資料來源：國立宜蘭大學資訊工程學系／陳懷恩 特聘教授

近幾年來由於微電子和計算機技術不斷進步，使感測技術更加提昇與多樣，讓農業物聯網感測器的種類與數量快速增長。此外，隨著寬頻與行動網路的演進與普及，讓網路連結無所不在。近年物聯網與雲端計算大數據更加深度融合。雲端計算能夠幫助智慧農業實現資訊存儲資源和計算能力的分散式共享，大數據的信息處理能力支持海量資訊處理和利用，亦可提供農業生產的驗證(如：食安雲、區塊鏈)。物聯網智慧化發展使智慧農業的應用更加廣泛。農業物聯網系統將能依據環境變化和系統運行的需求自動調整，提供智慧化環境感知服務。

農業物聯網發展方向有三：一、提高農業生產的質量；二、節約資源；三、。朝向可持續化發展。物聯網與農業結合的亮點之一是透過過數據分析來改善農業決策。利用雲端系統、營運自動化，以及即時監控和數據分析可提升農業生產的品質與產量。在降低農業生產成本方面，以節約灌溉用水為例。智慧農業物聯網可結合歷史數據分析與即時檢測數據，來提供更準確的模型和優化方案。農民在意的是採用智慧農業的結果，在產品的生命周期內，智慧農業物聯網廠商需要通過不斷地改善功能來提高附加價值，給農民帶來真正的收益。

圖一是智慧農業物聯網的範例架構。由左至右分成三大部份，最左邊是農業感測器，通常會將數個感測器連線至一個集線箱(稱為「物聯網集線器」)中(a)、(c)。由於農地不一定有電源，因此會加裝太陽能板(b)。感測器集線器透過中間的網路連線至雲端伺服器。若是在設施內，可以採用有線網路，如：乙太網路(Ethernet)；在室外則會採用無線網路，如：無線區域網路(Wireless LAN，WLAN)。最右邊的雲端伺服器則包含資料庫(e)儲存資料、網頁伺服器提供介面、AI伺服器(f)提供運算能力。使用者(g)可透過網際網路連線，透過手持裝置觀看農場資訊並控制相關設備。

物聯網應用於農業上需要注意的議題：一、針對農民需求提出解決方案；二、感測器的準確性與耐用度；三、感測器擺放位置與數量；四、需考慮防水、防蟲，也需自動偵測錯誤：五、感測器與集線器之供電與散熱；六、網路資料傳輸之可靠度與存取協定介面。

圖二是一個偵測風向與風速對授粉及植物生長的影響的範例。風向與風速感測器(a)可以即時測得風向與風速。透過光量感測器(b)得知光子的數量，及溫濕度(c)與土壤濕度與EC感測器(g)可以觀測光合作用的重要指標。在農地中也要注意防水(d)與防蟲(h)。

物聯網的網路技術可以分為有線與無線連結。設施內建議採用有線連結，有線網路傳輸比較穩定且頻寬也比較大。一般常用的有線網路採用乙太網路(Ethernet)。乙太網路可以供電(Power over Ethernet，簡稱PoE)。無線網路以距離分為短距離無線區域網路(Wireless Local Area Network，簡稱WLAN)、藍芽、Zigbee。其中無線區域網路頻寬較大可以提供50Mbps~1500Mbps的速度，支援高畫質的視訊傳輸。藍芽與Zigbee則是低功耗，可以提供少量的數據傳輸。然而在中、長距離的應用情境，目前物聯網產業鏈關注於低功耗廣域網路(Low-Power Wide-Area Net-work，簡稱LPWAN)，其通訊技術有NB-IoT (Narrow Band-Internet of Things)、LoRa (LongRange) 及SigFox等。在這些低功耗廣域網路技術中，可以分為運行在「不需特許頻段（Unlicensed Band）」以及「需特許頻段（Licensed Band）」兩類。需要特許頻段的有eMTC與NB-IoT，不需特許頻段的LoRa與SigFox。這四個系統的特性如下：

