田間物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了農(nóng)林漁牧范疇，建構自長年的田野經(jīng)驗背后的數(shù)據(jù)研究累積，借助科學方法描述數(shù)值所表示田間實時發(fā)生的現(xiàn)象，進一步判斷、分析做出對應處置;這項技術不僅是電子電機技術的整合，更需結(jié)合大氣科學、土壤化學、生物科學、電化學、環(huán)境科學等各種領域知識的整合，隨著聯(lián)網(wǎng)方式以及傳感器技術進步，物聯(lián)網(wǎng)將可以更深入于各種應用領域。
田間物聯(lián)網(wǎng)意義
農(nóng)林漁牧領域，都是運用一定土地區(qū)域進行植栽養(yǎng)牧用途，此產(chǎn)業(yè)對環(huán)境變遷及天災極為敏感，生產(chǎn)物皆以人類食用為大宗，是食安敏感課題。同時此產(chǎn)業(yè)也具備持續(xù)性生產(chǎn)及消費需求，是人類主要經(jīng)濟活動來源;因此，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)及監(jiān)控生產(chǎn)物質(zhì)量，便能夠有效率預估產(chǎn)量、經(jīng)濟規(guī)模、價格。過去在田間往往因為地處偏遠，無良好通訊基礎設施可到達，布置田間傳感器用以收集現(xiàn)場資料成為一大挑戰(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用。
在農(nóng)業(yè)運用范疇，許多農(nóng)作物為了收集種植場域地表、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，如電導度計(Electric Conductivity, EC)、pH電極、氣溫傳感器、相對濕度傳感器、風速計、風向計、雨量計、氣壓傳感器、光量子計等，用以記錄及分析植栽生長狀態(tài);而在養(yǎng)殖業(yè)的田間應用也可以取得溶氧計(Dissolved Oxygen, DO)、鹽度計、氧化還原電位電極(Oxidation Reduction Potential, ORP)、濁度計、葉綠素計、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。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簡易的數(shù)據(jù)收集點;在田間應用時，傳感器的設置地點、彼此的設置密度、安裝高度會影響收集數(shù)據(jù)的正確與否。
田間物聯(lián)網(wǎng)的價值在于，正確設置的傳感器量測的數(shù)據(jù)可以還原田野現(xiàn)場狀態(tài)，成為作物生長的分析指針，結(jié)合地理信息，數(shù)據(jù)尺度達到公尺(1~10m)，能夠以小區(qū)塊為單位，透過機器觀察人類忽略的訊息，計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)格互相競逐，例如LoraWAN、Sigfox、窄頻物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band-IoT, NB-IoT)等，NB-IoT亦稱為LTE Cat. NB1，是架構在移動通訊網(wǎng)絡上的低功率廣域網(wǎng)技術。它可以使終端設備簡單有效地連接移動通訊網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸時具備移動通訊等級加密的可靠度，適合處理少量、不頻繁的雙向數(shù)據(jù)。NB-IoT使用LTE移動通訊網(wǎng)絡200kHz帶寬的頻譜，可工作于載波保護頻段(Guard Band)，或在頻段內(nèi)(In-Band)、或采用獨立頻段(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同樣架構于LTE移動通訊網(wǎng)絡，使用LTE頻段，相較于NB-IoT，具備可移動切換基地臺連接的能力，具有移動通訊網(wǎng)絡的完整安全和加密功能的優(yōu)點，LTE Cat. M1技術規(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，須自行建置基地臺及搭配寬帶網(wǎng)絡網(wǎng)關以連上云端;NB-IoT/M1為需執(zhí)照頻段，由電信商提供服務，一個基地臺訊號可涵蓋10~20km，基地臺可同時服務數(shù)萬個設備端，可布建于現(xiàn)有的4G系統(tǒng)之上，每一個NB-IoT/M1設備端皆可以獨立連上云端;并且因為移動通訊網(wǎng)絡覆蓋全球，可透過業(yè)者漫游方案提供全球設備聯(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)應用備受矚目的通訊方式。
由于其通訊協(xié)議之設計，使得通訊模塊在送出數(shù)據(jù)后大部分時間內(nèi)皆處于休眠狀態(tài)，因此可以具備相當?shù)偷暮碾娏俊B-IoT/M1模塊設計條件均可以電池工作達數(shù)年以上。田間物聯(lián)網(wǎng)因設備多半設置于固定地點，或僅有低速移動需求(30km/h)，同時收集數(shù)據(jù)量少，收集數(shù)據(jù)區(qū)間長，因此NB-IoT非常合適田間物聯(lián)網(wǎng)需要長時間定期回報小量數(shù)據(jù)的應用場合。
以農(nóng)業(yè)蟲害感測為例，將臺中區(qū)農(nóng)業(yè)改良場所發(fā)展之中改式昆蟲性費洛蒙誘蟲盒(圖2)整合環(huán)型害蟲偵測電路、NB-IoT通訊模塊，可以量測單位時間內(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之昆蟲性費洛蒙誘蟲盒，不需破壞誘蟲盒本體結(jié)構設計，加上環(huán)型害蟲偵測電路即可使原誘蟲盒具備感測能力，將誘引入盒內(nèi)昆蟲數(shù)量、時間、密度、安放坐標、氣溫、濕度實時傳回至云端主機記錄，實時呈現(xiàn)田間不同作物特定害蟲出沒的熱區(qū)、密度、時間，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)計轉(zhuǎn)為自動回報，不僅節(jié)省人力，最大的意義在于可呈現(xiàn)田間信息的實時完整性，避免數(shù)據(jù)失真，詳盡的數(shù)據(jù)可以長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警時機，降低損耗，提高獲利。
圖2 整合NB-IoT之中改式費洛蒙誘蟲盒數(shù)據(jù)源：原力電子科技
新式傳感器增加田間量測可行性
