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WSN遠距即時監測 防患未然 發布日期101/9/26 人氣指數8282

 搭配不同感應器,收集環境資料等資訊的無線感知網路( Wireless sensor network, WSN )技術,聽起來很深奧難懂的科技用詞,但實際上早已應用在民生生活上,譬如電壓的監測、博物館展覽作品時,控制溫、濕度與光線等,甚至連民眾過馬路、高速公路紓解車流量,大大小小的事情,都是透過 WSN 技術,而更令人意想不到的是, WSN 技術也被應用在農業領域上,監測農民最傷腦筋的害蟲問題、農作物生產及海洋保育的用途,對台灣農業有莫大的幫助!

什麼是 WSN 技術

植物影像記錄器即時監測影  無線感知網路( Wireless sensor network, WSN )廣義來說,泛指一切具有感測器可感知外界環境變數,並通過無線傳輸互連的系統,每個模組像是小小的電腦,內有微處理器、微電力感測器及低電壓操作之收發天線等三大功能,以感應環境或監控目標。

 WSN 技術結合無線網路技術、感測器、資料記錄器與資訊技術,如同人體的神經系統,扮演感應、傳遞訊號的角色,除了不用實體線路,可以在小範圍空間中,放置高密度的監測節點,更不需花費人力在監測區域附近待命。

 近年來,感測器種類日趨多元,目前可應用在溫度、溼度、光照、氣壓、風向、風速、 CO2 、震動、壓力與可見光、紅外線、紫外線等。長期且精準記錄環境狀態,並可利用這些資訊分析結果,作為即時因應的改善措施、降低風險及提升經營效率。由於 WSN 具有遠端、線上即時監測及資料收集的能力,且能結合感測器、通訊、網路、網頁與資料庫,建置成全自動化資料收集平台,基於上述種種優點, WSN 技術便成為農業的好幫手,應用在生態研究、環境保育及害蟲監測等領域。

WSN 應用於農業生態研究

土壤溫溼度歷史資料  目前生態研究的資料收集,多仰賴人工操作儀器進行,或定時前往採集點讀取感測器資料,而收集後的資訊需彙整與分析,才能提供研究使用;如果感測器損壞,也無法及時知道,容易造成資料收集不完整,更耗時耗力。有鑑於此,農業試驗所台南區農業改良場共同建置農業生態無線感測網路系統,以加強資料收集的完整性。

 試驗田間的感測資料,主要透過中繼站電腦進行資料擷取與儲存,並透過電信公司的 ADSL 服務,每 10 分鐘將資料傳送到農試所資料庫;另外還建置無線感測網路網頁,讓使用者可以透過網路,即時查詢感測器的歷史監測資料。網站上也有土壤溫溼度變化趨勢及植物生長影像即時監控等資料,並提供各研究站感測器分佈圖與即時感測器狀態圖,即時掌握機器運作情況。

 透過無線感測網路進行生態資料收集平台,研究者可隨時經由網路進行各項感測器的資料取得、分析與處理,並可針對異常感測器或數值進行深入分析與維護,不僅降低人力需求,也能降低以往人力收集與整理過程中的錯誤、或儀器損壞所造成的資料錯誤與資料斷層。藉由完整生態系資料的獲得,未來也可進行農業生產力與生態系功能等模式推導,加速國內農業生產與生態研究的進展。

WSN 應用於環境保育

浮標實體  澎湖馬公市青灣海域擁有珍貴的珊瑚生態與優良的水產環境,也是行政院農業委員會水產試驗所種原庫取用水源之一,作為種原庫內至少數十種特有或高經濟性水產種原繁殖及箱網中間育成之用。近年受到溫室效應影響,加上冬季寒害常造成大規模水產生物及珊瑚死亡案件,極需對該水域環境進行長期監測,以免因氣候異常而導致生態破壞及水產業者的損失。但因傳統船測方式有限,無法滿足監測需求,為達到穩定收集資料,水產試驗所利用崁入式統整合控制 WSN ZigBee 傳輸技術,發展一具有太陽能、與溫度、鹽度、 PH 、溶氧、濁度及葉綠素等多參數水質監測的觀測浮標系統,以期達到海域水質觀測與預警的目的。

 而為顯示海域各節點浮標的即時資料,同時開發 WSN 即時監測與預警系統網站,以 10 分鐘為間隔,連續傳送各項電力、 GPS 位置與各水質參數資料、主節點浮標之即時水下像,以及整合氣象站資料,並可將所測得之水質及氣象資料繪製出等值線圖或差異值圖,以便了解灣內水質分布情形。系統也可約每 6 小時自動分析與繪製漲退潮期及半潮期水文參數等值線圖和異常值圖。

 水產試驗所利用 WSN 無人、全天候、自動監測之優勢,同時即時監測澎湖海洋棲地水質狀態,並串接整合岸上養殖魚塭和種原池水質利用情形,一方面可提供不良水質預警、提前防範及採取必要措施,確實掌握養殖環境變化,進而發展多參數預警及預測模式,供水產養殖業者參考,另一方面也可避免人為或天然災害的破壞,以協助生物多樣性環境中的珊瑚保育、海域水質觀測與預警,以降低天然災害損失。

WSN 應用於害蟲監測

裝置田間閘道器之氣象屋外觀及氣象模組  東方果實蠅危害國內 30 多種重要經濟水果,是最重要果樹害蟲之一,對農業生產的影響極大。其生物特性、危害情形與族群分布偵測、誘殺劑運用與蟲害控制管理等研究,在國內外已有相當成果,然而一直以來,仍缺少一套可節省人、物力,並兼具時間與空間解析度的全面性害蟲偵測機制,以有效且準確記錄蟲害發生時之生態環境參數資訊,並即時回傳,以建立良好的評估模型與預警系統。有鑑於此,動植物防疫檢疫局與農業試驗所結合自動化感測、 WSN 無線感測器網路、 GSM 無線資訊傳輸,以及 GIS 地理資訊系統技術,進行遠距自動化害蟲生態環境監測與區域監測網先導應用評估。

 這套系統目前已經在彰化縣員林鄉、嘉義縣竹崎鄉及宜蘭縣員山鄉等 8 處設置,監測田間水果有芭樂、椪柑、高接梨及金棗等種類。其監測資料皆陸續蒐集至資料庫中,並與人工計數進行比對以評估其準確性,經過幾年嚴密的測試、微調與改良,證明系統不管在準確性、穩定性及耐候性等都相當不錯。

 初步研究結果指出,透過 WSN 監測,除大幅降低監測人力成本,更可提供田間東方果實蠅危害情形的即時性監測功能,其高空間解析度及高時間解析度的資料收集能力,是現有人工計數難以達到。更能呈現蟲害控制所需的重要資訊,以提供農政單位進行綜合防治管理機制之參考。

結語

 WSN 結合感測器及無線網路傳輸機制,改善過去收集資料及建立資料庫所需的人力,達到資料自動化收集的目的,並可用於大範圍或長期記錄的觀測工作,大大提升監測系統的準確性、感測範圍與便利性。目前國內無線網路傳輸環境越來越趨於成熟及普及,加上各類微感測器多元發展,未來 WSN 技術能應用在農業領域的範圍將更廣泛,對於提升整體農業的效益亦可期待。

(圖片出處:行政院農業委員會 資訊中心提供)

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