田间物联网技术翻新页NB-IoT成农渔资料收集神器

田间物联网涵盖了农林渔牧范畴,建构自长年的田野经验背后的数据研究累积,藉由科学方法描述数值所表示田间即时发生的现象,进一步判断、分析做出对应处置;这项技术不仅是电子电机技术的整合,更需结合大气科学、土壤化学、生物科学、电化学、环境科学等各种领域知识的整合,随着联网方式以及感测器技术进步,物联网将可以更深入于各种应用领域。

田间物联网涵盖了农林渔牧范畴,建构自长年的田野经验背后的数据研究累积,藉由科学方法描述数值所表示田间即时发生的现象,进一步判断、分析做出对应处置;这项技术不仅是电子电机技术的整合,更需结合大气科学、土壤化学、生物科学、电化学、环境科学等各种领域知识的整合,随着联网方式以及感测器技术进步,物联网将可以更深入于各种应用领域。

田间物联网意义

农林渔牧领域,都是运用一定土地区域进行植栽养牧用途,此产业对环境变迁及天灾极为敏感,生产物皆以人类食用为大宗,是食安敏感课题。同时此产业也具备持续性生产及消费需求,是人类主要经济活动来源;因此,能够稳定生产及监控生产物品质,便能够有效率预估产量、经济规模、价格。过去在田间往往因为地处偏远,无良好通讯基础设施可到达,布置田间感测器用以收集现场资料成为一大挑战,也因此出现各种低功耗广域网路(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN )之通讯方式角逐田间应用。

在农业运用范畴,许多农作物为了收集种植场域地表、土下、作物等环境微气候资料,可以透过许多已经发展完整的感测器,如电导度计(Electric Conductivity, EC)、pH电极、气温感测器、相对湿度感测器、风速计、风向计、雨量计、气压感测器、光量子计等,用以记录及分析植栽生长状态;而在养殖业的田间应用也可以取得溶氧计(Dissolved Oxygen, DO)、盐度计、氧化还原电位电极(Oxidation Reduction Potential, ORP)、浊度计、叶绿素计、离子选择电极等感测器,用以了解水质情况。

现行的感测器多已具备数位介面如UART、RS232、RS485等,可以使用单晶片、或Arduino开发板读取感测器资料,再透过LPWAN方式传送至云端主机。以单晶片或Arduino开发板利用UART介面连接LPWAN模组,可以快速地完成一个简易的资料收集点;在田间应用时,感测器的设置地点、彼此的设置密度、安装高度会影响收集资料的正确与否。

田间物联网的价值在于,正确设置的感测器量测的资料可以还原田野现场状态,成为作物生长的分析指标,结合地理资讯,资料尺度达到公尺(1~10m),能够以小区块为单位,透过机器观察人类忽略的讯息,计算各种微型模式的发生。

NB-IoT/M1穿针引线田间通讯立竿见影

LPWAN有数种规格互相竞逐,例如LoraWAN、Sigfox、窄频物联网(Narrow Band-IoT, NB-IoT)等,NB-IoT亦称为LTE Cat. NB1,是架构在行动通讯网路上的低功率广域网路技术。它可以使终端设备简单有效地连接行动通讯网路,资料传输时具备行动通讯等级加密的可靠度,适合处理少量、不频繁的双向数据。NB-IoT使用LTE行动通讯网路200kHz频宽的频谱,可工作于载波保护频段(Guard Band),或在频段内(In-Band)、或采用独立频段(Stand-alone)(图1)。

图1 NB-IoT三种频段工作模式

NB-IoT规范由2016年6月3GPP协议规范第13版(3GPP Release 13)定义,下行(Downlink)最大速率250kbps,上行(Uplink)最大速率250kbps。LTE Cat. M1同样架构于LTE行动通讯网路,使用LTE频段,相较于NB-IoT,具备可移动切换基地台连接的能力,具有行动通讯网路的完整安全和加密功能的优点,LTE Cat. M1技术规格亦于3GPP Release 13定义,下行最大速率1Mbps,上行最大速率1Mbps。

