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早熟稉稻智能生產場域之建置

資料來源:行政院農業委員會農業試驗所作物組/ 吳東鴻

一、前言:

台灣水稻的各生產栽培階段幾乎均有自動化機械代勞,其生產鏈可謂成熟完善,惟在不同生育階段的水分管理仍需耗費相當勞力並倚賴栽培經驗;台灣又因陡峭地形與降雨日漸集中致使不患寡而患不均,水情吃緊往往造成農業用水備受關注,若要高度管理水資源則需投入更多勞力進行輪灌,在劇烈天氣頻繁及農村人力流失的壓力下,透過農試所水稻專家訂立的水分管理建議模式,結合智慧化的精準用水控管系統,不僅可大幅降低灌溉人力及水資源的支出,提升水分管理與利用效率,更可為新進農民提供可靠且易行的灌溉管理方針,緩衝新手農民較不足的栽培經驗與氣候變遷下田間管理的困難。

二、水稻智能管理系統開發現況:

本計畫由農業試驗所與中興大學農藝學系(水稻智能栽培管理模式建立)、土木工程學系(無人機影像分析)一同組成研究團隊,於台中霧峰農試所建置早熟品種栽培管理場域,以稉稻香米品種「台農71號」為主,目標建立早熟稉稻之智能栽培管理模組。

水稻智能栽培系統建置試驗田區水稻智能栽培系統建置試驗田區

智能感測及監控方面則與國內新創團隊國興資訊、仲闐科技等一同協作,透過工業化標準之感測設備,包含水位、電導度、電子流量計及微氣候氣象站等蒐集田間環境數據,根據田間即時數據進行智慧控制,使用者可經由團隊開發之「種田好輕鬆APP」或雲端平台遠端控制設備,亦可透過邏輯控制器(Programmable Logic Controller;PLC)對即時感測數據進行自動化控制。所開發之控制器具備高度感測器及通訊整合能力,可連接工業標準感測器並可與各大廠牌PLC整合操作,控制器界接雲端可採有線網路、4G、NBIoT、LoRa及WiFi等介面,供電則可採市電、太陽能或電池等方式。

本次研究分為三階段進行,首先,建立穩定且準確之田間感測設備。在高溫高濕又多變的露天水田環境下,使用者對設備穩定度、資料蒐集的精確性與準確性即時回饋,提供團隊改良修正,在研究過程中,團隊持續的改良克服設備與感測器於田間實際應用所面臨問題,包括電力、通訊、雷擊、設備(如水表潛動)等,經過不斷修正改良,設立得以穩定並準確蒐集田間環境數據的感測系統,並可透過APP即時察看數據及控制田間設備,另亦可藉由QRcode分享操作權限給其他田間管理者,系統整體運用除可導入農業專家之智慧於各場域外,更可根據季節及作物需求不同而調整。感測數據皆透過無線通訊方式上傳至雲端平台,使用者可藉此蒐集栽培期間之完整環境變化資料,不論是作為分析作物與環境間之相互影響,或因應氣候變遷之栽培管理調適均有相當應用潛力。

第二階段,透過設備與感測器聯網,目前已可藉由預約排程達到半自動化控制灌溉啟閉的功能,此舉對於擁有多田區的田間管理者相當有助益,有效降低需頻繁來回各田區之間的勞動力與時間;最後一階段,則在確保感測系統穩定並正確收集資料後,經由大數據與人工智能進行灌溉模組建立,並將模組寫入自動化控制設備(PLC),完成一套可精準掌控用水、降低溢流並節省勞力之水稻智能水分管理系統。
結合各種環境感測器與物聯網等技術,多方位的感測資料搭配田間植株生長性狀表現、植株營養狀態、葉色分析及空拍影像等,輔以水稻栽培專家的經驗指導與建議,目前再經第二年期的驗證與優化,預期將聚焦整合出一套早熟稉稻的生育變化模組,未來可供農民快速入門並減輕管理上的負擔。

 class='img_caption'微氣候氣象站,即時監測田區微氣候,並記錄完整生育期之溫溼度等變化

智能感測及監控方面則與國內新創團隊國興資訊、仲闐科技等一同協作,透過工業化標準之感測設備,包含水位、電導度、電子流量計及微氣候氣象站等蒐集田間環境數據,根據田間即時數據進行智慧控制,使用者可經由團隊開發之「種田好輕鬆APP」或雲端平台遠端控制設備,亦可透過邏輯控制器(Programmable Logic Controller;PLC)對即時感測數據進行自動化控制。所開發之控制器具備高度感測器及通訊整合能力,可連接工業標準感測器並可與各大廠牌PLC整合操作,控制器界接雲端可採有線網路、4G、NBIoT、LoRa及WiFi等介面,供電則可採市電、太陽能或電池等方式。

