)格。過去在田間往往因?yàn)榈靥幤h(yuǎn)，無良好通訊基礎(chǔ)設(shè)施可到達(dá)，布置田間傳感器用以收集現(xiàn)場(chǎng)資料成為一大挑戰(zhàn)，也因此出現(xiàn)各種低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)之通訊方式角逐田間應(yīng)用。

在農(nóng)業(yè)運(yùn)用范疇，許多農(nóng)作物為了收集種植場(chǎng)域地表、土下、作物等環(huán)境微氣候數(shù)據(jù)，可以透過許多已經(jīng)發(fā)展完整的傳感器，如電導(dǎo)度計(jì)(Electric Conductivity, EC)、pH電極、氣溫傳感器、相對(duì)濕度傳感器、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向計(jì)、雨量計(jì)、氣壓傳感器、光量子計(jì)等，用以記錄及分析植栽生長(zhǎng)狀態(tài);而在養(yǎng)殖業(yè)的田間應(yīng)用也可以取得溶氧計(jì)(Dissolved Oxygen, DO)、鹽度計(jì)、氧化還原電位電極(Oxidation Reduction Potential, ORP)、濁度計(jì)、葉綠素計(jì)、離子選擇電極等傳感器，用以了解水質(zhì)情況。

現(xiàn)行的傳感器多已具備數(shù)字接口如UART、RS232、RS485等，可以使用單芯片、或Arduino開發(fā)板讀取傳感器數(shù)據(jù)，再透過LPWAN方式傳送至云端主機(jī)。以單芯片或Arduino開發(fā)板利用UART接口連接LPWAN模塊，可以快速地完成一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)收集點(diǎn);在田間應(yīng)用時(shí)，傳感器的設(shè)置地點(diǎn)、彼此的設(shè)置密度、安裝高度會(huì)影響收集數(shù)據(jù)的正確與否。

田間物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值在于，正確設(shè)置的傳感器量測(cè)的數(shù)據(jù)可以還原田野現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，成為作物生長(zhǎng)的分析指針，結(jié)合地理信息，數(shù)據(jù)尺度達(dá)到公尺(1~10m)，能夠以小區(qū)塊為單位，透過機(jī)器觀察人類忽略的訊息，計(jì)算各種微型模式的發(fā)生。

NB-IoT/M1穿針引線　田間通訊立竿見影

LPWAN有數(shù)種規(guī)格互相競(jìng)逐，例如LoraWAN、Sigfox、窄頻物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band-IoT, NB-IoT)等，NB-IoT亦稱為L(zhǎng)TE Cat. NB1，是架構(gòu)在移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)上的低功率廣域網(wǎng)技術(shù)。它可以使終端設(shè)備簡(jiǎn)單有效地連接移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)具備移動(dòng)通訊等級(jí)加密的可靠度，適合處理少量、不頻繁的雙向數(shù)據(jù)。NB-IoT使用LTE移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)200kHz帶寬的頻譜，可工作于載波保護(hù)頻段(Guard Band)，或在頻段內(nèi)(In-Band)、或采用獨(dú)立頻段(Stand-alone)(圖1)。

圖1　NB-IoT三種頻段工作模式

NB-IoT規(guī)范由2016年6月3GPP協(xié)議規(guī)范第13版(3GPP Release 13)定義，下行(Downlink)最大速率250kbps，上行(Uplink)最大速率250kbps。LTE Cat. M1同樣架構(gòu)于LTE移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，使用LTE頻段，相較于NB-IoT，具備可移動(dòng)切換基地臺(tái)連接的能力，具有移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的完整安全和加密功能的優(yōu)點(diǎn)，LTE Cat. M1技術(shù)規(guī)格亦于3GPP Release 13定義，下行最大速率1Mbps，上行最大速率1Mbps。

LoraWAN、Sigfox屬非執(zhí)照頻段，須自行建置基地臺(tái)及搭配寬帶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)以連上云端;NB-IoT/M1為需執(zhí)照頻段，由電信商提供服務(wù)，一個(gè)基地臺(tái)訊號(hào)可涵蓋10~20km，基地臺(tái)可同時(shí)服務(wù)數(shù)萬個(gè)設(shè)備端，可布建于現(xiàn)有的4G系統(tǒng)之上，每一個(gè)NB-IoT/M1設(shè)備端皆可以獨(dú)立連上云端;并且因?yàn)橐苿?dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球，可透過業(yè)者漫游方案提供全球設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，加上全球電信業(yè)者均陸續(xù)支持NB-IoT/M1，目前模塊供貨商多整合NB-IoT/M1雙模，甚至可以提供全球電信商頻段，因此成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用備受矚目的通訊方式。