LoraWAN、Sigfox属非执照频段,须自行建置基地台及搭配宽频网路闸道器以连上云端;NB-IoT/M1为需执照频段,由电信商提供服务,一个基地台讯号可涵盖10 ~20km,基地台可同时服务数万个设备端,可布建于现有的4G系统之上,每一个NB-IoT/M1设备端皆可以独立连上云端;并且因为行动通讯网路覆盖全球,可透过业者漫游方案提供全球设备联网,加上全球电信业者均陆续支援NB-IoT/M1,目前模组供应商多整合NB-IoT/M1双模,甚至可以提供全球电信商频段,因此成为物联网应用备受瞩目的通讯方式。

由于其通讯协定之设计,使得通讯模组在送出资料后大部分时间内皆处于休眠状态,因此可以具备相当低的耗电量。NB-IoT/M1模组设计条件均可以电池工作达数年以上。田间物联网因设备多半设置于固定地点,或仅有低速移动需求(30km/h),同时收集资料量少,收集资料区间长,因此NB-IoT非常合适田间物联网需要长时间定期回报小量资料的应用场合。

以农业虫害感测为例,将台中区农业改良场所发展之中改式昆虫性费洛蒙诱虫盒(图2)整合环型害虫侦测电路、NB-IoT通讯模组,可以量测单位时间内通过诱虫盒的虫只数量、体型大小、穿梭方向;此一附加NB-IoT之昆虫性费洛蒙诱虫盒,不需破坏诱虫盒本体结构设计,加上环型害虫侦测电路即可使原诱虫盒具备感测能力,将诱引入盒内昆虫数量、时间、密度、安放座标、气温、湿度即时传回至云端主机记录,即时呈现田间不同作物特定害虫出没的热区、密度、时间,以及特定区域发生虫害的频繁度。透过NB-IoT传输,田间害虫资讯的收集可以由人工统计转为自动回报,不仅节省人力,最大的意义在于可呈现田间资讯的即时完整性,避免资料失真,详尽的资料可以长期累积用以建立虫害发生模式,有助拟定正确防治策略以及预警时机,降低损耗,提高获利。

图2整合NB-IoT之中改式费洛蒙诱虫盒
资料来源:原力电子科技

新式感测器增加田间量测可行性

目前感测器元件技术发展已相当成熟,三合一功能的压力、湿度、温度微机电感测器仅有3×3mm大小,具备I2C/SPI数位介面,相较于传统类比式感测器而言,电路简洁,其耗电量极低,相当适合应用于田间量测数据。

量测电导度可采用以时间区域反射法(Time Domain. Reflectometry, TDR)原理之多电极式感测器,可以耐酸碱、长时间于户外条件下工作,耗电量同样也低,适合以电池供应于田野使用。对于水质分析,可以针对量测水中特定离子浓度电位差来判断水质条件,透过特定电极对特定离子的浓度反应敏感,此类感测器称为离子选择性电极(Ion-Selective Electrodes, ISE),pH电极即为H+离子选择性电极。此外更有以离子扩散而改变半导体介面电荷浓度,产生半导体场效效应,所开发之离子埸效电晶体(Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)固态电极,不但免除了离子选择性电极玻璃易破碎的困扰,可以于水下长期工作,甚至可以高温灭菌。

然而在田间应用中,单纯量测数值并不足以解决现场实务上所出现形形色色的问题。田间数据背后代表的是整个环境大系统状态的平衡与否,而整体环境系统同时需要考虑的变因极多,并非透过几个感测器便可窥得全貌。这意味着田间物联网若仅依赖电子电机工程师开发硬体,不足以发挥其正确效用;它需要相对应问题的专家知识,例如生物科学家、农艺科学家、环境科学家的加入。依专家指导而正确布置的资料收集点以取得有效资料,同时资料交由具备专业背景知识研究人员分析才具备意义。具备价值的分析资料将促进产业革新,甚至促进新的感测方式及感测器的开发。

田间环境考验不亚于工、车规

在户外设置的气象站,受到曝晒、雨淋、强风吹袭,设备箱内的热、湿累积对于量测线路都需要再做校准与误差修正,在户外日光曝晒下,箱体温度可能高达摄氏70~80度,对通讯模组工作的可靠度是一大挑战,因此耐候性气象站应采用通过工规NB-IoT/M1的通讯模组、符合工规的单晶片及零件开发,才能于田野长时间工作,全自动化气象资料收集,记录气压、气温、湿度、风向、风速、雨量等数值、计算风寒指数、露点温度、体感温度、暴雨警报,传送至云端气象资讯平台(图3) 。

