田間物聯網技術翻新頁 NB-IoT成農漁資料收集神器
2019-01-08陳森淼
田間物聯網涵蓋了農林漁牧範疇，建構自長年的田野經驗背後的數據研究累積，藉由科學方法描述數值所表示田間即時發生的現象，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，更需結合大氣科學、土壤化學、生物科學、電化學、環境科學等各種領域知識的整合，隨著聯網方式以及感測器技術進步，物聯網將可以更深入於各種應用領域。
田間物聯網涵蓋了農林漁牧範疇，建構自長年的田野經驗背後的數據研究累積，藉由科學方法描述數值所表示田間即時發生的現象，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，更需結合大氣科學、土壤化學、生物科學、電化學、環境科學等各種領域知識的整合，隨著聯網方式以及感測器技術進步，物聯網將可以更深入於各種應用領域。
田間物聯網意義
農林漁牧領域，都是運用一定土地區域進行植栽養牧用途，此產業對環境變遷及天災極為敏感，生產物皆以人類食用為大宗，是食安敏感課題。同時此產業也具備持續性生產及消費需求，是人類主要經濟活動來源；因此，能夠穩定生產及監控生產物品質，便能夠有效率預估產量、經濟規模、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，布置田間感測器用以收集現場資料成為一大挑戰，也因此出現各種低功耗廣域網路(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)之通訊方式角逐田間應用。
在農業運用範疇，許多農作物為了收集種植場域地表、土下、作物等環境微氣候資料，可以透過許多已經發展完整的感測器，如電導度計(Electric Conductivity, EC)、pH電極、氣溫感測器、相對濕度感測器、風速計、風向計、雨量計、氣壓感測器、光量子計等，用以記錄及分析植栽生長狀態；而在養殖業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、離子選擇電極等感測器，用以了解水質情況。
現行的感測器多已具備數位介面如UART、RS232、RS485等，可以使用單晶片、或Arduino開發板讀取感測器資料，再透過LPWAN方式傳送至雲端主機。以單晶片或Arduino開發板利用UART介面連接LPWAN模組，可以快速地完成一個簡易的資料收集點；在田間應用時，感測器的設置地點、彼此的設置密度、安裝高度會影響收集資料的正確與否。
田間物聯網的價值在於，正確設置的感測器量測的資料可以還原田野現場狀態，成為作物生長的分析指標，結合地理資訊，資料尺度達到公尺(1~10m)，能夠以小區塊為單位，透過機器觀察人類忽略的訊息，計算各種微型模式的發生。
NB-IoT/M1穿針引線 田間通訊立竿見影
LPWAN有數種規格互相競逐，例如LoraWAN、Sigfox、窄頻物聯網(Narrow Band-IoT, NB-IoT)等，NB-IoT亦稱為LTE Cat. NB1，是架構在行動通訊網路上的低功率廣域網路技術。它可以使終端設備簡單有效地連接行動通訊網路，資料傳輸時具備行動通訊等級加密的可靠度，適合處理少量、不頻繁的雙向數據。NB-IoT使用LTE行動通訊網路200kHz頻寬的頻譜，可工作於載波保護頻段(Guard Band)，或在頻段內(In-Band)、或採用獨立頻段(Stand-alone)(圖1)。
NB-IoT規範由2016年6月3GPP協議規範第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同樣架構於LTE行動通訊網路，使用LTE頻段，相較於NB-IoT，具備可移動切換基地台連接的能力，具有行動通訊網路的完整安全和加密功能的優點，LTE Cat. M1技術規格亦於3GPP Release 13定義，下行最大速率1Mbps，上行最大速率1Mbps。
