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LoRa通訊技術配合鳳梨田間觀測的應用

資料來源:行政院農業委員會農業試驗所農業工程組/陳俊仁

本研究以微控制器(Microcontroller Unit,MCU)為核心,進行系統電路板設計開發,並將長距離低功耗LoRa(Long Range,LoRa)通訊模組封裝成單一設備,配合太陽能供電設備、環境觀測設備等架設田間氣象站,並在台中、嘉義、屏東等地之鳳梨田區進行即時性的微氣象觀測與設備長時間耐候性測試,經實際測試,本設備通訊傳輸距離以資料傳輸速率1.2kbps為例,功率為20dBm時傳輸距離可達2公里;功率為30dBm時達傳輸距離可8公里,此距離可涵蓋一般農民住家與田間之距離。本設備特色除實現遠距離無線傳輸,讓農民在家即可觀測田間資訊外,同時兼具低功耗、雙向通訊及設備造價低成本之優點,另外本研究所開發設備亦可與4G聯網裝置隨插即用組合成物聯網通訊設備,搭配設備外觀明確之顯示功能,讓使用者在資料接收操作上更容易上手,進而強化田間環境資訊管理,實體設備圖如圖1所示。

圖1、實體設備圖

台中田間測試

接收站架設於農試所農業工程組頂樓,含接收天線距離地面約為10公尺,分別於水田區架設2組氣象站、鳳梨田區架設1組氣象站,訊號發射功率為20dBm,如圖2所示,水田測站-1、水田測站-2、鳳梨田氣象站分別距離接收站390公尺、420公尺、920公尺,由圖2可知氣象站與接收站之間為空曠田區,資料傳送頻率約5分鐘一筆,使用一個接收站接收三個氣象站傳輸之資料。

圖2、台中田間測試

嘉義田間測試

接收站架設於農試所嘉義分所二樓室內辦公室,接收天線距離地面約5公尺,氣象站位於嘉義分所水源地之鳳梨田區,訊號發射功率為20dBm,如圖3所示。試驗田區之氣象站距離接收站約590公尺,氣象站與接收站之間為空曠田區但有高度落差,資料傳送頻率每分鐘一筆,使用一對一收發方式。

圖3、嘉義田間測試

屏東田間測試

接收站架設於屏東綠地合作社一樓室內辦公室,接收天線距離地面約1.5公尺,氣象站位於200公尺外鳳梨田區,訊號發射功率為20dBm,如圖4所示。氣象站與接收站之間為空曠田區,資料傳送頻率每分鐘一筆,使用一對一收發方式。

圖4、屏東田間測試

田間氣象站之監測項目,主要以溫度、濕度、水分等數字資料為主,屬於低傳輸量訊號資料,本研究所使用之LoRa通訊模組出廠時,預設傳輸速率為2.4kbps,其傳輸速率已足以符合田間氣象站需求,在台中田區的試驗,由於接收天線位於室外高處與接收天線與氣象站之間地勢空曠等因素,最大傳輸距離超出900公尺亦能順利傳輸;在嘉義、屏東田區試驗部分,接收天線因現實因素無法置於室外只能置於室內,特別是屏東試驗區的接收天線偏低高度約為1.5公尺,因此在相同的發射功率20dBm條件下,將資料傳輸速率降低為1.2kbps以提高傳輸穩定性,以同樣的資料傳輸速率,在農試所農工組頂樓作為發射台傳輸距離可達2公里;功率為30dBm時達傳輸距離可8公里。

本研究使用LoRa通訊技術建立田間氣象站,具低功耗、雙向通訊、低成本、免通訊費之優點,經設備整合後,整體設備造價已明顯降低,本設備特色除實現遠距離無線傳輸,讓農民在家即可觀測田間資訊外,亦可與4G聯網裝置隨插即用組合成物聯網通訊設備,將資料上傳至雲端系統,使資料能長久保存,在操作設備上,搭配設備外觀明確之顯示功能,讓使用者在資料接收操作上更容易上手,達到強化田間環境資訊管理目的。

研發團隊:智慧農業鳳梨產業躍昇計畫

E-mail:powergis@tari.gov.tw

電話:04-23317711

聯絡人:陳俊仁

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