由于其通訊協(xié)議之設(shè)計(jì)，使得通訊模塊在送出數(shù)據(jù)后大部分時(shí)間內(nèi)皆處于休眠狀態(tài)，因此可以具備相當(dāng)?shù)偷暮碾娏?。NB-IoT/M1模塊設(shè)計(jì)條件均可以電池工作達(dá)數(shù)年以上。田間物聯(lián)網(wǎng)因設(shè)備多半設(shè)置于固定地點(diǎn)，或僅有低速移動(dòng)需求(30km/h)，同時(shí)收集數(shù)據(jù)量少，收集數(shù)據(jù)區(qū)間長(zhǎng)，因此NB-IoT非常合適田間物聯(lián)網(wǎng)需要長(zhǎng)時(shí)間定期回報(bào)小量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

以農(nóng)業(yè)蟲害感測(cè)為例，將臺(tái)中區(qū)農(nóng)業(yè)改良場(chǎng)所發(fā)展之中改式昆蟲性費(fèi)洛蒙誘蟲盒(圖2)整合環(huán)型害蟲偵測(cè)電路、NB-IoT通訊模塊，可以量測(cè)單位時(shí)間內(nèi)通過誘蟲盒的蟲只數(shù)量、體型大小、穿梭方向;此一附加NB-IoT之昆蟲性費(fèi)洛蒙誘蟲盒，不需破壞誘蟲盒本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加上環(huán)型害蟲偵測(cè)電路即可使原誘蟲盒具備感測(cè)能力，將誘引入盒內(nèi)昆蟲數(shù)量、時(shí)間、密度、安放坐標(biāo)、氣溫、濕度實(shí)時(shí)傳回至云端主機(jī)記錄，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)田間不同作物特定害蟲出沒的熱區(qū)、密度、時(shí)間，以及特定區(qū)域發(fā)生蟲害的頻繁度。透過NB-IoT傳輸，田間害蟲信息的收集可以由人工統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)為自動(dòng)回報(bào)，不僅節(jié)省人力，最大的意義在于可呈現(xiàn)田間信息的實(shí)時(shí)完整性，避免數(shù)據(jù)失真，詳盡的數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期累積用以建立蟲害發(fā)生模式，有助擬定正確防治策略以及預(yù)警時(shí)機(jī)，降低損耗，提高獲利。

圖2　整合NB-IoT之中改式費(fèi)洛蒙誘蟲盒數(shù)據(jù)源：原力電子科技

新式傳感器增加田間量測(cè)可行性

目前傳感器組件技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，三合一功能的壓力、濕度、溫度微機(jī)電傳感器僅有3×3mm大小，具備I2C/SPI數(shù)字接口，相較于傳統(tǒng)模擬式傳感器而言，電路簡(jiǎn)潔，其耗電量極低，相當(dāng)適合應(yīng)用于田間量測(cè)數(shù)據(jù)。

量測(cè)電導(dǎo)度可采用以時(shí)間區(qū)域反射法(Time Domain. Reflectometry, TDR)原理之多電極式傳感器，可以耐酸堿、長(zhǎng)時(shí)間于戶外條件下工作，耗電量同樣也低，適合以電池供應(yīng)于田野使用。對(duì)于水質(zhì)分析，可以針對(duì)量測(cè)水中特定離子濃度電位差來判斷水質(zhì)條件，透過特定電極對(duì)特定離子的濃度反應(yīng)敏感，此類傳感器稱為離子選擇性電極(Ion-Selective Electrodes, ISE)，pH電極即為H+離子選擇性電極。此外更有以離子擴(kuò)散而改變半導(dǎo)體接口電荷濃度，產(chǎn)生半導(dǎo)體場(chǎng)效效應(yīng)，所開發(fā)之離子埸效晶體管(Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)固態(tài)電極，不但免除了離子選擇性電極玻璃易破碎的困擾，可以于水下長(zhǎng)期工作，甚至可以高溫滅菌。