LoraWAN、Sigfox屬非執照頻段，須自行建置基地台及搭配寬頻網路閘道器以連上雲端；NB-IoT/M1為需執照頻段，由電信商提供服務，一個基地台訊號可涵蓋10~20km，基地台可同時服務數萬個設備端，可布建於現有的4G系統之上，每一個NB-IoT/M1設備端皆可以獨立連上雲端；並且因為行動通訊網路覆蓋全球，可透過業者漫遊方案提供全球設備聯網，加上全球電信業者均陸續支援NB-IoT/M1，目前模組供應商多整合NB-IoT/M1雙模，甚至可以提供全球電信商頻段，因此成為物聯網應用備受矚目的通訊方式。
由於其通訊協定之設計，使得通訊模組在送出資料後大部分時間內皆處於休眠狀態，因此可以具備相當低的耗電量。NB-IoT/M1模組設計條件均可以電池工作達數年以上。田間物聯網因設備多半設置於固定地點，或僅有低速移動需求(30km/h)，同時收集資料量少，收集資料區間長，因此NB-IoT非常合適田間物聯網需要長時間定期回報小量資料的應用場合。
以農業蟲害感測為例，將台中區農業改良場所發展之中改式昆蟲性費洛蒙誘蟲盒(圖2)整合環型害蟲偵測電路、NB-IoT通訊模組，可以量測單位時間內通過誘蟲盒的蟲隻數量、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構設計，加上環型害蟲偵測電路即可使原誘蟲盒具備感測能力，將誘引入盒內昆蟲數量、時間、密度、安放座標、氣溫、濕度即時傳回至雲端主機記錄，即時呈現田間不同作物特定害蟲出沒的熱區、密度、時間，以及特定區域發生蟲害的頻繁度。透過NB-IoT傳輸，田間害蟲資訊的收集可以由人工統計轉為自動回報，不僅節省人力，最大的意義在於可呈現田間資訊的即時完整性，避免資料失真，詳盡的資料可以長期累積用以建立蟲害發生模式，有助擬定正確防治策略以及預警時機，降低損耗，提高獲利。
新式感測器增加田間量測可行性
目前感測器元件技術發展已相當成熟，三合一功能的壓力、溼度、溫度微機電感測器僅有3×3mm大小，具備I2C/SPI數位介面，相較於傳統類比式感測器而言，電路簡潔，其耗電量極低，相當適合應用於田間量測數據。
量測電導度可採用以時間區域反射法(Time Domain. Reflectometry, TDR)原理之多電極式感測器，可以耐酸鹼、長時間於戶外條件下工作，耗電量同樣也低，適合以電池供應於田野使用。對於水質分析，可以針對量測水中特定離子濃度電位差來判斷水質條件，透過特定電極對特定離子的濃度反應敏感，此類感測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介面電荷濃度，產生半導體場效效應，所開發之離子埸效電晶體(Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)固態電極，不但免除了離子選擇性電極玻璃易破碎的困擾，可以於水下長期工作，甚至可以高溫滅菌。
然而在田間應用中，單純量測數值並不足以解決現場實務上所出現形形色色的問題。田間數據背後代表的是整個環境大系統狀態的平衡與否，而整體環境系統同時需要考慮的變因極多，並非透過幾個感測器便可窺得全貌。這意味著田間物聯網若僅依賴電子電機工程師開發硬體，不足以發揮其正確效用；它需要相對應問題的專家知識，例如生物科學家、農藝科學家、環境科學家的加入。依專家指導而正確布置的資料收集點以取得有效資料，同時資料交由具備專業背景知識研究人員分析才具備意義。具備價值的分析資料將促進產業革新，甚至促進新的感測方式及感測器的開發。
田間環境考驗不亞於工、車規
在戶外設置的氣象站，受到曝曬、雨淋、強風吹襲，設備箱內的熱、溼累積對於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，對通訊模組工作的可靠度是一大挑戰，因此耐候性氣象站應採用通過工規NB-IoT/M1的通訊模組、符合工規的單晶片及零件開發，才能於田野長時間工作，全自動化氣象資料收集，記錄氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、雨量等數值、計算風寒指數、露點溫度、體感溫度、暴雨警報，傳送至雲端氣象資訊平台(圖3)。
水下量測技術挑戰
