臺(tái)大學(xué)術(shù)卓越系列報(bào)導(dǎo) 生農(nóng)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)於智慧農(nóng)業(yè)之應(yīng)用

我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程從早期的「以農(nóng)業(yè)培養(yǎng)工業(yè)」政策推動(dòng)，於臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)逐漸起飛後，政府再「以工業(yè)發(fā)展農(nóng)業(yè)」的策略，陸續(xù)推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)資訊化等農(nóng)業(yè)科技的研發(fā)。在加入WTO後，臺(tái)灣農(nóng)業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)。以農(nóng)業(yè)栽種管理實(shí)務(wù)面向來(lái)看，臺(tái)灣農(nóng)業(yè)從追求產(chǎn)量的生產(chǎn)方式，亦逐漸轉(zhuǎn)化成追求農(nóng)產(chǎn)品之品質(zhì)控管；再?gòu)氖车陌踩芾韺用鎭?lái)看，消費(fèi)者也從吃得飽變成吃得營(yíng)養(yǎng)、健康的追求。因此，臺(tái)灣農(nóng)業(yè)的發(fā)展也配合現(xiàn)代科技的進(jìn)步，將許多工程與資通訊科技技術(shù)導(dǎo)入應(yīng)用於農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)更是朝有機(jī)農(nóng)法、精緻農(nóng)業(yè)、永續(xù)農(nóng)業(yè)、與智慧農(nóng)業(yè)的目標(biāo)持續(xù)向前邁進(jìn)。

為了配合國(guó)家生物資源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，臺(tái)大生農(nóng)學(xué)院積極進(jìn)行農(nóng)業(yè)相關(guān)各領(lǐng)域之學(xué)術(shù)發(fā)展，持續(xù)提升我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科技之精進(jìn)，擠身世界一流農(nóng)學(xué)研究水準(zhǔn)。近年來(lái)，生農(nóng)學(xué)院同仁於農(nóng)業(yè)科技相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，已有許多同仁展現(xiàn)突破性亮點(diǎn)之研究成果，享譽(yù)國(guó)際。以「物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)於智慧農(nóng)業(yè)之應(yīng)用」為例說(shuō)明生農(nóng)學(xué)院跨領(lǐng)域、跨科系學(xué)術(shù)合作之成果，說(shuō)明生物機(jī)電系江昭皚教授研究團(tuán)隊(duì)之重要代表性成果，與臺(tái)大師生同仁分享。

核心技術(shù)發(fā)展與系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

考量農(nóng)業(yè)田間資訊監(jiān)控的需求變異性與監(jiān)控對(duì)象的多樣性，利用機(jī)電整合技術(shù)致力於結(jié)合前瞻的資通訊/無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路(ICT/WSN)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)，以模組化設(shè)計(jì)為核心技術(shù)發(fā)展模式，進(jìn)行田間遠(yuǎn)距無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開發(fā)出「前瞻IoT/WSN資通訊監(jiān)控平臺(tái)」。此平臺(tái)由「感知層」、「資料匯集層」、「網(wǎng)路層」與「資料分析層」等不同面向之技術(shù)所整合而成，適用於各類監(jiān)控應(yīng)用，如圖1所示。前端的感知層係由平臺(tái)最前線―無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路所組成，依監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之需求可組合不同的感測(cè)器模組並搭載無(wú)線通訊晶片，可大量地感測(cè)田間原始資料。值得一提的是，依照農(nóng)業(yè)害蟲的獨(dú)特性，江教授的研究團(tuán)隊(duì)亦開發(fā)出東方果實(shí)蠅、斜紋夜蛾、穀蠹等重要農(nóng)業(yè)害蟲的專屬感測(cè)器。由於採(cǎi)取模組化設(shè)計(jì)，此平臺(tái)亦可依照不同之研究面向或監(jiān)測(cè)需求，將此項(xiàng)平臺(tái)之感知層的觸角延伸至智慧農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境與智慧電網(wǎng)廣域量測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。資料匯集層負(fù)責(zé)如何安排各感測(cè)器有秩序且快速地回傳資料，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行包括避免封包碰撞、有效分配路由與延長(zhǎng)網(wǎng)路壽命等核心軟體技術(shù)的開發(fā)。目前已開發(fā)出適應(yīng)於各種場(chǎng)域環(huán)境限制之不同類型的資料匯集技術(shù)與硬體系統(tǒng)，包括工業(yè)電腦、單晶片系統(tǒng)、以及嵌入式系統(tǒng)三大類資料匯集閘道器系統(tǒng)。此平臺(tái)的網(wǎng)路層擔(dān)任將前端感測(cè)區(qū)域之感測(cè)資料回傳至資料分析層之間的媒介，研究團(tuán)隊(duì)已依不同傳輸距離(長(zhǎng)則跨縣市，短則臥房?jī)?nèi))開發(fā)並整合市面上常見之通訊協(xié)定(GSM、4G、Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙與LoRa等)。此項(xiàng)「IoT/WSN資通訊監(jiān)測(cè)平臺(tái)」的後端為資料分析層，也已發(fā)展出不同資料型態(tài)的儲(chǔ)存與礦掘技術(shù)，分別針對(duì)不同類型之感測(cè)資料擷取可用之資訊，建立資料分析模型提供資料分析與預(yù)測(cè)之服務(wù)。目前已將所開發(fā)之「前瞻IoT/WSN資通訊監(jiān)控平臺(tái)」應(yīng)用到智慧型害蟲監(jiān)測(cè)網(wǎng)與害蟲生態(tài)模型分析、蜂群衰竭失調(diào)癥候群、稀有鳥類生態(tài)影像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與智慧型自動(dòng)化蘭園生長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等，為我國(guó)農(nóng)業(yè)科技打造出「智慧農(nóng)業(yè)」之基礎(chǔ)框架。

