自古至今，農家大多憑藉「經驗」、「直覺」與「靠老天賞臉吃飯」在務農，「天公不作美」時，農民身上的壓力遽增，尤其現在全球面臨極端氣候等諸多環境挑戰，農業如何順風順水滿足人民糧食需求，已是全世界待解決的共同問題。像台灣這樣人口密度高的國家，在耕地面積狹小的不利條件下，面臨人口老年化、年輕勞動力不足、全球化競爭與氣候變遷等問題，以小農為主體的台灣農業目前面臨永續發展的挑戰，推動智慧農業發展已刻不容緩。為了避免糧食危機，除了政策扶植、產業升級以外，還需要透過科技輔助，來吸引更多年輕人投入農業生產行列，配合各種面向的提升，實現永續農業願景。
因此，針對農業需求，本文提出複合式智慧農業IoT感測樁的實體設計。其中，透過RS-485串接所有需要的農用感測器，並將所有數據進行規格化彙整，以戰情室網頁在手機或平板上即時顯示。
本文所描述之產品設計主要結合物聯網和感測器，將感測的數值透過RS-485介面傳送至盛群(Holtek)HT32F52352 MCU進行彙整，再透過Wi-Fi無線模組傳入資料庫儲存，並呈現於戰情室網頁或App。其中，相關數據包括溫溼度、風速、土壤、雨量等農用感測資訊。透過此系統的研發與設計，農民只需要透過手機或電腦連線就能掌握農田環境狀況，不僅帶給農民便利性，提高農產品的品質，也能依據目前環境狀況調整作物栽培方式， 給予作物良好的生長環境，增加生產效益。
工作原理
產品設計所使用的技術包括：UART/RS-485，並將數值傳送到HT32F52352進行整合；感測器包括：風向、風速、雨量與土壤感測器，採用Wi-Fi模組將整合後的數值回傳到資料庫中儲存及顯示。
MCU核心功能
HT32F52352可藉助Flash加速器，在高達48MHz頻率下工作，以取得最大的執行效率。其中，提供達128KB的嵌入式Flash記憶體用於程式碼/資料儲存，以及16KB的嵌入式SRAM記憶體用於系統操作和程式使用。
安裝在複合式智慧農業IoT感測樁上的HT32F52352透過UART和RS-485收集各個感測器的數據，例如溫溼度、風速、雨量、土壤感測器，並透過Wi-Fi模組將讀取到的數值上傳至雲端資料庫儲存。
UART串列介面
UART是一種通用非同步收發傳輸器，為電腦硬體的一部分，將資料在串列通訊與並列通訊間進行傳輸轉換。UART通常用在與其他通訊協定(如EIA RS-232) 的連結上。在串列傳輸通訊協定的格式內容，每一個符號由四種資料共11個位元所組成。四種資料分別為：起始位元(Start Bit)、資料內容(Data)、奇偶同位元檢查碼(Priority Bit)、停止位元(Stop Bit)。
圖1為UART傳輸格式。資料透過FIFO(First Input First Output)的方式，由最低有效位元LSB(Least Significant Bit) 開始傳輸直至最高有效位元MSB(Most Significant Bit)。奇偶同位元(PB)可以選擇忽略不使用。
RS-485介面
RS-485是隸屬於OSI模型實體層的電氣特性[2]，其中規定為2線、半雙工或平衡傳輸線多點通訊的標準。該協定為電信產業協會(TIA)及電子工業聯盟(EIA)聯合發布的標準。此標準的數位通訊網可以在具有電子雜訊的環境下進行長距離有效率的通訊。RS-485可以實現1對多甚至多對多通訊，適用於工業環境(圖2)。
RS-485僅規定了接受端和傳送端的電氣特性，並未規定或推薦任何資料協定。RS-485可以應用於組態便宜的區域網路，或是採用單機傳送、多機接收的通訊連結，使用和RS-422類似的差動雙絞線，並提供高速的資料傳輸速率(10m達35Mbps；1,200m達100kbps)。
Wi-Fi模組[4]
圖3為Wi-Fi模組實體圖。其中，Wi-Fi的設置至少需要一個存取點(Access Point, AP )，以及一個或一個以上的用戶端(Client)。無線AP每100ms將SSID(Service Set Identifier)經由beacons(訊號台)封包廣播一次，beacons封包的傳輸速率為1Mbps，並且長度相當短，因此這個廣播動作對網路效能的影響不大。
由於Wi-Fi規定的最低傳輸速率為1Mbps，可確保所有Wi-Fi用戶端都能收到這個SSID廣播封包。用戶端可以藉此決定是否要與SSID的AP連線。使用者可以設定選擇連線至特定SSID。
MPPT太陽能控制器
裝置如圖4所示。最大功率點追蹤[6](Maximum Power Point Tracking, MPPT)能夠在日照情形發生變化時，讓可以提供最大功率傳輸效率的負載曲線也隨之變化，若負載可以配合功率傳輸效率最高的負載曲線進行調整，系統將具備最佳效率。功率傳輸效率最高的負載特性稱為最大功率點(Maximum Power Point)，而最大功率點追蹤就是設法找到最大功率點，並使負載特性維持在該功率點。此模組可以透過RS-232/RS-485介面，將電池電壓、太陽能充電電流、太陽能充電電壓、負載消耗功率等回傳並透過Wi-Fi上傳至雲端資料庫。