本次研究分為三階段進行,首先,建立穩定且準確之田間感測設備。在高溫高濕又多變的露天水田環境下,使用者對設備穩定度、資料蒐集的精確性與準確性即時回饋,提供團隊改良修正,在研究過程中,團隊持續的改良克服設備與感測器於田間實際應用所面臨問題,包括電力、通訊、雷擊、設備(如水表潛動)等,經過不斷修正改良,設立得以穩定並準確蒐集田間環境數據的感測系統,並可透過APP即時察看數據及控制田間設備,另亦可藉由QRcode分享操作權限給其他田間管理者,系統整體運用除可導入農業專家之智慧於各場域外,更可根據季節及作物需求不同而調整。感測數據皆透過無線通訊方式上傳至雲端平台,使用者可藉此蒐集栽培期間之完整環境變化資料,不論是作為分析作物與環境間之相互影響,或因應氣候變遷之栽培管理調適均有相當應用潛力。

第二階段,透過設備與感測器聯網,目前已可藉由預約排程達到半自動化控制灌溉啟閉的功能,此舉對於擁有多田區的田間管理者相當有助益,有效降低需頻繁來回各田區之間的勞動力與時間;最後一階段,則在確保感測系統穩定並正確收集資料後,經由大數據與人工智能進行灌溉模組建立,並將模組寫入自動化控制設備(PLC),完成一套可精準掌控用水、降低溢流並節省勞力之水稻智能水分管理系統。
結合各種環境感測器與物聯網等技術,多方位的感測資料搭配田間植株生長性狀表現、植株營養狀態、葉色分析及空拍影像等,輔以水稻栽培專家的經驗指導與建議,目前再經第二年期的驗證與優化,預期將聚焦整合出一套早熟稉稻的生育變化模組,未來可供農民快速入門並減輕管理上的負擔。

通訊型水錶,即時監測用水狀態與紀錄灌溉水量通訊型水錶,即時監測用水狀態與紀錄灌溉水量
 class='img_caption'空拍影像快速調查並分析倒伏災損面積與比例

三、水稻智慧水分管理研究成果:

利用感測系統在水稻生育期間進行水位、電導度、用水量、氣溫、光照及濕度等環境監測,並同步將資料傳送至雲端平台,使管理者得以隨時了解田間水位高低,並可透過手機直接遠端進行灌溉管理,搭配預約排程設定水開關的開啟與關閉,不僅可減少水分管理上勞力的支出達3/4,亦可精確統計每單位面積所需水量及記錄詳細的灌排水期程。

試驗中同時設立慣行與乾溼交替兩種灌溉模式,慣行參照TGAP水稻栽培灌溉管理建議,乾溼交替則是水位達5公分時停止灌溉,減少水肥的溢流,待其水位隨蒸發散與滲漏降至0公分後隔天再進行補水至5公分,如此乾溼交替取代慣行栽培長時間湛水的模式。比較兩種管理方式下水稻的生長與用水差異,結果顯示,兩種灌溉方式對台農71號之株高、葉齡及產量均不會造成影響,而用水量則使用乾溼交替模式能為每期作節省用水量達10-30%,在多雨的季節甚至可達40-50%,除了可緩衝極端天氣帶來的風險,更可供政府水資源分配之參考依據。

未來將規劃將水位訊號與灌溉設備直接連動,配合水稻生育週期,輸入目標水位使栽培期間的水位控管完趨智慧化。並期望最終將在產量、品質、倒伏、病蟲害等各方面取得平衡,降低生產風險使水稻栽培更趨穩定,並進一步朝向提升品質風味、降低敗裂堊白的發生率,使稻農出產之米質更趨精緻化。

水位計與電導度計,即時監控田間水位與電導度變化水位計與電導度計,即時監控田間水位與電導度變化

▲研發團隊:行政院農業委員會農業試驗所作物組

聯絡人:吳東鴻 副研究員

電話:04-2331-7106

E-mail:dhwu@tari.gov.tw

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