• eMTC：為了適應物聯網環境下巨量的設備連接，3GPP (3rd Generation Partnership Project)一方面保留了原有LTE (Long Term Evolution)協議對硬體環境的相容性，另一方面針對物聯網的特殊應用刪除了高速傳輸等一些不必要的能力，最後在LTE的基礎上建立了eMTC。eMTC每個載波最多可以支援10萬個裝置連線，還支援上下行最大1Mbps的峰值速率，在5Wh的電量下待機超過10年。
• NB-IoT： NB-IoT通過降低編位元速率大幅提高了系統的解調效率，而且降低了單一裝置的訊號發射功率，每個載波最多可以支援20萬個網路連線。此外， NB-IoT還可以通過增加更多載波的方式來擴大系統承載規模，具備利用單一基站一次性支援數百萬個物聯網連線的能力。
• LoRa：LoRa使用免許可的Sub-GHz無線電頻段，能夠以低功耗實現超遠距離傳輸。LoRa技術分為LoRa物理層和LoRaWAN（長距離廣域網路）上層兩部分。LoRa 可允許六種展頻因數 (SF7～SF12) 和三種不同的頻寬 (125 kHz、250 kHz、500 kHz)。可允許的展頻因數和頻寬由所在區域的主管機關決定。
• SigFox：SigFox成立於2009年，目的是建立連接電錶等低功耗裝置的無線網路。這些裝置需要持續發送少量數據。SigFox使用工業、科學和醫療（Industrial, Scientific and Medical，ISM）無線電頻段進行通信，每天最多支持140個上傳訊息，每個訊息可以承載12個字元組（Bytes），數據速率達100 Bytes per second (Bps)。

乙太網路與無線區域網路常用於傳輸高畫質的影像或照片，eMTC可提供移動性與1Mbps的頻寬。NB-IoT、LoRa及SigFox則是用於傳輸感測器數據。

以下說明智慧農業物聯網的應用案例，希望能夠讓讀者了解結合物聯網的功能，並進一步將資通訊技術帶入更多農業場域。圖三是在宜蘭葱滿理想農場中建置的破風網案例。原本破風網(方框)是靠人工手動收放，加入物聯網的風向與風速的感測器之後，可以設定風速高於一定數值自動放下破風網，如此一來可以更即時且節省人力。

圖四是國立宜蘭大學植物工廠的案例。透過感測器可以偵測溫濕度與二氧化碳，並控制冷氣與養液。為了避免網路斷線造成影響，有部份控制策略是放在PLC控制器中，透過RS-485介面連至微控制器，再將數據資料透過LoRa或NB-IoT送至雲端。

圖五是仔豬受壓迫警示系統的架構圖。仔豬在出生時很容易因為受母豬壓迫窒息而死。仔豬受壓迫時會發出尖叫聲，農民需要即時前往將仔豬救起。在此系統中利用物聯網收集仔豬在分娩舍中的聲音與影像，透過AI訓練後可判斷仔豬受壓迫的尖叫聲。若發生尖叫聲，系統會發出警報或LINE訊息通知豬農。

圖六是國立宜蘭大學設計的豬隻自動稱重與餵食系統。當豬隻站上秤台後系統開始運作。透過豬隻身上的耳標(RFID)，系統可以判定是那一頭豬、紀錄豬隻重量，並自動判斷是否需要給飼料。

圖七是低溫穀倉中公糧監測的案例。一般穀物是從(1)進入穀倉、從(2)出料。透過既有的溫度感測線(3)與(4)可以得知穀倉內的溫度。若溫度過高，則會從(5)將冷氣吹入。因為溫度感測器被穀物壓到時溫度變化不大(7)；而沒有穀物時，溫度會隨室外氣溫變化(6)。國立宜蘭大學團隊藉此設計系統，協助估測並監控公糧的儲存量。

智慧農業需要跨領域團隊整合，依據農民的需求並利用資通訊技術提供解決方案。雖然技術研發上具有挑戰性，但結合資通訊技術可提昇產業價值並解決農業問題。本文介紹智慧農業物聯網的概念，也透過案例提供智慧農業的發展方向與示範。希望能夠讓讀者了解物聯網的功能，並進一步將資通訊技術擴散至更多農業場域。