多元化技術(shù)發(fā)展，跨領(lǐng)域合作研究

生農(nóng)學(xué)院積極推動(dòng)有關(guān)跨領(lǐng)域、跨科系學(xué)術(shù)合作，包括生機(jī)系江昭皚教授與本校昆蟲系楊恩誠(chéng)教授及奧山利規(guī)教授合作從事「智慧型害蟲監(jiān)測(cè)網(wǎng)與害蟲生態(tài)模型分析」、「蜂群衰竭失調(diào)癥」及「非致死劑量類尼古丁殺蟲劑對(duì)蜜蜂族群崩潰之衝擊」等之基礎(chǔ)研究，與森林系袁孝維教授與邱祈榮教授合作從事「自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用於鳥類行為及棲地監(jiān)管計(jì)畫」之研究，與地理系孫志鴻教授、溫在弘教授、莊振義教授合作從事「空間致能的智慧城市架構(gòu)」及「以空間巨量資料及群眾外包為基礎(chǔ)建立具有臨界狀態(tài)早期預(yù)警能力的都市環(huán)境感測(cè)架構(gòu)」之研究，與電機(jī)系劉志文教授合作進(jìn)行「廣域量測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研發(fā)」等與智慧電網(wǎng)技術(shù)相關(guān)之研究。江昭皚教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)已成功地將「前瞻物聯(lián)網(wǎng)/資通訊科技」運(yùn)用於農(nóng)業(yè)科技/生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域，相關(guān)研究均深具特色與代表性且有相當(dāng)豐碩的傑出成果，以具體應(yīng)用實(shí)例為「智慧型害蟲監(jiān)測(cè)網(wǎng)與害蟲生態(tài)模型分析」說(shuō)明之。

應(yīng)用實(shí)例：智慧型害蟲監(jiān)測(cè)網(wǎng)與害蟲生態(tài)模型分析

本研究結(jié)合機(jī)電整合、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、GSM 簡(jiǎn)訊無(wú)線通訊與GPS 定位技術(shù)、以及無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路技術(shù)，建構(gòu)一準(zhǔn)確、快速、全自動(dòng)化即時(shí)多工蟲害監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)。圖2為本項(xiàng)研究的系統(tǒng)架構(gòu)與功能示意圖。

