2014年5月28日

物聯網與農業的結合—臺灣智慧農業與科技農夫

物聯網科技的應用,將能促成農業科技革新,建立高精確度的監測網絡。

作者/莊欽龍(任職美商英特爾公司之英特爾實驗室)

每年春夏交接的季節,正是果農準備採收荔枝與芒果的重要時期。愈是接近採收期,逐漸成熟的果實所飄散出的果香更是濃烈,這些顆顆飽滿鮮豔的果實不僅令人們垂涎三尺,也讓農民們期待著收穫的日期到來。但此時農民同時也正在進行一場戰爭,一場與自然界生態系統角力的戰爭,若輸了這場戰爭,農民辛苦一整年的勞力與已花費的物力將可能一夕化為烏有。

「東方果實蠅」正是這場戰爭的對抗目標(圖一),果實採收期正是東方果實蠅大量繁衍與活動的高峰期。牠熟知繁殖地周圍有哪些甜美的果園,並且每天都會嘗試到果園內挑選適合的宿主果實,將蟲卵產於果實表皮下層。這些蟲卵孵化後,就會搶先一步在果實被收成前蛀食果肉,造成果實腐爛、畸形或落果。東方果實蠅幼蟲爬出果實後,就會潛入土壤中化蛹,羽化成蟲之後,再鑽出土壤表面,與其他東方果實蠅族群匯合,繼續危害其他的宿主果實(圖二)。若農民不勤奮整理他們的果園,並且積極誘捕東方果實蠅,這樣的繁衍週期就會持續發生,蟲害災情將持續急劇加重並循環不息。


圖一:每年造成臺灣極大農損的東方果實蠅。

圖二:遭受東方果實蠅危害的果實。(圖片來源:Invasive.org)

東方果實蠅到底是什麼生物?
東方果實蠅,俗名 Oriental Fruit Fly,學名Bactrocera Dorsalis,是一種具有強大繁殖能力、快速飛行與遷徙能力,並可大規模損害果實作物的重要經濟害蟲。東方果實蠅源自於印度及馬來半島等地,目前則已經遍佈於臺灣以及30多個亞洲與環太平洋的熱帶、亞熱帶國家,其危害區域甚至達到夏威夷與北美洲,並已成功地建立在當地的族群聚落。在臺灣,東方果實蠅可以蛀損80種以上的果實作物,其實至少30幾種水果是我國重要的農業經濟作物。這些可能受害的重要作物,包含有柑桔、番石榴、芒果、木瓜、鱷梨、香蕉、枇杷、西紅柿、蘇里南櫻桃、玫瑰、蘋果、百香果、柿子、菠蘿、桃、梨、杏、無花果、蘋果、甜瓜和咖啡。此外,東方果實蠅有極短的生命週期;在夏天,東方果實蠅只需要16天的時間,就可以自蟲卵發展為成蟲。而其繁衍能力極強,一隻雌蟲在30~40天的存活時間中,可以產1500~3000顆蟲卵,且一年內就可以產生8~9代的害蟲。若不加以防治,農民們幾乎不可能有機會收成辛苦摘植的果實作物。

東方果實蠅在臺灣亦是受到農委會嚴密關注的農業害蟲,因為東方果實蠅單一年度所造成的農產損失,其價值最高可達1億3000萬美元。我國農業試驗所也在全臺各地建置約700個監測點,利用化學誘引劑(甲基丁香油)誘捕東方果實蠅於塑膠筒中(圖三),並且委託農民、農會與當地農政單位人員協助量測每十天所累計的東方果實蠅成蟲密度,並利用各監測站的地域關係,進行時間、空間與害蟲密度的分析。若發現東方果實蠅的族群密度在特定區域有顯著的增加時,農委會農試所則會主動在果實蠅旬報系統中發佈警報資訊,並通知各地農政單位人員協助農民進行相關的防治措施,避免可能的蟲害爆發與大規模農業損失。
圖三:傳統東方果實蠅誘捕蟲筒,只能捕殺害蟲,
無法精準且即時了解田間害蟲族群密度。

目前政府每年投注數千萬元的防治經費,輔導農民利用捕蟲桶、黃色黏板觀測東方果實蠅的族群數量,用以了解果園內害蟲發展情形,並且判斷噴灑農藥的最佳時機點。但因為目前仍採用人工量測的方法,不僅耗時費力,每十天才量測一次的資訊,亦不足以防範生命週期僅有16天的東方果實蠅之族群爆發事件。此外,也仍因為人為因素造成資料缺損,亦無法量得相關的氣候係數,導致我們無法透過這些數據來真正了解東方果實蠅的出沒習性與氣候之間的關係。因此,為了確實防範東方果實蠅的侵害,我們必須發展一套全自動化的感測元件與資料收集、分析系統,以便保護農民辛苦栽植的果實。

無線感測器網路與物聯網技術的演化
傳統的感測器都需要透過有線的方式供電,並將量測資訊傳送出來。無線感測網路的概念,最初是由美國加州大學柏克萊分校的「智慧粉塵」(smart dust)研究計畫提出。此計畫是受到美國國防部贊助,原先定位在軍事相關的情報蒐集應用上。這計畫主要是發展一套微小的感測節點,大小如粉塵一般,可懸浮在空中,或是任意撒佈在戰區地表,負責監視敵軍和蒐集情報。爾後,許多著名大學,包含加州大學洛杉磯分校、麻省理工學院等研究機構,皆採用相似概念陸續研發不同的感測節點,以擴展無線感測網路的應用,例如生態環境的監測、森林火災防護、健康醫療、居家照護等(圖四)。接續著在2000年,加州大學柏克萊分校提出第一套以無線傳輸為基礎的無線感測器網路(wireless sensor networks, WSN),其將感測器彼此聯結在一起。使用者只需在後端電腦等待感測器網路將量測數據與相關位置資訊回傳,即可以得到即時訊息,而不必由監測者親臨現場進行量測。無線感測網路非常適合用於野外超大面積的環境偵測,只要佈建的節點夠多、夠廣,可輕易地在幾分鐘內取得上千公頃的監測資料。因為這些應用上的特點,WSN由最早被應用於軍事用途,在近年來其應用面迅速擴展到環境監測、生態監測、工業自動化、健康與醫療照護、防災救災、商業與家庭自動化、交通管理等各種領域,可以提供傳統監測方法所無法觀察的現象,協助人們克服空間障礙。因為這樣的優勢技術除了能夠創造極多樣化的應用與研究主題外,一些知名企業也陸續以加州大學柏克萊分校所開發的「Mote系列」無線感測元件為雛形,進一步發展各自的感測節點硬體並使其商業化(圖五)。
圖四:無線感測器網路的概念。

圖五:加州大學柏克萊分校所開發出的Mote 雛形,
以及作為比例尺之一分美元硬幣。

無線感測器網路在開發上與一般電腦相似,可分為軟體和硬體兩大主軸。軟體包含通訊協定、感測節點所使用的作業系統、定位與分散式情境分析功能所需的演算法、網路的安全和管理等;硬體則有感測節點單晶片、微感測器電路、通訊模組等。自無線感測網路概念提出後,各研究團隊都開發各自的平台,種類繁多,其中以加州大學柏克萊分校研發的Mote最具代表性。但此平台與其他學校或廠商所開發的設備並不相容,加上當時製作技術尚未成熟,監測網路的佈建成本過於昂貴,造成無線感測網路的發展近乎停滯,相關研究和應用無法真正普及化。......【更詳細的內容,請參閱第534期科學月刊】

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