然而在田間應(yīng)用中，單純量測(cè)數(shù)值并不足以解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)務(wù)上所出現(xiàn)形形色色的問題。田間數(shù)據(jù)背后代表的是整個(gè)環(huán)境大系統(tǒng)狀態(tài)的平衡與否，而整體環(huán)境系統(tǒng)同時(shí)需要考慮的變因極多，并非透過幾個(gè)傳感器便可窺得全貌。這意味著田間物聯(lián)網(wǎng)若僅依賴電子電機(jī)工程師開發(fā)硬件，不足以發(fā)揮其正確效用;它需要相對(duì)應(yīng)問題的專家知識(shí)，例如生物科學(xué)家、農(nóng)藝科學(xué)家、環(huán)境科學(xué)家的加入。依專家指導(dǎo)而正確布置的數(shù)據(jù)收集點(diǎn)以取得有效數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)交由具備專業(yè)背景知識(shí)研究人員分析才具備意義。具備價(jià)值的分析數(shù)據(jù)將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)革新，甚至促進(jìn)新的感測(cè)方式及傳感器的開發(fā)。

田間環(huán)境考驗(yàn)不亞于工、車規(guī)

在戶外設(shè)置的氣象站，受到曝曬、雨淋、強(qiáng)風(fēng)吹襲，設(shè)備箱內(nèi)的熱、濕累積對(duì)于量測(cè)線路都需要再做校準(zhǔn)與誤差修正，在戶外日光曝曬下，箱體溫度可能高達(dá)攝氏70~80度，對(duì)通訊模塊工作的可靠度是一大挑戰(zhàn)，因此耐候性氣象站應(yīng)采用通過工規(guī)NB-IoT/M1的通訊模塊、符合工規(guī)的單芯片及零件開發(fā)，才能于田野長(zhǎng)時(shí)間工作，全自動(dòng)化氣象數(shù)據(jù)收集，記錄氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等數(shù)值、計(jì)算風(fēng)寒指數(shù)、露點(diǎn)溫度、體感溫度、暴雨警報(bào)，傳送至云端氣象信息平臺(tái)(圖3)。

圖3　NBIoT/M1氣象站數(shù)據(jù)源：原力電子科技

水下量測(cè)技術(shù)挑戰(zhàn)

田間作業(yè)環(huán)境的高溫、高濕、泥水、揚(yáng)塵、機(jī)械的引擎溫度、振動(dòng)，以及養(yǎng)殖池鹽霧、鼓風(fēng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)量測(cè)設(shè)備的工作條件是一大挑戰(zhàn)。養(yǎng)殖漁業(yè)亦為田間傳感器需求的極大市場(chǎng)，水體表層及水下感測(cè)數(shù)據(jù)的取得，是養(yǎng)殖漁業(yè)在養(yǎng)殖管理過程相當(dāng)重要的參考指引。在養(yǎng)殖環(huán)境中的田間數(shù)據(jù)量測(cè)，需要考慮防水、鹽霧侵蝕，其中因傳感器、導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)間浸泡于水中，會(huì)有電極腐蝕及生物膜附著，而導(dǎo)致量測(cè)數(shù)值產(chǎn)生誤差。利用NB-IoT結(jié)合防水防塵外殼、電池、單芯片、ADC等電路所開發(fā)的整合式無線傳感器(圖4)，搭配長(zhǎng)效型復(fù)合式電極，可以隨處實(shí)時(shí)量測(cè)，在養(yǎng)殖環(huán)境中，能精密記錄每一點(diǎn)位的水下信息并具備實(shí)時(shí)數(shù)值補(bǔ)償，同時(shí)排除因量測(cè)點(diǎn)位置不同產(chǎn)生之讀值誤差。

