行政院農委會農業試驗所/行政院農委會台南區農業改良場
作者： 陳琦玲 林晉卿 林世強 許堅致 |
壹、前言及背景
目前生態研究的資料收集，多數需仰賴人工操作儀器進行資料採集，或定時前往採集點讀取感測器收集之資料，收集回來之資訊需經過整理、分類、分析與處理，才能提供給研究者使用；假若感測器發生狀況損壞時，也無法第一時間得知相關訊息，需待資料收集時才能發現，易造成資料收集不完整現象；這些步驟既需耗費大量的人力資源，也不符合研究效率，更會增加許多不必要的困擾。
無線感測網路(Wireless Sensors Network, WSN)具有遠端、線上即時監測及資料收集的能力，可結合感測器、通訊、網路、網頁與資料庫建置成一體，成為全自動化生態資料收集平台。研究者可隨時隨地經由網路，線上進行各項的感測器設定、資料分析與處理，即時調整各項感測器參數，或針對某些異常感測器或數值作進一步分析、比較與維護，如此一來不僅能降低人力需求，也能降低以往資料收集過程中所造成誤植、儀器損壞所造成的資料錯誤與資料斷層，此方式儼然已成為研究者收集生態環境資訊的一種趨勢。
農業試驗所與台南區農業改良場於2006年開始在農業試驗所嘉義分所荔枝園、溪口農場及台南改良場雲林分場進行農業生態系長期生態研究，本研究之目的係在農業生態系長期研究站進行無線感測網路系統之建置，以加強各研究站資料收集的完整性。
貳、系統之規劃與設計
系統建置目的是提供長期生態研究資料蒐集便利性，將試驗田間的儀器及感測器，結合無線網路將資訊轉換成統一的數位化資料，傳送並儲存於中央伺服器中，經由伺服器處理轉換成分類網頁，讓研究人員可以從網頁中即時監控及分析處理所有感測器之資訊。系統架構基本規劃如圖一，說明如下：
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一、中央伺服器與資料庫：
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以農業試驗所為中心，設置中央網頁伺服器主機與SQL資料庫，負責儲存各試驗田區中繼站所回傳的感測器資料，提供研究者透過網路便能線上查詢各研究站感測器相關數據資料及影像圖片瀏覽，並能線上即時產生圖表目錄及下載感測器歷史資料。 |
二、試驗田區、園區設置中繼資料收集站及備援資料庫：
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溪口農場、雲林分場及嘉義分所、各設置中繼站電腦，負責透過無線網路，收集及備援試驗田區感測器記錄資訊，將所收集的資料透過網際網路回傳至農業試驗所資料庫，進行同步更新。 |
三、試驗田區無線網路建置及感測器節點資料回傳：
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各試驗田區感測器經程式及介面轉換，將所有感測器資料轉換成統一數位化資料，並透過無線網路傳送資料至研究站，以進行感測資料分析、處理與儲存。 |
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| 圖一：農業生態研究站無線感測網路系統架構 |
參、引進何種技術及如何解決
目前常見的無線網路架構主要有以下幾種：(1) 2G(GPRS)；(2) 3G(CDMA200；WCDMA)；(3) Zigbee； (4) WiFi (IEEE802.11a、b、g、n)；(5) WiMAX (IEEE802.16d、16e)。而常用於無線感測網路的網路架構，以(1)、(3)、(4)最為常見。
每一種網路架構有其特性及適合運用之環境與場所，衡量研究站與試驗田區的環境狀況、網路頻寬、建置費用、系統維持費用及其他因素，需將以下幾點因素列入考量：
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一、
二、
三、
四、
五、 |
2G及3G需負擔額外的電信費用，後續維持費用所費不眥。
研究田區並非在人或電力所不及的地方，在研究站數百公尺範圍內，感測器設置點附近皆有基礎電力設施。
子計劃項目需收集影像及聲音等資料，應考量其傳輸穩定性且需符合網路頻寬最小需求。
嘉義分所因果樹茂盛、地型高低起伏，感測器設置點彼此相距最遠達600公尺，應考量網路傳輸距離、地形因素及網路穩定性等限制。
WiMAX具有涵蓋範圍遠、高頻譜效率，高傳輸速率不易遭受地形限制影響的特性，但考量其設備單價過高，需審慎評估其建置成本與效益是否能達到本研究需求。 |
在考慮前述因素及結合現有的及新增的感測器(表一)，建置符合各研究站需求之無線感測網路系統，各研究站所配置的項目與數量。
地點
感測器種類 |
溪口農場 |
雲林分場 |
嘉義分所 |
SA |
CA |
SA |
CA |
NE |
CA |
氣象站 |
1 |
1 |
4 |
4 |
4 |
2 |
滲漏計 |
1 |
1 |
2 |
0 |
1 |
1 |
土壤溫度計 |
3 |
1 |
2 |
0 |
1 |
2 |
土壤水分計 |
1 |
1 |
1 |
植物生長影像記錄器 |
2 |
1 |
0 |
通量偵測系統 |
1 |
0 |
0 |
移動影像偵測系統 |
總數量2台，依研究需所隨機放置於各分所 |
數位野外錄音記錄器 |
總數量6台，依研究需所隨機放置於各分所 |
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| 表一：各研究站的感測器種類與數量 |
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一、
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農業試驗所嘉義分所溪口農場：
溪口農場地勢平坦，試驗區包括水田及水旱輪作區。試驗田區已有部份WiFi基礎網路設施。因此，建置的系統主要沿用既有的設備作進一步延伸。無線感測網路配置如圖2，以辦公室為中心點，設置WiFi基地台、全向型天線及中繼站電腦，接收感測器設置點①②③及氣象站所回傳的的感測器資料，並同時傳送至農試所中央伺服器進行備份及顯示在系統網頁；點①②③及氣象站設置WiFi基地台，透過WDS技術(Wireless Distribution System, WDS)將點①②③與辦公室無線網路連結，並且為了避免傳輸距離過遠，導致系統網路不穩定，在點③加裝指向型天線及強波器，指向辦公室所設置的全向型天線，結合成一完整的無線網路系統。 |
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| 圖二：農業試驗所嘉義分所溪口農場無線感測網路 |
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