目前傳感器組件技術發(fā)展已相當成熟，三合一功能的壓力、濕度、溫度微機電傳感器僅有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，電路簡潔，其耗電量極低，相當適合應用于田間量測數(shù)據(jù)。
量測電導度可采用以時間區(qū)域反射法(Time Domain. Reflectometry, TDR)原理之多電極式傳感器，可以耐酸堿、長時間于戶外條件下工作，耗電量同樣也低，適合以電池供應于田野使用。對于水質(zhì)分析，可以針對量測水中特定離子濃度電位差來判斷水質(zhì)條件，透過特定電極對特定離子的濃度反應敏感，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。此外更有以離子擴散而改變半導體接口電荷濃度，產(chǎn)生半導體場效效應，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，可以于水下長期工作，甚至可以高溫滅菌。
然而在田間應用中，單純量測數(shù)值并不足以解決現(xiàn)場實務上所出現(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)同時需要考慮的變因極多，并非透過幾個傳感器便可窺得全貌。這意味著田間物聯(lián)網(wǎng)若僅依賴電子電機工程師開發(fā)硬件，不足以發(fā)揮其正確效用;它需要相對應問題的專家知識，例如生物科學家、農(nóng)藝科學家、環(huán)境科學家的加入。依專家指導而正確布置的數(shù)據(jù)收集點以取得有效數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)交由具備專業(yè)背景知識研究人員分析才具備意義。具備價值的分析數(shù)據(jù)將促進產(chǎn)業(yè)革新，甚至促進新的感測方式及傳感器的開發(fā)。
田間環(huán)境考驗不亞于工、車規(guī)
在戶外設置的氣象站，受到曝曬、雨淋、強風吹襲，設備箱內(nèi)的熱、濕累積對于量測線路都需要再做校準與誤差修正，在戶外日光曝曬下，箱體溫度可能高達攝氏70~80度，對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)，才能于田野長時間工作，全自動化氣象數(shù)據(jù)收集，記錄氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、雨量等數(shù)值、計算風寒指數(shù)、露點溫度、體感溫度、暴雨警報，傳送至云端氣象信息平臺(圖3)。
圖3 NBIoT/M1氣象站數(shù)據(jù)源：原力電子科技
水下量測技術挑戰(zhàn)
田間作業(yè)環(huán)境的高溫、高濕、泥水、揚塵、機械的引擎溫度、振動，以及養(yǎng)殖池鹽霧、鼓風機的振動對量測設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，水體表層及水下感測數(shù)據(jù)的取得，是養(yǎng)殖漁業(yè)在養(yǎng)殖管理過程相當重要的參考指引。在養(yǎng)殖環(huán)境中的田間數(shù)據(jù)量測，需要考慮防水、鹽霧侵蝕，其中因傳感器、導線長時間浸泡于水中，會有電極腐蝕及生物膜附著，而導致量測數(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)，搭配長效型復合式電極，可以隨處實時量測，在養(yǎng)殖環(huán)境中，能精密記錄每一點位的水下信息并具備實時數(shù)值補償，同時排除因量測點位置不同產(chǎn)生之讀值誤差。
圖4 NB-IoT之無線溶氧計數(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，當感測點設置較多時，會改用網(wǎng)關先存后轉(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)場實時取得養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，用以自動化控制實現(xiàn)水質(zhì)增氧監(jiān)控、投餌喂飼作業(yè)管理、環(huán)境紀錄(溶氧、溫度、氧化還原電位、ORP)以全面性建立生長管理履歷追溯;并可在云端分析，建立喂飼、生長管理、履歷追溯之養(yǎng)殖自動決策系統(tǒng)，可作無人化管理水質(zhì)監(jiān)控與調(diào)節(jié)、成長分析與營養(yǎng)管理、魚塭環(huán)境健康度及養(yǎng)殖生物疾病預警。
圖5 田間數(shù)據(jù)網(wǎng)關及內(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，適合運用于小數(shù)據(jù)量及固定周期的數(shù)據(jù)收集，當其模塊進入深度睡眠時，靜態(tài)耗電流僅消耗3uA，如每2小時收集一筆溫濕度、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長達十年的工作時間。如果采用Arduino架構及兼容開發(fā)環(huán)境，可以在各種設計整合做原型測試，滿足各種快速開發(fā)、測試需要，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、風向、風速、雨量等應用，亦可透過UART、I2C、SPI、RS232、RS485接口結(jié)合其他控制設備，運用已和電信業(yè)者合作測試完成之程序發(fā)展范例及函式庫，可以更快建構NB-IoT/M1現(xiàn)場應用(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)個可自行運用的DIO可處理簡單的I/O運用，模塊本身也有I2C、SPI接口，利用模塊處理器的運算余裕，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數(shù)據(jù)以MQTT或RESTful直接傳往云端數(shù)據(jù)平臺，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載電信服務商門號，更可以在全球布建物聯(lián)網(wǎng)時，依據(jù)各地不同電信服務商空中換號;不僅電路配置更加簡化，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)的感測設備開發(fā)應著眼于解決現(xiàn)場問題，而非處理于各種復雜電路設計。
田間物聯(lián)網(wǎng)是田野大數(shù)據(jù)收集的基礎建設，同時也是多元知識、專業(yè)科學整合應用的場域。在當今巨量數(shù)據(jù)加上人工智能分析時代，更應利用田間物聯(lián)網(wǎng)作為高效率收集巨量資料的基礎科學方法，正確解讀數(shù)據(jù)背后的意義，為不同應用跨領域發(fā)展開發(fā)新契機。