圖4　NB-IoT之無線溶氧計(jì)數(shù)據(jù)源：原力電子科技

養(yǎng)殖漁業(yè)田間幅員常為數(shù)分地至數(shù)甲地面積，當(dāng)感測(cè)點(diǎn)設(shè)置較多時(shí)，會(huì)改用網(wǎng)關(guān)先存后轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)至云端，因傳送數(shù)據(jù)量較NB-IoT大，網(wǎng)關(guān)的通訊模塊選用mini-PCIE接口之Cat. M1，甚至可以依傳輸量需要更換為Cat. 1以上規(guī)格之通訊模塊(圖5)。透過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)取得養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，用以自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)水質(zhì)增氧監(jiān)控、投餌喂飼作業(yè)管理、環(huán)境紀(jì)錄(溶氧、溫度、氧化還原電位、ORP)以全面性建立生長(zhǎng)管理履歷追溯;并可在云端分析，建立喂飼、生長(zhǎng)管理、履歷追溯之養(yǎng)殖自動(dòng)決策系統(tǒng)，可作無人化管理水質(zhì)監(jiān)控與調(diào)節(jié)、成長(zhǎng)分析與營(yíng)養(yǎng)管理、魚塭環(huán)境健康度及養(yǎng)殖生物疾病預(yù)警。

圖5　田間數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)及內(nèi)部電路數(shù)據(jù)源：原力電子科技

Arduino整合NB-IoT/M1

依據(jù)NB-IoT模塊的通訊特性，適合運(yùn)用于小數(shù)據(jù)量及固定周期的數(shù)據(jù)收集，當(dāng)其模塊進(jìn)入深度睡眠時(shí)，靜態(tài)耗電流僅消耗3uA，如每2小時(shí)收集一筆溫濕度、或每日檢查4次傳感器狀態(tài)，如此的操作周期，可使每一NB-IoT資料收集器以電池供應(yīng)長(zhǎng)達(dá)十年的工作時(shí)間。如果采用Arduino架構(gòu)及兼容開發(fā)環(huán)境，可以在各種設(shè)計(jì)整合做原型測(cè)試，滿足各種快速開發(fā)、測(cè)試需要，電路板直接整合NB-IoT/M1通訊模塊，便成內(nèi)建NB-IoT/M1功能之Arduino開發(fā)板，不需另加Arduino Shield擴(kuò)充板，使原本數(shù)量有限的輸出入腳位可搭配各種傳感器如氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等應(yīng)用，亦可透過UART、I2C、SPI、RS232、RS485接口結(jié)合其他控制設(shè)備，運(yùn)用已和電信業(yè)者合作測(cè)試完成之程序發(fā)展范例及函式庫(kù)，可以更快建構(gòu)NB-IoT/M1現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用(圖6)。

圖6　10Tuino開發(fā)板數(shù)據(jù)源：原力電子科技

NB-IoT/M1在核心開發(fā)潛力

NB-IoT/M1模塊的核心芯片配置數(shù)個(gè)可自行運(yùn)用的DIO可處理簡(jiǎn)單的I/O運(yùn)用，模塊本身也有I2C、SPI接口，利用模塊處理器的運(yùn)算余裕，開發(fā)程序讀取I2C/SPI接口的外部傳感器讀值，再以UDP或TCP/IP協(xié)議將傳感器讀值封裝之?dāng)?shù)據(jù)以MQTT或RESTful直接傳往云端數(shù)據(jù)平臺(tái)，而外部電路除傳感器之外，僅需Watchdog及電源管理IC，結(jié)合芯片式SIM(eSIM)，使得模塊除了可以預(yù)載電信服務(wù)商門號(hào)，更可以在全球布建物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，依據(jù)各地不同電信服務(wù)商空中換號(hào);不僅電路配置更加簡(jiǎn)化，以模塊核心SDK作二次開發(fā)，可在原有通訊模塊內(nèi)存上傳客制化程序，讓NB-IoT模塊透過I2C/DIO讀取傳感器數(shù)據(jù)，傳送至云端。田間物聯(lián)網(wǎng)的感測(cè)設(shè)備開發(fā)應(yīng)著眼于解決現(xiàn)場(chǎng)問題，而非處理于各種復(fù)雜電路設(shè)計(jì)。

田間物聯(lián)網(wǎng)是田野大數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)建設(shè)，同時(shí)也是多元知識(shí)、專業(yè)科學(xué)整合應(yīng)用的場(chǎng)域。在當(dāng)今巨量數(shù)據(jù)加上人工智能分析時(shí)代，更應(yīng)利用田間物聯(lián)網(wǎng)作為高效率收集巨量資料的基礎(chǔ)科學(xué)方法，正確解讀數(shù)據(jù)背后的意義，為不同應(yīng)用跨領(lǐng)域發(fā)展開發(fā)新契機(jī)。