智慧农业物联网技术与应用

近几年来由于微电子和计算机技术不断进步，使感测技术更加提升与多样，让农业物联网感测器的种类与数量快速增长。此外，随着宽频与行动网路的演进与普及，让网路连结无所不在。近年物联网与云端计算大数据更加深度融合。云端计算能够帮助智慧农业实现资讯存储资源和计算能力的分散式共享，大数据的信息处理能力支持海量资讯处理和利用，亦可提供农业生产的验证(如：食安云、区块链)。物联网智慧化发展使智慧农业的应用更加广泛。农业物联网系统将能依据环境变化和系统运行的需求自动调整，提供智慧化环境感知服务。
 
农业物联网发展方向有三：一、提高农业生产的质量；二、节约资源；三、。朝向可持续化发展。物联网与农业结合的亮点之一是透过过数据分析来改善农业决策。利用云端系统、营运自动化，及即时监控和数据分析可提升农业生产的品质与产量。在降低农业生产成本方面，节约灌溉用水为例。智慧农业物联网可结合历史数据分析与即时检测数据，来提供更准确的模型和优化方案。农民在意的是采用智慧农业的结果，在产品的生命周期内，智慧农业物联网厂商需要通过不断地改善功能来提高附加价值，给农民带来真正的收益。
 
智慧农业物联网的范例架构。由左至右分成三大部份，最左边是农业感测器，通常会将数个感测器连线至一个集线箱(称为「物联网集线器」)中(a)、(c)。由于农地不一定有电源，因此会加装太阳能板(b)。感测器集线器透过中间的网路连线至云端伺服器。若是在设施内，可采用有线网路，如：以太网路(Ethernet)；在室外则会采用无线网路，如：无线区域网路(Wireless LAN，WLAN)。最右边的云端伺服器则包含资料库(e)储存资料、网页伺服器提供介面、AI伺服器(f)提供运算能力。使用者(g)可透过网际网路连线，透过手持装置观看农场资讯并控制相关设备。
 
物联网应用于农业上需要注意的议题：一、针对农民需求提出解决方案；二、感测器的准确性与耐用度；三、感测器摆放位置与数量；四、需考虑防水、防虫，也需自动侦测错误：五、感测器与集线器之供电与散热；六、网路资料传输之可靠度与存取协定介面。
 
侦测风向与风速对授粉及植物生长的影响的范例。风向与风速感测器(a)可即时测得风向与风速。透过光量感测器(b)得知光子的数量，及温湿度(c)与土壤湿度与EC感测器(g)可观测光合作用的重要指标。在农地中也要注意防水(d)与防虫(h)。 物联网的网路技术可分为有线与无线连结。设施内建议采用有线连结，有线网路传输比较稳定且频宽也比较大。一般常用的有线网路采用以太网路(Ethernet)。以太网路可供电(Power over Ethernet，简称PoE)。无线网路距离分为短距离无线区域网路(Wireless Local Area Network，简称WLAN)、蓝芽、Zigbee。其中无线区域网路频宽较大可提供50Mbps~1500Mbps的速度，支援高画质的视讯传输。蓝芽与Zigbee则是低功耗，可提供少量的数据传输。然而在中、长距离的应用情境，目前物联网产业链关注于低功耗广域网路(Low-Power Wide-Area Net-work，简称LPWAN)，其通讯技术有NB-IoT (Narrow Band-Internet of Things)、LoRa (LongRange) 及SigFox等。在这些低功耗广域网路技术中，可分为运行在「不需特许频段（Unlicensed Band）」及「需特许频段（Licensed Band）」两类。需要特许频段的有eMTC与NB-IoT，不需特许频段的LoRa与SigFox。这四个系统的特性如下：
 
eMTC：为了适应物联网环境下巨量的设备连接，3GPP (3rd Generation Partnership Project)一方面保留了原有LTE (Long Term Evolution)协议对硬体环境的相容性，另一方面针对物联网的特殊应用删除了高速传输等一些不必要的能力，最后在LTE的基础上建立了eMTC。eMTC每个载波最多可支援10万个装置连线，还支援上下行最大1Mbps的峰值速率，在5Wh的电量下待机超过10年。
NB-IoT： NB-IoT通过降低编位元速率大幅提高了系统的解调效率，而且降低了单一装置的讯号发射功率，每个载波最多可支援20万个网路连线。此外， NB-IoT还可通过增加更多载波的方式来扩大系统承载规模，具备利用单一基站一次性支援数百万个物联网连线的能力。
LoRa：LoRa使用免许可的Sub-GHz无线电频段，能够低功耗实现超远距离传输。LoRa技术分为LoRa物理层和LoRaWAN（长距离广域网路）上层两部分。LoRa 可允许六种展频因数(SF7～SF12) 和三种不同的频宽(125 kHz、250 kHz、500 kHz)。可允许的展频因数和频宽由所在区域的主管机关决定。
SigFox：SigFox成立于2009年，目的是建立连接电表等低功耗装置的无线网路。这些装置需要持续发送少量数据。SigFox使用工业、科学和医疗（Industrial, Scientific and Medical，ISM）无线电频段进行通信，每天最多支持140个上传讯息，每个讯息可承载12个字元组（Bytes），数据速率达100 Bytes per second (Bps)。
以太网路与无线区域网路常用于传输高画质的影像或照片，eMTC可提供移动性与1Mbps的频宽。NB-IoT、LoRa及SigFox则是用于传输感测器数据。
 
下说明智慧农业物联网的应用案例，希望能够让读者了解结合物联网的功能，并进一步将资通讯技术带入更多农业场域。在农场中建置的破风网案例。原本破风网(方框)是靠人工手动收放，加入物联网的风向与风速的感测器之后，可设定风速高于一定数值自动放下破风网，如此一来可更即时且节省人力。
植物工厂的案例。透过感测器可侦测温湿度与二氧化碳，并控制冷气与养液。为了避免网路断线造成影响，有部份控制策略是放在PLC控制器中，透过RS-485介面连至微控制器，再将数据资料透过LoRa或NB-IoT送至云端。
 
仔猪受压警示系统，仔猪在出生时很容易因为受母猪压迫窒息而死。仔猪受压迫时会发出尖叫声，农民需要即时前往将仔猪救起。在此系统中利用物联网收集仔猪在分娩舍中的声音与影像，透过AI训练后可判断仔猪受压迫的尖叫声。若发生尖叫声，系统会发出警报或微信讯息通知猪农。
 
猪自动称重与喂食系统。当猪只站上秤台后系统开始运作。透过猪只身上的耳标(RFID)，系统可判定是那一头猪、纪录猪只重量，并自动判断是否需要给饲料。
 
低温谷仓中公粮监测的案例，一般谷物是从(1)进入谷仓、从(2)出料。透过既有的温度感测线(3)与(4)可得知谷仓内的温度。若温度过高，则会从(5)将冷气吹入。因为温度感测器被谷物压到时温度变化不大(7)；而没有谷物时，温度会随室外气温变化(6)。
 
智慧农业需要跨领域团队整合，依据农民的需求并利用资通讯技术提供解决方案。虽然技术研发上具有挑战性，但结合资通讯技术可提升产业价值并解决农业问题。本文介绍智慧农业物联网的概念，也透过案例提供智慧农业的发展方向与示范。希望能够让读者了解物联网的功能，并进一步将资通讯技术扩散至更多农业场域。