資料來源:行政院農業委員會桃園區農業改良場/賴信忠 副研究員
圖一、環境感測器數據透過網路上傳雲端系統,以程式設定閥值與邏輯判斷,進行遠端自動管理 面對極端氣候、農業人口高齡化,缺工等問題,農業耕作技術發展朝向自動化、精緻化及安全目標,將智慧科技導入農業生產,應用感測器收集生物及環境及田間作業數據,大數據分析及預測模型應用,藉由自動環控設備進行田間管理,達到節能省工管理模式。
智慧農業主要運用物聯網的概念與技術,在農場既有的實體物件如農機具、農業設施、土壤、作物等,導入感測元件(如:生物感測、環境感測及影像辨識等),並結合有線/無線通訊科技,將蒐集與擷取到的感測數據(如:溫溼度、光度、二氧化碳、土壤濕度、蟲害等)上傳至雲端資料庫。更結合消費市場需求與商情資料蒐集,透過大數據資料探勘、整合及分析,將數據轉換為農業經營有用的資訊,提供農場管理者進行產銷規劃、生產管理及顧客服務等經營決策判斷參考,協助產銷過程的智慧監控,減輕農場作業負擔降低勞動力需求,建立更有效率的農場經營管理模式,生產符合消費者需求,安全、安心及可追溯的農產品。
圖二、感測元件繁多,感測精準度差異大 人透過的感官可以感測外部環境狀態,眼、耳、鼻、舌、觸覺及痛覺等就是感測器。感測器是將化學量、物理量及生物量等轉換成電訊號的儀器,感測器是用於偵測環境中所生事件或變化,並將此訊息傳送出至其他電子裝置(如中央處理器)的裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。感測元件就如同人的感知神經元,感受周圍的環境,感測元件感測原理是將物理量(力、位移、角度、震動、音波、流量、溫度、密度、比重)或化學量(鹽度、pH等)的變化轉換成電壓或電阻的變化量而輸出訊號,可作為訊息傳遞、處理、紀錄、顯示及控制等,從早期的類比式到近年來數位式訊號。農業常用感測元件包含光度、相對濕度、空氣溫度、風速風向、土壤濕度、土壤EC、土溫,電子秤、壓力計、流量計、水位計。
數據傳輸方式,從有線連接發展成無線傳輸。應用無線網路傳輸技術,感測器可以進行數據處理及資料回傳,具備感測、運算與通信能力,少了實體訊號線,現場安裝更簡便。由於微機電(MEMS)發展,感測器越做越小,功能及價格也大幅改善,有利於大量布建資料收集、數據監控。
無線傳輸感測器硬體架構包括1.微控制器(Micro Controller Unit;MCU),具有CPU及小型韌體,負責感測數據收集及運算。2.電力供應,有線電源、鋰電池、太陽能等。3.微機電感測元件,偵測光、溫度、濕度、磁力及震度等。4.無線射頻,如RFID、ZigBee、藍芽、Wi-Fi、LoRa、4G等。
圖三、土壤溼度計為類比訊號,以Wi-Fi傳輸 農業感測器
農業感測器可分為生物感測器及環境感測器,依照使用目的、對象、場域而異。產業用感測器開發應注意功能及需求量,製造量影響成本,因此在感測器應注意以下幾點:
1.應評估產業需求度、功能、成本及未來量產可行性。
2.最少監控裝置解決最多農耕需求。
3.系統與監控裝置整合及功能互補,最佳運作效能。
4.穩定零組件供應及價格優勢進行量產,以功能及價格建立供應鏈。
圖四、感測器應注意事項 生物感測器
葉氮測量儀:通過反射率和植物中葉綠素含量與氮含量之間緊密聯繫的概念來表徵氮含量,可精準掌握氮肥利用效率。
圖五、手持式葉氮測量儀(https://www.kohsieh.com.tw/ver4/newfile_342.htm) 三軸自動定位植物表型分析儀:植物栽培和生長,可自動移動,監測環境參數及單株和多株植物水平上的植物表型。自動化機械臂位於生長空間上方,特定區域內運輸灌溉設備和成像傳感器輸送植物影像。XYZ機械臂系統包括用於生長室和溫室應用的耐用結構,並且可以製造成幾乎覆蓋任何區域。通常在通用生長台上種植植物,該生長台可以包括用於土壤種植植物的各種類型的托盤和盆的可互換網格格式,它可以包括用於篩選體外(例如,在多孔板中)生長的植物的支架格式或可選的水培台,可用於植物栽培。
圖六、三軸自動定位系統(https://www.kohsieh.com.tw/ver4/newfile_362.htm) 葉面積測量儀(LAI): LaiPen LP 110通過使用廣角光學傳感器進行的太陽輻射測量來計算LAI和其他機蓋結構屬性。在樹冠上方和下方進行的測量用於確定五個角度的樹冠光截距,然後使用植物冠層的輻射傳遞模型從中計算LAI。
圖七、手持式葉面積指數測量儀(https://www.kohsieh.com.tw/ver4/newfile_357.htm) 非破壞性果實品質測定儀:利用近紅外光譜的方式來估算皮薄及表面平整水果之糖度、酸度、乾物重和果皮顏色,使用方便且快速準確, 不需將水果切開,直接將感測探頭接觸於待測水果的表面即可,水果糖測定種類:番茄、桃、芒果、蘋果、日本梨、柿子、葡萄、柑橘類等皮薄及表面平整之水果。
圖八、非破壞性果實品質測定儀(https://www.kohsieh.com.tw/ver4/newfile_222.htm) 葉綠素儀可以即時測量植物的葉綠素相對含量或“綠色程度”,從而可以瞭解植物真實的硝基需求量並且幫助您瞭解土壤硝基的缺乏程度或是否過多地施加了氮肥。您可以通過這種儀器來增加氮肥的利用率,並可保護環境(防止施加過多的氮肥而使環境特別是水源受到污染)。
圖九、葉綠素計 無線傳輸土壤水分張力計:以色列Tevatronic開發出精確灌溉的灌溉控制器(圖5.4),採用無線傳輸土壤水分張力計,安裝於根系附近土壤,偵測值作為自動灌溉依據,由於採用水分張力計,適用不同介質,預估可節省30%灌溉水及肥料。
圖十、無線傳輸土壤水分張力計量測土壤濕度,精準灌溉(https://kknews.cc/agriculture/6a548ll.html) 延伸閱讀