物聯網(Internet of Things, IoT)為近幾年科技發展應用的重要趨勢，透過感知與物件聯網技術整合，發展出各式各樣智慧物件。物聯網主要架構分為感知層、網路及雲端服務層與應用層。感知層主要是透過感測器測得環境參數，透過嵌入式技術，如MyRIO、Raspberry pi及Arduino進行數據整理，分析與判斷，將數據透過無線通訊技術傳至基地台，並接上雲端，進行大數據資料庫建立與分析，最後進入應用層進行果園栽培環境控制之決策或果園生長監測與管理(如圖1)。

物聯網常見的無線網路傳輸有RFID (Radio Frequency Identification)、藍芽、WiFi、Zigbee等，而LoRa(Long Range)為近幾年新發展應用於物聯網之無線通訊技術，屬於低功耗廣域網路LPWAN(Low Power Wide Area Network)通訊技術，其最大優點為長距離傳輸與低功耗(省電)。通訊距離甚至可達10公里，接收電流僅10mA，睡眠電流為200nA，可有效增加電池的續航力，但傳輸資料量小。

本研究將LoRa長距離低功耗的特性，應用於擁有遼闊平原、建築物較少的宜蘭縣蘭陽平原。宜蘭農業以栽培水稻、青蔥、高接梨、文旦、茭白筍、金柑及洋香瓜等作物為主，農業區多分佈於員山、壯圍、冬山、三星等鄉鎮，各種作物栽培地分布廣泛不集中，各地區的微氣候有所差異，加上果園多位於偏遠農地，電力提供及通訊傳輸成本將增加農民的負擔，而使用LoRa無線通訊技術則具有傳輸距離遠、低功耗之特點，適合農業偏遠地區生產環境之戶外物聯網建置之通訊技術。

宜蘭三星地區以生產高品質之上將梨聞名，在每年1月嫁接後若遇寒流則花苞無法開花受果；當水梨於夏季果實成熟前遇到連續高溫，果肉受到強日照而呈現「燙熟」的異常情形，產生水浸狀的症狀，俗稱梨蜜症。為了能提早預防嫁接後低溫侵襲與結果後避免連續高溫環境，本研究進行果園環境監測，透過遠端環境數據擷取與分析，並建立數據資料庫外，發展之監測系統可提供環境即時感測分析，並進行作物栽培預警與處理機制，可在氣溫過低時加強水梨防寒；溫度過高時及早降溫，使水梨有更佳的品質。

本研究建立智慧化果園栽培環境監測系統，圖2為果園環境監測網路架構。主要是將各分散的果園，透過LoRa通訊模組將各地環境參數資訊傳輸至LoRa基地台(LoRa Gateway)後，再經由Internet網路上傳雲端，進行數據收集與分析，使用者可透過行動載具或網路進行監測。果園內節點配置如圖3所示，分為節點A與節點B，節點A主要是將溫溼度、光照、土壤含水率及風速等感測環境參數，利用Arduino微控制器收集；若需要使用到影像處理，則能透過節點B的裝置，主要是將擷取果園影像，利用MyRIO微控制器進行辨識與分析，數據和參數透過Zigbee短距離傳至Raspberry pi微控制器整合，最後透過LoRa通訊模組長距離傳至遠端LoRa基地台，上傳至雲端平台。

本研究設計一果園環境監測系統，高度為180cm，如圖4所示。感測器節點主要分為三節，上部節段為適應果園棚架的高度，可升出果樹上方，可放置太陽能板、光照感測器、風速感測器與LoRa天線；中間節段設置感測控制箱，與溫濕度感測器；下部節段深入土壤約50cm，每隔20cm放置一土壤含水率感測器。感測控制箱配置包括溫濕度、光照、風速、土壤含水率等感測轉換電路，以Arduino微控制器接收環境感測資訊，LoRa通訊模組為正文科技公司所開發的GL6509晶片。

本研究於國立宜蘭大學生物資源大樓頂樓(G1)及行政院花蓮區農業改良場蘭陽分場行政大樓頂樓(G2)分別設置LoRa基地台。為瞭解架設之LoRa基地台對宜蘭各地區的訊號收集狀態，本研究共量測51個測試點，驗證每組測試點的訊號傳送成功率及品質，分佈如圖5所示。紅色點G1及G2分別為兩個LoRa基地台位置；淺藍色點為兩基地台皆能接收到訊號；深藍色點僅G1可接收到訊號；綠色點僅G2可接收到訊號；紅色點則是兩基地台皆無法接收到訊號之位置；白色線段為高壓電塔路線。整體測試結果顯示，LoRa訊號範圍可涵蓋宜蘭市、壯圍鄉、礁溪鄉、三星鄉、冬山鄉、大同鄉等各農業區，LoRa接收端架設位置需考慮天線設備規格、海拔高度、周邊雜訊影響如高壓電塔等因素。另從圖5可得知於三星鄉附近的測試點兩基地台幾乎皆可接收到訊號，僅少數位置G1基地台無法接收，其原因係受到高壓電塔、高山或建築物阻擋影響。

LoRa通訊技術發展成熟後，可多方面結合，詳細記錄各項資訊以及即時監控當下環境。藉由LoRa網路架構所建置的監控系統，透過個人電腦、行動裝置隨時隨地呈現農業生產現場、掌握作物生長狀況及環境變化趨勢，為廣大農業工作者提供一套更高效、便利、省時省力的農業監控方案。