目前本項(xiàng)研究特別針對(duì)國(guó)內(nèi)農(nóng)作物的兩大害蟲：東方果實(shí)蠅與斜紋夜盜蛾進(jìn)行監(jiān)測(cè)，並陸續(xù)於全臺(tái)各農(nóng)產(chǎn)地建置二十七套植物疫情監(jiān)測(cè)網(wǎng)。在長(zhǎng)期收集害蟲出沒(méi)數(shù)量及相對(duì)應(yīng)的環(huán)境與氣象資料後，研究團(tuán)隊(duì)所建置的後端監(jiān)控中心，利用雲(yún)端運(yùn)算平臺(tái)進(jìn)行海量資料礦掘與分析，可提供各項(xiàng)量測(cè)與預(yù)警資料，如蟲害熱點(diǎn)分布等資訊的即時(shí)查詢功能。此等監(jiān)測(cè)資訊亦與地理圖資系統(tǒng)進(jìn)行整合，可呈現(xiàn)害蟲族群密度在空間上的分布狀況，對(duì)於蟲害疫情的掌控和分析有極大的助益。此外，本研究將歷年累積所得之大量異質(zhì)數(shù)據(jù)用於統(tǒng)計(jì)建模，並且採(cǎi)多變量分析的方式，得知?dú)夂蜃兓瘜?duì)於東方果實(shí)蠅族群數(shù)量的調(diào)控關(guān)係，以及東方果實(shí)蠅族群自我調(diào)控的生態(tài)關(guān)係；藉此系統(tǒng)與分析方法的發(fā)展，我國(guó)農(nóng)民與農(nóng)政單位將可在當(dāng)前全球氣候變遷的過(guò)程中，掌握東方果實(shí)蠅在全臺(tái)的即時(shí)分布狀態(tài)外，亦可整合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，建置一套農(nóng)業(yè)害蟲預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)未來(lái)七天東方果實(shí)蠅族群數(shù)量的消長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)量與危害燈號(hào)的即時(shí)預(yù)報(bào)，讓我國(guó)農(nóng)業(yè)綜合蟲害防治機(jī)制能夠達(dá)到「未卜先知」與「防範(fàn)未然」的境界。

創(chuàng)新農(nóng)業(yè)科技技術(shù)，促進(jìn)國(guó)際合作交流

由於江昭皚教授研究團(tuán)隊(duì)在農(nóng)業(yè)科技的傑出研發(fā)成果，國(guó)內(nèi)公視，大愛，以及臺(tái)視等國(guó)內(nèi)媒體亦相繼採(cǎi)訪申請(qǐng)人並製作報(bào)導(dǎo)專輯，介紹近幾年如何將先進(jìn)無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路技術(shù)與資通信技術(shù)引導(dǎo)入農(nóng)業(yè)生態(tài)領(lǐng)域的研究與相關(guān)獨(dú)步全球的研究成果。各電視臺(tái)公開播放相關(guān)專題報(bào)導(dǎo)後，除了為國(guó)內(nèi)外相關(guān)從業(yè)人員注入許多近代田間即時(shí)資訊監(jiān)測(cè)技術(shù)新觀念外，亦同時(shí)向國(guó)際推廣臺(tái)灣過(guò)去數(shù)年來(lái)累積的農(nóng)業(yè)科技，並在全球造成新世代的農(nóng)業(yè)變革與影響；具體成果享譽(yù)國(guó)際，其研究成果亦陸續(xù)獲得國(guó)際著名媒體，如New Scientist、BBC、及Discovery Channel等媒體的廣泛報(bào)導(dǎo)，大幅提升我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的國(guó)際形象與能見度。此等媒體均特別開闢專欄與節(jié)目大篇幅進(jìn)行專題報(bào)導(dǎo)。例如，BBC的報(bào)導(dǎo)臺(tái)灣此項(xiàng)農(nóng)業(yè)科技研究整合先進(jìn)資通訊技術(shù)，將造就農(nóng)業(yè)技術(shù)的革新。Discovery Channel以紀(jì)實(shí)娛樂(lè)的手法搭配電腦動(dòng)畫，將這些形塑臺(tái)灣農(nóng)業(yè)科技未來(lái)的精彩故事呈現(xiàn)給國(guó)際觀眾。影片完成後已於全球一百五十餘個(gè)國(guó)家播出，透過(guò)深入淺出的報(bào)導(dǎo)方式，讓世界上更多人獲得臺(tái)灣此項(xiàng)農(nóng)業(yè)成果資訊，使世界看見臺(tái)灣農(nóng)業(yè)資訊科技的發(fā)展力與創(chuàng)造力。目前亦致力於推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技之國(guó)際合作，透過(guò)移地研究進(jìn)行地中海果實(shí)蠅自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，目前已偕同國(guó)內(nèi)果實(shí)蠅研究專家與美國(guó)農(nóng)業(yè)部太平洋地區(qū)研究中心(Pacific Basin Agriculture Research Center, USDA)的地中海果實(shí)蠅研究專家進(jìn)行合作研發(fā)，將為地中海果實(shí)蠅設(shè)計(jì)一套專屬的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。成功後，將可使臺(tái)灣農(nóng)業(yè)科技推往世界舞臺(tái)，創(chuàng)造農(nóng)業(yè)科技輸出新里程碑。

Discovery channel網(wǎng)址：https://www.youtube.com/watch?v=pko2iqwnDns&list=PLiDbSHX3iqxzCMdXq9xqqBUDzja-f1HND