2014年5月28日

物聯網在自然環境監測之應用

物聯網早已經深入自然環境監控的應用當中,包含農業、環境汙染、自然災害如土石流等等,透過這些技術讓我們快速並且大範圍的監控自然環境。

作者/林孝先、黃彥碩(就讀中正大學通訊工程學系碩士班)、李秉乾、方耀民(任教逢甲大學土木工程學系與
地理資訊系統研究中心)、李皇辰(任教中正大學通訊工程學系)

物聯網(Internet of Things, IoT),簡而言之,就是讓許多「東西」(或者說object「物件」)可以透過各式各樣的方式來進行「交談」與「溝通」,來達到以前我們無法做到的事情或者應用。無線感測網路(wireless sensor network, WSN)是一種特殊的IoT。過去十幾年中,無線感測器網路的發展最初起源於戰場監測等軍事應用,近幾年也開始應用於各種環境的監測,如環境與生態監測、健康監護、家居自動化以及交通控制等。本篇文章是介紹於WSN 的框架之下,透過設計無線感測器,來對自然環境進行資訊偵測與收集,進而使用這些資訊來達到最後的目的,如監測農產品的生長狀況、自然災害的監控,或者是汙染控制等等。

圖一是一個氣候監測無線感測器,左下角的圖是實際放在戶外使用時使用的防水包裝外殼。一個無線感測器中會有一個微處理機晶片,它的功能等同於電腦的大腦。我們可以在裡面撰寫程式,讓這個微處理機來控制其他周邊的電子零件,例如使用空氣溫濕度感測器、土壤含水量計、重力加速度計與雨量計等感測元件,收集附近的環境資訊。這些環境資訊,可以先儲存到自己的記憶卡當中,之後再透過無線收發模組,將這些資訊以無線電傳送給其他裝置。這樣的一個無線感測器,我們常簡稱作「節點」(node)。一個完整的無線感測網路系統,是由好幾個節點,再加上至少一個資料接收站所組成。節點負責去測量或者偵測我們想要的資料,並且把資料用無線電的方式傳回資料接收站。而當有節點無線電傳輸距離不夠長而無法直接傳輸到接受站時,其他的節點也可以幫忙轉送訊息,至資料傳達到接收站為止;資料接收站負責處理各種節點傳回來的資料,並加以統整成有意義的訊息,供使用者利用。
圖一:氣候監測無線感測器節點。

圖二:氣候監測無線感測器。

這些節點製造成本低,且因為使用電池供電、不會被電線限制安裝地點,所以可以方便、快速的安裝在所想要進行環境偵測與監控的地點。同時,透過許許多多的節點分散安裝在要觀察的環境當中,可以有效的擴大資料收集的區域,以達到收集高密度、高精確性資料的目的。

無線感測網路的功能,可以粗略分為兩種:「資料收集」與「事件偵測」。資料收集是使用感測元件,在特定間隔時間下收集資料,如雨量監測、土壤含水量與路燈亮度監測等,再將這些收集到的資料回報到資料接收站。相反的,事件偵測重點在於偵測並回報罕見、短暫,不常發生的現象,如園區被入侵、野生動物出現、監測山坡地突然滑動,或者土石流發生等自然現象。

農業應用
我們用一個農業上的應用,來介紹無線感測網路實際使用方法。圖三是一個種植水果農地的示意圖,上面安裝了許多無線感測器的節點。每一個節點,都配備氣候感測器,例如土壤溫溼度感測器、空氣溫濕度感測器,以及重力加速度計等。
圖三:使用無線感測器來監測蒐集農地的示意圖。

傳統上對於農地進行灌溉,要對農地的哪個區域澆多少水,通常是依照農民自身的經驗來決定。因此有時候就會造成,某些區域澆太多水造成浪費,某些區域卻澆水量不足的問題。透過無線感測器節點的偵測,可以將不同位置的土壤濕度溫度等資訊回傳,並且用以判斷什麼地方必須澆水,如何澆水能最有效益等。最近相關研究也說明,透過這種方式來灌溉,可以有效降低用水量,讓灌溉用水減量到傳統用法的十分之一,效益非常顯著。

使用無線感測網路在農業上,除了可以降低用水量外,也可以同時帶來其他好處,例如,農產品的價格常因為各種天災與人為等因素,使得價格有巨大的波動。例如,青蔥、高麗菜等農產品,平常因為價格不高,不會有人去偷,但在颱風過後菜價飆漲,就會有小偷趁機下手偷竊,但農民卻也因為農地範圍大而防不慎防。使用無線感測網路,就可以利用其可以很快速方便安裝節點的特性,安裝節點在農田周圍,當有入侵者進入時,就可以透過節點的偵測來提出警告,並且通知警方與農民來驅離竊賊。當農產品價格下跌時,也可以快速回收無線感測器的節點,等到下次類似狀況發生的時候再安裝。......【更詳細的內容,請參閱第534期科學月刊】
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延伸閱讀
1. Gutierrez, J. et al., Automated Irrigation System Using a Wireless Sensor Network and GPRS Module,
Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, accepted and to appear.
2. Lee, H. C. et al., The Tube: A Rapidly Deployable Wireless Sensor Platform for Supervising Pollution of
Emergency Work, Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Vol. 61(10): 2776-2786, 2012.
3. Lee, H. C. et al., Design of a Multifunctional Wireless Sensor for In-Situ Monitoring of Debris Flows,
Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Vol.59(11): 2958-2967, 2010.

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