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無線感測器網路技術在農業害蟲監測之應用

國立台灣大學生物產業機電工程學系副教授 江昭皚
國立台灣大學生物產業機電工程學教授系 盧福明
國立台灣大學昆蟲學系副教授 楊恩誠
國立台北科技大學電機工程系副教授 曾傳蘆
 

一、前言

  害蟲棲群調查對植物保護工作具有預警功能,惟目前害蟲棲群調查仍以傳統人工計數方式,因此大面積的調查工作在時間及人力成本的花費不貲,並以此模式每隔一段時日發出棲群動態的狀況報告,在害蟲疫情之監測上緩不濟急。近年來,由於微型製造技術、通訊技術及電池蓄電技術等方面的不斷精進,微小化感測器(Miniaturized Sensor)不但具有感應能力,亦同時具備了無線通訊及資訊處理的能力。隨著無線通訊技術的快速發展,突破傳統的調查工作,不僅可節省人力並克服地形上的困難,同時提高時間與空間上的解析度與準確率。

二、無線感測器網路 (WSN )在蟲害棲群的監測

  雖然 WSN 在應用例子上不勝枚舉,但是 WSN 技術在害蟲棲群監控的應用上則仍屬於初步的開發階段。自 2006 年起,由台灣大學與台北科技大學所組成的研究團隊以東方果實蠅為對象進行世界上首次以 WSN 技術進行實際害蟲棲群的監測工作,期望藉由建立一套即時監測系統對台灣本地果園東方果實蠅害蟲棲群生態進行較深入的研究。

  利用無線自動化監測系統發現傳統上田間族群調查的頻率約為每10天一次,且東方果實蠅的捕捉裝置皆由人工計數。在於經濟效益不佳、空間與時間解析度的受限且附加環境參數的不足等缺點皆可獲得解決。研究團隊發現害蟲自動化監測的主要議題在於製作高準確度的自動化計數裝置。東方果實蠅的偵測誘捕及生物特性雖已有完善的研究,但是準確的害蟲偵測機制一直無法開發完成。因此,研發出一套可記錄環境變動及害蟲族群動態的無線自動化監測系統,除了收集資料外,還可將監測資料進行通訊、整合及分析,於後端伺服器可接收所有的監測資訊。同時,蟲害預警廣播系統亦可建構於此,以提供農業從業人員或研究人員此種準確及詳細的資料。

三、本系統原理及架構

  (一) 無線感測器網路害蟲監測原理

  本項蟲害生態監測系統主要是運用機電整合結合 GSM 無線傳輸技術、網際網路技術、無線感測器網路技術,建構一套適用於田間蟲害生態監測之無線感測器網路害蟲監測與預警系統如圖1所示。
圖 1 無線感測器網路害蟲監測系統示意圖
  圖 1 無線感測器網路害蟲監測系統示意圖

  (二) 無線感測器網路害蟲監測系統架構

  本系統之系統架構包含有田間害蟲生態監測網路及後端的主控平台兩大部分,架構圖如圖 2 所示。無線感測節點(Wireless Sensor Node)隨意散佈在感測區域內,其上裝配有環境感測器、Tmote-Sky 無線傳輸模組及害蟲誘引裝置,藉此建構出一感測網,並將所偵測之感測數據回傳給田間閘道器(Gateway)。透過田間閘道器把感測節點資料作進一步的收集、統計,並結合閘道器上之風速計及 GPS 全球衛星定位模組之資訊以簡訊方式傳送至主控平台。主控平台為一 LabVIEW 程式發展軟體所撰寫的人機介面平臺,同樣配備有 GSM 手機模組,接收遠端平臺所傳回的資料,將資料存放至利用 MySQL 所架設之資料庫中。藉此可令使用者經由網際網路直接讀取資料庫數據,觀看田間害蟲生態監測網路所收集的田間環境資料。
圖2 無線感測器網路害蟲監測系統架構圖
  圖2 無線感測器網路害蟲監測系統架構圖

  (三) 生態監測網路架構

  生態監測網路其架構主要由多個感測節點及田間閘道器兩大部分所組成。以層級方式之管理方法,利用田間閘道器對該區域之眾多感測器節點進行控制及資料蒐集之動作,主控平台僅需下達少數的管理命令及接收資料即可。當系統需要同時偵測多個感測區域時,可藉由田間閘道器對各自負責之感測區域進行管理,有效的減輕伺服器端的負擔。如圖 3 所示。
圖 3 生態監測網路架構圖
  圖 3 生態監測網路架構圖

  (四)生態監測網路

  圖 4 為本系統生態監測網路之照片,由圖可知感測器節點分布在田間閘道器周圍,除了少數節點可直接與田間閘道器直接進行通訊以外,其餘之感測器節點均需要透過接力轉傳的方式方能將資料傳至閘道器。其中感測器節點包涵有無線感測器模組(Tmote-Sky)與果實蠅誘引裝置,可偵測溫度、溼度、照度與果實蠅數目;閘道器則負責量測風速、GPS 信號並收集區域內之感測器節點資料彙集包裝後,利用 GSM 無線通訊將資料傳送至主控平台。
圖4 生態監測網路之實體照片
  圖4 生態監測網路之實體照片

  本系統以無線感測器網路為架構,針對蟲害生態監測問題提出一套可長時間監測,並可擷取環境參數加以分析之系統。本系統具備包括自動化擷取溫度、溼度、照度、風速及蟲數等環境參數及無線傳輸的功能。透過感測器節點佈建、設定及同步化等動作後,可藉由田間閘道器定時的收集感測器節點所感測之資料,並將資料回傳給主控平台儲存進資料庫中。讓使用者或維護人員可以透過網際網路(Internet)瀏覽歷史資料網頁或資料庫,以便於進行蟲害情形的分析及防治措施的判斷。

四、 結論

  由於東方果實蠅危害作物的嚴重性,早在幾十年前便受到重視,並實施一連串之防治工作,以提供適時防治之資訊。但在目前防治的狀況下,果實蠅被害率仍然約 3~10%,以台灣每年果品產值約為新台幣 450 億元推算,所造成的經濟損失高達 13.5 至 45 億以上。為更進一步提升防治工作的落實,本文的介紹以東方果實蠅為研究主題,依據上述的自動化蟲害生態監測系統,整合無線感測器網路、GSM 無線傳輸網路及網際網路技術,導入自動化東方果實蠅生態監測系統。藉以提供昆蟲學家、政府機構及廣大的農民可以進行長時間蟲害情形監測與緊急狀況通知的功能。

  未來的研究方向可朝著降低系統耗能及擴增充電功能方向發展,因目前的系統耗能多用在誘引裝置上,應可藉由設計更節能的電路、追尋更適用的感測方式及增加太陽能充電系統,以有效的延續系統的運作時間。並可結合生物鑑別模型分析或生態模式理論,透過系統資料庫的運作,作為害蟲防治噴藥最佳時機的輔助決策工具。利用長時間的田間資訊蒐集,其中包含長時間溫度、溼度及風速對果實蠅之趨勢統計分析,將可以有效的建立田間果實蠅生態分布模型以及建立各環境參數與果實蠅數量之相關性。因此,進一步可達成果實蠅數量之預測並降低蟲害防治的成本。

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