田间物联网技术翻新页　NB-IoT成农渔资料收集神器

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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，借助科学方法描述数值所表示田间实时发生的现象，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，随着联网方式以及传感器技术进步，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质量，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，布置田间传感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(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、作物等环境微气候数据，可以透过许多已经发展完整的传感器，如电导度计(Electric Conductivity, EC)、pH电极、气温传感器、相对湿度传感器、风速计、风向计、雨量计、气压传感器、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、离子选择电极等传感器，用以了解水质情况。

现行的传感器多已具备数字接口如UART、RS232、RS485等，可以使用单芯片、或Arduino开发板读取传感器数据，再透过LPWAN方式传送至云端主机。以单芯片或Arduino开发板利用UART接口连接LPWAN模块，可以快速地完成一个简易的数据收集点;在田间应用时，传感器的设置地点、彼此的设置密度、安装高度会影响收集数据的正确与否。

田间物联网的价值在于，正确设置的传感器量测的数据可以还原田野现场状态，成为作物生长的分析指针，结合地理信息，数据尺度达到公尺(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，是架构在移动通讯网络上的低功率广域网技术。它可以使终端设备简单有效地连接移动通讯网络，数据传输时具备移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移动通讯网络200kHz带宽的频谱，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移动通讯网络，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，具有移动通讯网络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带网络网关以连上云端;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;并且因为移动通讯网络覆盖全球，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持NB-IoT/M1，目前模块供货商多整合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。

由于其通讯协议之设计，使得通讯模块在送出数据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模块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)，同时收集数据量少，收集数据区间长，因此NB-IoT非常合适田间物联网需要长时间定期回报小量数据的应用场合。

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通讯模块，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、安放坐标、气温、湿度实时传回至云端主机记录，实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，田间害虫信息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信息的实时完整性，避免数据失真，详尽的数据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数据源：原力电子科技

新式传感器增加田间量测可行性

目前传感器组件技术发展已相当成熟，三合一功能的压力、湿度、温度微机电传感器仅有3×3mm大小，具备I2C/SPI数字接口，相较于传统模拟式传感器而言，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)原理之多电极式传感器，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，此类传感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接口电荷浓度，产生半导体场效效应，所开发之离子埸效晶体管(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，并非透过几个传感器便可窥得全貌。这意味着田间物联网若仅依赖电子电机工程师开发硬件，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数据收集点以取得有效数据，同时数据交由具备专业背景知识研究人员分析才具备意义。具备价值的分析数据将促进产业革新，甚至促进新的感测方式及传感器的开发。

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，对通讯模块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的通讯模块、符合工规的单芯片及零件开发，才能于田野长时间工作，全自动化气象数据收集，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，传送至云端气象信息平台(图3)。

图3　NBIoT/M1气象站数据源：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。养殖渔业亦为田间传感器需求的极大市场，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，其中因传感器、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、单芯片、ADC等电路所开发的整合式无线传感器(图4)，搭配长效型复合式电极，可以随处实时量测，在养殖环境中，能精密记录每一点位的水下信息并具备实时数值补偿，同时排除因量测点位置不同产生之读值误差。

图4　NB-IoT之无线溶氧计数据源：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，会改用网关先存后转送数据至云端，因传送数据量较NB-IoT大，网关的通讯模块选用mini-PCIE接口之Cat. M1，甚至可以依传输量需要更换为Cat. 1以上规格之通讯模块(图5)。透过现场实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　田间数据网关及内部电路数据源：原力电子科技

Arduino整合NB-IoT/M1

依据NB-IoT模块的通讯特性，适合运用于小数据量及固定周期的数据收集，当其模块进入深度睡眠时，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次传感器状态，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架构及兼容开发环境，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通讯模块，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传感器如气压、气温、湿度、风向、风速、雨量等应用，亦可透过UART、I2C、SPI、RS232、RS485接口结合其他控制设备，运用已和电信业者合作测试完成之程序发展范例及函式库，可以更快建构NB-IoT/M1现场应用(图6)。

图6　10Tuino开发板数据源：原力电子科技

NB-IoT/M1在核心开发潜力

NB-IoT/M1模块的核心芯片配置数个可自行运用的DIO可处理简单的I/O运用，模块本身也有I2C、SPI接口，利用模块处理器的运算余裕，开发程序读取I2C/SPI接口的外部传感器读值，再以UDP或TCP/IP协议将传感器读值封装之数据以MQTT或RESTful直接传往云端数据平台，而外部电路除传感器之外，仅需Watchdog及电源管理IC，结合芯片式SIM(eSIM)，使得模块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，以模块核心SDK作二次开发，可在原有通讯模块内存上传客制化程序，让NB-IoT模块透过I2C/DIO读取传感器数据，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。在当今巨量数据加上人工智能分析时代，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，正确解读数据背后的意义，为不同应用跨领域发展开发新契机。