田間作業環境的高溫、高濕、泥水、揚塵、機械的引擎溫度、振動，以及養殖池鹽霧、鼓風機的振動對量測設備的工作條件是一大挑戰。養殖漁業亦為田間感測器需求的極大市場，水體表層及水下感測數據的取得，是養殖漁業在養殖管理過程相當重要的參考指引。在養殖環境中的田間數據量測，需要考慮防水、鹽霧侵蝕，其中因感測器、導線長時間浸泡於水中，會有電極腐蝕及生物膜附著，而導致量測數值產生誤差。利用NB-IoT結合防水防塵外殼、電池、單晶片、ADC等電路所開發的整合式無線感測器(圖4)，搭配長效型複合式電極，可以隨處即時量測，在養殖環境中，能精密記錄每一點位的水下資訊並具備即時數值補償，同時排除因量測點位置不同產生之讀值誤差。
養殖漁業田間幅員常為數分地至數甲地面積，當感測點設置較多時，會改用閘道器先存後轉送資料至雲端，因傳送資料量較NB-IoT大，閘道器的通訊模組選用mini-PCIE介面之Cat. M1，甚至可以依傳輸量需要更換為Cat. 1以上規格之通訊模組(圖5)。透過現場即時取得養殖環境數據，用以自動化控制實現水質增氧監控、投餌餵飼作業管理、環境紀錄(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；並可在雲端分析，建立餵飼、生長管理、履歷追溯之養殖自動決策系統，可作無人化管理水質監控與調節、成長分析與營養管理、魚塭環境健康度及養殖生物疾病預警。
Arduino整合NB-IoT/M1
依據NB-IoT模組的通訊特性，適合運用於小資料量及固定週期的資料收集，當其模組進入深度睡眠時，靜態耗電流僅消耗3uA，如每2小時收集一筆溫濕度、或每日檢查4次感測器狀態，如此的操作週期，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。如果採用Arduino架構及相容開發環境，可以在各種設計整合做原型測試，滿足各種快速開發、測試需要，電路板直接整合NB-IoT/M1通訊模組，便成內建NB-IoT/M1功能之Arduino開發板，不需另加Arduino Shield擴充板，使原本數量有限的輸出入腳位可搭配各種感測器如氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、雨量等應用，亦可透過UART、I2C、SPI、RS232、RS485介面結合其他控制設備，運用已和電信業者合作測試完成之程式發展範例及函式庫，可以更快建構NB-IoT/M1現場應用(圖6)。
NB-IoT/M1在核心開發潛力
NB-IoT/M1模組的核心晶片配置數個可自行運用的DIO可處理簡單的I/O運用，模組本身也有I2C、SPI介面，利用模組處理器的運算餘裕，開發程式讀取I2C/SPI介面的外部感測器讀值，再以UDP或TCP/IP協定將感測器讀值封裝之資料以MQTT或RESTful直接傳往雲端資料平台，而外部電路除感測器之外，僅需Watchdog及電源管理IC，結合晶片式SIM(eSIM)，使得模組除了可以預載電信服務商門號，更可以在全球布建物聯網時，依據各地不同電信服務商空中換號；不僅電路配置更加簡化，以模組核心SDK作二次開發，可在原有通訊模組記憶體上傳客製化程式，讓NB-IoT模組透過I2C/DIO讀取感測器資料，傳送至雲端。田間物聯網的感測設備開發應著眼於解決現場問題，而非處理於各種複雜電路設計。
田間物聯網是田野大數據收集的基礎建設，同時也是多元知識、專業科學整合應用的場域。在當今巨量資料加上人工智慧分析時代，更應利用田間物聯網作為高效率收集巨量資料的基礎科學方法，正確解讀資料背後的意義，為不同應用跨領域發展開發新契機。
附圖：圖1 NB-IoT三種頻段工作模式
圖2 整合NB-IoT之中改式費洛蒙誘蟲盒
圖3 NBIoT/M1氣象站
圖4 NB-IoT之無線溶氧計
圖5 田間資料閘道器及內部電路
圖6 10Tuino開發板
圖2 整合NB-IoT之中改式費洛蒙誘蟲盒
圖3 NBIoT/M1氣象站
圖4 NB-IoT之無線溶氧計
圖5 田間資料閘道器及內部電路
圖6 10Tuino開發板
留言
張貼留言