图3 NBIoT/M1气象站
资料来源:原力电子科技

水下量测技术挑战

田间作业环境的高温、高湿、泥水、扬尘、机械的引擎温度、振动,以及养殖池盐雾、鼓风机的振动对量测设备的工作条件是一大挑战。养殖渔业亦为田间感测器需求的极大市场,水体表层及水下感测数据的取得,是养殖渔业在养殖管理过程相当重要的参考指引。在养殖环境中的田间数据量测,需要考虑防水、盐雾侵蚀,其中因感测器、导线长时间浸泡于水中,会有电极腐蚀及生物膜附着,而导致量测数值产生误差。利用NB-IoT结合防水防尘外壳、电池、单晶片、ADC等电路所开发的整合式无线感测器(图4),搭配长效型复合式电极,可以随处即时量测,在养殖环境中,能精密记录每一点位的水下资讯并具备即时数值补偿,同时排除因量测点位置不同产生之读值误差。

图4 NB-IoT之无线溶氧计
资料来源:原力电子科技

养殖渔业田间幅员常为数分地至数甲地面积,当感测点设置较多时,会改用闸道器先存后转送资料至云端,因传送资料量较NB-IoT大,闸道器的通讯模组选用mini-PCIE介面之Cat. M1,甚至可以依传输量需要更换为Cat. 1以上规格之通讯模组(图5)。透过现场即时取得养殖环境数据,用以自动化控制实现水质增氧监控、投饵喂饲作业管理、环境纪录(溶氧、温度、氧化还原电位、ORP)以全面性建立生长管理履历追溯;并可在云端分析,建立喂饲、生长管理、履历追溯之养殖自动决策系统,可作无人化管理水质监控与调节、​​成长分析与营养管理、鱼塭环境健康度及养殖生物疾病预警。

图5田间资料闸道器及内部电路
资料来源:原力电子科技

Arduino整合NB-IoT/M1

依据NB-IoT模组的通讯特性,适合运用于小资料量及固定周期的资料收集,当其模组进入深度睡眠时,静态耗电流仅消耗3uA,如每2小时收集一笔温湿度、或每日检查4次感测器状态,如此的操作周期,可使每一NB-IoT资料收集器以电池供应长达十年的工作时间。如果采用Arduino架构及相容开发环境,可以在各种设计整合做原型测试,满足各种快速开发、测试需要,电路板直接整合NB-IoT/M1通讯模组,便成内建NB-IoT/M1功能之Arduino开发板,不需另加Arduino Shield扩充板,使原本数量有限的输出入脚位可搭配各种感测器如气压、气温、湿度、风向、风速、雨量等应用,亦可透过UART、I2C 、SPI、RS232、RS485介面结合其他控制设备,运用已和电信业者合作测试完成之程式发展范例及函式库,可以更快建构NB-IoT/M1现场应用(图6)。

图6 10Tuino开发板
资料来源:原力电子科技

NB-IoT/M1在核心开发潜力

NB-IoT/M1模组的核心晶片配置数个可自行运用的DIO可处理简单的I/O运用,模组本身也有I2C、SPI介面,利用模组处理器的运算余裕,开发程式读取I2C /SPI介面的外部感测器读值,再以UDP或TCP/IP协定将感测器读值封装之资料以MQTT或RESTful直接传往云端资料平台,而外部电路除感测器之外,仅需Watchdog及电源管理IC,结合晶片式SIM(eSIM),使得模组除了可以预载电信服务商门号,更可以在全球布建物联网时,依据各地不同电信服务商空中换号;不仅电路配置更加简化,以模组核心SDK作二次开发,可在原有通讯模组记忆体上传客制化程式,让NB-IoT模组透过I2C/DIO读取感测器资料,传送至云端。田间物联网的感测设备开发应着眼于解决现场问题,而非处理于各种复杂电路设计。

田间物联网是田野大数据收集的基础建设,同时也是多元知识、专业科学整合应用的场域。在当今巨量资料加上人工智慧分析时代,更应利用田间物联网作为高效率收集巨量资料的基础科学方法,正确解读资料背后的意义,为不同应用跨领域发展开发新契机。


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