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更新日期:105年10月28日

臺大學術卓越系列報導 生農學院 物聯網技術於智慧農業之應用

我國農業發展歷程從早期的「以農業培養工業」政策推動,於臺灣經濟逐漸起飛後,政府再「以工業發展農業」的策略,陸續推動農業機械化、農業自動化、農業資訊化等農業科技的研發。在加入WTO後,臺灣農業面臨諸多挑戰。以農業栽種管理實務面向來看,臺灣農業從追求產量的生產方式,亦逐漸轉化成追求農產品之品質控管;再從食的安全管理層面來看,消費者也從吃得飽變成吃得營養、健康的追求。因此,臺灣農業的發展也配合現代科技的進步,將許多工程與資通訊科技技術導入應用於農業科技的發展。近年來,我國農業更是朝有機農法、精緻農業、永續農業、與智慧農業的目標持續向前邁進。

為了配合國家生物資源產業發展的需要,臺大生農學院積極進行農業相關各領域之學術發展,持續提升我國農業生產科技之精進,擠身世界一流農學研究水準。近年來,生農學院同仁於農業科技相關領域的持續發展,已有許多同仁展現突破性亮點之研究成果,享譽國際。以「物聯網技術於智慧農業之應用」為例說明生農學院跨領域、跨科系學術合作之成果,說明生物機電系江昭皚教授研究團隊之重要代表性成果,與臺大師生同仁分享。

核心技術發展與系統設計創新

考量農業田間資訊監控的需求變異性與監控對象的多樣性,利用機電整合技術致力於結合前瞻的資通訊/無線感測器網路(ICT/WSN)技術與物聯網(IoT)技術,以模組化設計為核心技術發展模式,進行田間遠距無線監控系統的創新設計,開發出「前瞻IoT/WSN資通訊監控平臺」。此平臺由「感知層」、「資料匯集層」、「網路層」與「資料分析層」等不同面向之技術所整合而成,適用於各類監控應用,如圖1所示。前端的感知層係由平臺最前線―無線感測器網路所組成,依監測項目之需求可組合不同的感測器模組並搭載無線通訊晶片,可大量地感測田間原始資料。值得一提的是,依照農業害蟲的獨特性,江教授的研究團隊亦開發出東方果實蠅、斜紋夜蛾、穀蠹等重要農業害蟲的專屬感測器。由於採取模組化設計,此平臺亦可依照不同之研究面向或監測需求,將此項平臺之感知層的觸角延伸至智慧農業、生態環境與智慧電網廣域量測等應用領域。資料匯集層負責如何安排各感測器有秩序且快速地回傳資料,研究團隊進行包括避免封包碰撞、有效分配路由與延長網路壽命等核心軟體技術的開發。目前已開發出適應於各種場域環境限制之不同類型的資料匯集技術與硬體系統,包括工業電腦、單晶片系統、以及嵌入式系統三大類資料匯集閘道器系統。此平臺的網路層擔任將前端感測區域之感測資料回傳至資料分析層之間的媒介,研究團隊已依不同傳輸距離(長則跨縣市,短則臥房內)開發並整合市面上常見之通訊協定(GSM、4G、Wi-Fi、ZigBee、藍牙與LoRa等)。此項「IoT/WSN資通訊監測平臺」的後端為資料分析層,也已發展出不同資料型態的儲存與礦掘技術,分別針對不同類型之感測資料擷取可用之資訊,建立資料分析模型提供資料分析與預測之服務。目前已將所開發之「前瞻IoT/WSN資通訊監控平臺」應用到智慧型害蟲監測網與害蟲生態模型分析、蜂群衰竭失調症候群、稀有鳥類生態影像監測系統與智慧型自動化蘭園生長監控系統等,為我國農業科技打造出「智慧農業」之基礎框架。

多元化技術發展,跨領域合作研究

生農學院積極推動有關跨領域、跨科系學術合作,包括生機系江昭皚教授與本校昆蟲系楊恩誠教授及奧山利規教授合作從事「智慧型害蟲監測網與害蟲生態模型分析」、「蜂群衰竭失調症」及「非致死劑量類尼古丁殺蟲劑對蜜蜂族群崩潰之衝擊」等之基礎研究,與森林系袁孝維教授與邱祈榮教授合作從事「自動化監測技術應用於鳥類行為及棲地監管計畫」之研究,與地理系孫志鴻教授、溫在弘教授、莊振義教授合作從事「空間致能的智慧城市架構」及「以空間巨量資料及群眾外包為基礎建立具有臨界狀態早期預警能力的都市環境感測架構」之研究,與電機系劉志文教授合作進行「廣域量測與控制關鍵技術與系統研發」等與智慧電網技術相關之研究。江昭皚教授所帶領的研究團隊已成功地將「前瞻物聯網/資通訊科技」運用於農業科技/生態保護等領域,相關研究均深具特色與代表性且有相當豐碩的傑出成果,以具體應用實例為「智慧型害蟲監測網與害蟲生態模型分析」說明之。

