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- 2014年
- 534期－物聯網（6月號）
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2014-06-01物聯網在自然環境監測之應用
534 期
Author 作者
林孝先、黃彥碩／就讀中正大學通訊工程學系碩士班。李秉乾、方耀民／任教逢甲大學土木工程學系與地理資訊系統研究中心。李皇辰／任教中正大學通訊工程學系。
物聯網（Internet of Things, IoT），簡而言之，就是讓許多「東西」（或者說object「物件」）可以透過各式各樣的方式來進行「交談」與「溝通」，來達到以前我們無法做到的事情或者應用。無線感測網路（wireless sensor network,WSN）是一種特殊的IoT。過去十幾年中，無線感測器網路的發展最初起源於戰場監測等軍事應用，近幾年也開始應用於各種環境的監測，如環境與生態監測、健康監護、家居自動化以及交通控制等。本篇文章是介紹於WSN的框架之下，透過設計無線感測器，來對自然環境進行資訊偵測與收集，進而使用這些資訊來達到最後的目的，如監測農產品的生長狀況、自然災害的監控，或者是汙染控制等等。
圖一是一個氣候監測無線感測器，左下角的圖是實際放在戶外使用時使用的防水包裝外殼。一個無線感測器中會有一個微處理機晶片，它的功能等同於電腦的大腦。我們可以在裡面撰寫程式，讓這個微處理機來控制其他周邊的電子零件，例如使用空氣溫濕度感測器、土壤含水量計、重力加速度計與雨量計等感測元件，收集附近的環境資訊。這些環境資訊，可以先儲存到自己的記憶卡當中，之後再透過無線收發模組，將這些資訊以無線電傳送給其他裝置。這樣的一個無線感測器，我們常簡稱作「節點」（node）。一個完整的無線感測網路系統，是由好幾個節點，再加上至少一個資料接收站所組成。節點負責去測量或者偵測我們想要的資料，並且把資料用無線電的方式傳回資料接收站。而當有節點無線電傳輸距離不夠長而無法直接傳輸到接受站時，其他的節點也可以幫忙轉送訊息，至資料傳達到接收站為止；資料接收站負責處理各種節點傳回來的資料，並加以統整成有意義的訊息，供使用者利用。
圖一：氣候監測無線感測器節點。
圖二：氣候監測無線感測器。
這些節點製造成本低，且因為使用電池供電、不會被電線限制安裝地點，所以可以方便、快速的安裝在所想要進行環境偵測與監控的地點。同時，透過許許多多的節點分散安裝在要觀察的環境當中，可以有效的擴大資料收集的區域，以達到收集高密度、高精確性資料的目的。
無線感測網路的功能，可以粗略分為兩種：「資料收集」與「事件偵測」。資料收集是使用感測元件，在特定間隔時間下收集資料，如雨量監測、土壤含水量與路燈亮度監測等，再將這些收集到的資料回報到資料接收站。相反的，事件偵測重點在於偵測並回報罕見、短暫，不常發生的現象，如園區被入侵、野生動物出現、監測山坡地突然滑動，或者土石流發生等自然現象。
農業應用
我們用一個農業上的應用，來介紹無線感測網路實際使用方法。圖三是一個種植水果農地的示意圖，上面安裝了許多無線感測器的節點。每一個節點，都配備氣候感測器，例如土壤溫溼度感測器、空氣溫濕度感測器，以及重力加速度計等。
圖三：使用無線感測器來監測蒐集農地的示意圖。
傳統上對於農地進行灌溉，要對農地的哪個區域澆多少水，通常是依照農民自身的經驗來決定。因此有時候就會造成，某些區域澆太多水造成浪費，某些區域卻澆水量不足的問題。透過無線感測器節點的偵測，可以將不同位置的土壤濕度溫度等資訊回傳，並且用以判斷什麼地方必須澆水，如何澆水能最有效益等。最近相關研究也說明，透過這種方式來灌溉，可以有效降低用水量，讓灌溉用水減量到傳統用法的十分之一，效益非常顯著。
使用無線感測網路在農業上，除了可以降低用水量外，也可以同時帶來其他好處，例如，農產品的價格常因為各種天災與人為等因素，使得價格有巨大的波動。例如，青蔥、高麗菜等農產品，平常因為價格不高，不會有人去偷，但在颱風過後菜價飆漲，就會有小偷趁機下手偷竊，但農民卻也因為農地範圍大而防不慎防。使用無線感測網路，就可以利用其可以很快速方便安裝節點的特性，安裝節點在農田周圍，當有入侵者進入時，就可以透過節點的偵測來提出警告，並且通知警方與農民來驅離竊賊。當農產品價格下跌時，也可以快速回收無線感測器的節點，等到下次類似狀況發生的時候再安裝。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第612期】