風向/風速感測器
圖5和圖6分別為風向及風速感測器。風向感測器採用標準三杯式風速感應器，與指向式風速感測器，經由精密的風洞實驗，可標準測量0~60m/s範圍內的風速、0~360°範圍內風向，並提供長期、穩定的訊號輸出。這兩種感測器外形小巧輕便，便於攜帶和組裝，廣泛應用於溫室、環境保護、氣象站、船舶、碼頭、養殖等環境。
空氣溫濕度/光照/CO2/大氣壓力感測器
圖7為五合一感測器實體圖。此感測器由溫度、濕度、光照、二氧化碳、大氣壓力組合而成，可偵測空氣溫度-40~80℃、空氣濕度0~100%RH、光照0~65535Lux、二氧化碳400~60,000p pm、大氣壓力30kPa~120kPa。
雨量感測器
圖8為雨量感測器實體圖。ZTWL-YL-485型雨量感測器是一種水文、氣象儀器，用以測量自然界降雨量，同時將降雨量轉換為以開關量形式表示的數位訊息量輸出，係為了滿足資訊傳輸、處理、記錄和顯示等的需求而開發。此儀器的核心元件採用三維流線型設計，使漏斗流水更加流暢且容易清洗，可測量降雨量的範圍為0mm~8mm/min。
土壤溫濕度EC氮磷鉀六合一感測器
圖9為土壤溫濕度EC氮磷鉀六合一感測器實體圖。此感測器主要材料一般為金屬氧化物、高分子聚合物。這些材料對水分子有較強的吸附能力，吸附水分的多少隨環境濕度而變化。由於水分子具有較大的電偶極矩，吸水後材料的電容率發生變化，電容器的電容值也隨之發生變化。其中，把電容值的變化轉變為電訊號，便可對濕度進行監測。此為一款高精度、高靈敏度，可測量土壤、水分、溫度及電導度的感測器。
此感測器測量範圍為土壤溫度-40~80℃、土壤濕度0~100%(非凝結)、EC 0~2000us/ cm、土壤氮磷鉀0~1999mg/kg。
LoRa[10]
LoRa是一種低功耗廣域網路技術，為LPWAN通訊技術中的一種，是美國公司Semtech採用和推廣的一種基於擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案(圖10)。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868與915MHz等。LoRa主要具有以下三大特點：
- 傳輸距離遠
無線傳輸包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術，但上述選項的通訊距離及設定方式都遠不如LoRa技術。LoRa接收端的靈敏度歸功於直接序列擴頻技術。LoRa採用高擴頻因子，因此獲得較高的訊號增益，傳輸距離最長可達20公里。
- 工作功耗低
在通訊系統中，距離和功耗成正比，距離一長，功耗必定提高。LoRa提高了接收的靈敏度，以增加傳輸距離降低功耗。其低功耗除了更為節能外，也更適合應用在使用太陽能電池的設備。
- 組網節點多
LoRa基地台主要由終端與閘道器組成，數據可一對多雙向傳輸。而其具備典型的星狀拓撲結構，並可在同一區域性內建立多個通訊群組。
產品設計結構
圖11為主系統的架構圖。考量農地既有的情況條件，如雨量、風向、土壤PH 值、空氣溫溼度等，導入感測元件。HT32F-52352會將各個感測器所讀到的數值透過Wi-Fi模組上傳至雲端資料庫，農民可透過網頁或App查看農地的現況(圖12)。其中，電源供給的部分由太陽能電池與安裝在柱子上的太陽能板負責供電。
圖13為水位偵測器架構圖。透過水位感測器與LoRa回傳至主系統以得知農田是否有過多積水，如有積水，則透過GPIO 啟動抽水馬達進行排除。
測試結果
圖14為複合式智慧農業IoT感測樁，感測樁上的各個感測器每隔一分鐘將所讀取的數值透過晶片彙整，使用Wi-Fi模組上傳至資料庫。而後可透過網頁或APP取得當前檢測到的環境數值，如圖15與圖16 所示。此產品設計已於多個農田進行實地測試，讓農民待在家中也能看到農田情況，節省許多時間，獲得農民肯定。
智慧感測樁潛力無窮
感測樁可以根據當前農場上的農作物客製化設計，農夫們能夠透過App與電腦上的網頁，以戰情室畫面監測各個農作物的成長。目前，感測樁已經針對溫度、濕度、氣壓、二氧化碳、風向、風速與雨量等感測功能進行實作。
感測樁產品設計採用RS-485通訊協定，擴充性佳，可同時使用32個不同的感測器來進行感測。未來可進一步於儲水槽加上水位感測器，並可利用手機App設定閾值，當溫度過高時，會進行灑水的動作；當前水位過高時，則進行排水的動作。
(本文作者許永和為國立虎尾科技大學資訊工程系教授，黃珮雯為應用外語系助理教授；葉政杰/潘彥銘/謝弘彥/彭羽甄為該校學生)