應用實例:智慧型害蟲監測網與害蟲生態模型分析

本研究結合機電整合、機構設計、GSM 簡訊無線通訊與GPS 定位技術、以及無線感測器網路技術,建構一準確、快速、全自動化即時多工蟲害監控與預警系統。圖2為本項研究的系統架構與功能示意圖。

目前本項研究特別針對國內農作物的兩大害蟲:東方果實蠅與斜紋夜盜蛾進行監測,並陸續於全臺各農產地建置二十七套植物疫情監測網。在長期收集害蟲出沒數量及相對應的環境與氣象資料後,研究團隊所建置的後端監控中心,利用雲端運算平臺進行海量資料礦掘與分析,可提供各項量測與預警資料,如蟲害熱點分布等資訊的即時查詢功能。此等監測資訊亦與地理圖資系統進行整合,可呈現害蟲族群密度在空間上的分布狀況,對於蟲害疫情的掌控和分析有極大的助益。此外,本研究將歷年累積所得之大量異質數據用於統計建模,並且採多變量分析的方式,得知氣候變化對於東方果實蠅族群數量的調控關係,以及東方果實蠅族群自我調控的生態關係;藉此系統與分析方法的發展,我國農民與農政單位將可在當前全球氣候變遷的過程中,掌握東方果實蠅在全臺的即時分布狀態外,亦可整合氣象預報數據,建置一套農業害蟲預報系統,對未來七天東方果實蠅族群數量的消長趨勢進行數量與危害燈號的即時預報,讓我國農業綜合蟲害防治機制能夠達到「未卜先知」與「防範未然」的境界。

創新農業科技技術,促進國際合作交流

由於江昭皚教授研究團隊在農業科技的傑出研發成果,國內公視,大愛,以及臺視等國內媒體亦相繼採訪申請人並製作報導專輯,介紹近幾年如何將先進無線感測器網路技術與資通信技術引導入農業生態領域的研究與相關獨步全球的研究成果。各電視臺公開播放相關專題報導後,除了為國內外相關從業人員注入許多近代田間即時資訊監測技術新觀念外,亦同時向國際推廣臺灣過去數年來累積的農業科技,並在全球造成新世代的農業變革與影響;具體成果享譽國際,其研究成果亦陸續獲得國際著名媒體,如New Scientist、BBC、及Discovery Channel等媒體的廣泛報導,大幅提升我國農業科技的國際形象與能見度。此等媒體均特別開闢專欄與節目大篇幅進行專題報導。例如,BBC的報導臺灣此項農業科技研究整合先進資通訊技術,將造就農業技術的革新。Discovery Channel以紀實娛樂的手法搭配電腦動畫,將這些形塑臺灣農業科技未來的精彩故事呈現給國際觀眾。影片完成後已於全球一百五十餘個國家播出,透過深入淺出的報導方式,讓世界上更多人獲得臺灣此項農業成果資訊,使世界看見臺灣農業資訊科技的發展力與創造力。目前亦致力於推動農業科技之國際合作,透過移地研究進行地中海果實蠅自動化監測系統的研發,目前已偕同國內果實蠅研究專家與美國農業部太平洋地區研究中心(Pacific Basin Agriculture Research Center, USDA)的地中海果實蠅研究專家進行合作研發,將為地中海果實蠅設計一套專屬的自動化監測系統。成功後,將可使臺灣農業科技推往世界舞臺,創造農業科技輸出新里程碑。

Discovery channel網址:https://www.youtube.com/watch?v=pko2iqwnDns&list=PLiDbSHX3iqxzCMdXq9xqqBUDzja-f1HND

  • 智慧型害蟲監測網與害蟲生態模型分析示意圖。

    智慧型害蟲監測網與害蟲生態模型分析示意圖。

  • 前瞻IoT/WSN資通訊監測平臺架構與相關應用。

    前瞻IoT/WSN資通訊監測平臺架構與相關應用。

  • Discovery Channel專題報導

    Discovery Channel專題報導:拍攝團隊於高雄改良場訪問江昭皚教授的情形。

  • Discovery Channel專題報導後

    Discovery Channel專題報導後,於外交部記者會(2014.6.3)中向外交部部長林永樂與各國大使介紹東方果實蠅監測系統之優勢與發展過程。

  • 討論後續幾天監測的實驗設計。

    研究團隊與美國農業部太平洋地區研究中心(Pacific Basin Agriculture Research Center, USDA)進行地中海果實蠅監測之合作研究,於夏威夷Kauai島Kauai Coffee Farm與夏威夷大學Prof. Mau、Mr. Robin以及USDA PBARC技術人員Russel討論後續幾天監測的實驗設計。

  • 戶外的誘引測試。

    與USDA PBARC的Dr. Roger I. Vargas於夏威夷大學Kona試驗場域進行戶外的誘引測試。

  • 意見交流

    與USDA PBARC的Dr. Nicholas C. Manoukis就雙方所設計之監測設備進行意見交流。

  • 研究人員與Dr. Vargas就田間試驗與結果進行討論。

    研究人員與Dr. Vargas就田間試驗與結果進行討論。

  • 研究人員與Dr. Vargas就田間試驗與結果進行討論。

    研究人員與Dr. Vargas就田間試驗與結果進行討論。

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