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LoRaWAN幫助駕馭智慧農業浪潮

2020/04/13 @國際

摘要

科技研發速度快捷,其應用的層面跨域並行,加拿大的農民採用LoRaWAN技術,再輔以感測器、接收面板與閘道器等組件,即可監控農場環境並下達農事指令,也能協助數據蒐集;迄今諸多農民皆運用LoRaWAN閘道系統,因而開啟EnviroDIY資料庫社群發展,提供免費天氣數據下載。

LoRaWAN幫助駕馭智慧農業浪潮

  智慧農業是指利用現代資訊和通訊技術管理農場,其可為農民提高工作效率,在過去幾年中,進入智慧農業所需的技術和經費障礙已大大減少。然而,智慧農場的主要組成為監控環境和基礎設施,但此對於農村地區和跨距離較大的農場可能具有挑戰。來自加拿大艾伯塔省的農民 - Brian Tischler在今年初於薩斯卡通的CropSphere演講中表示"低功率廣域網(LoRaWAN)” 具有低功耗且網域廣泛的特性,使這些感測器的網路能夠遍布整個區域,通常距離涵蓋範圍為2-20公里,但具體狀況仍取決於天線本身與天線設計,因此,這種類型的網路可克服監控農村地區環境與基礎設施的困境。這也是LoRaWAN大放異彩的地方,其可幫助人們了解如何使用物聯網設備搭配LoRaWAN技術將農場轉變為智慧農場。

  事實上,能在農場上進行監控的內容有很多,農民可使用智慧系統並透過手機接收警報,如當商店的門開啟、霜附著在農作物上、土壤溫度變暖使裝箱的穀物開始產生二氧化碳、牛隻在農場漫步的狀況、在距離農場很遠的地方開起一扇門、田野開始下雨或測量田地中的土壤濕度等。因此,許多農民有意付費給供應商協助建立該監控系統。但是,也有一些農民想自己安裝和維修農場設備,主因是他們不願花費龐大金額在其上面。然而,自行DIY的農民將會發現他們值得花更多時間關注線上社群以幫助他們瞭解遠程監控農場所需的知識。

  LoRaWAN網路中使用的寬頻幾乎沒有限制,並且不需經許可即能免費使用。透過訂購感測器,其包含一塊基本的LoRaWAN面板和一個備用電池(可使用大約一年),只需花費幾美元就可以建構出一個基本的感測器連接到網路的設備。將這三個組件焊接在一起和基本感測器的硬體設備即為低功率收訊器(LoRa)的節點。LoRa具專有標準的設計,並非開放資源,所有的設備的通訊皆建構於SDI-12的標準上。感測器將透過電路板發送訊號,該訊號可接收指令並執行基本功能,如打開或關閉照明設備或灌溉系統。雖然這些訊號頻率處於非常緩慢的速度並隨時間而改變(增加或減少),但這些訊號只需在極小的設備以非常低耗能的方式運行數英里遠。

  由於用戶對天氣訊息的需求龐大,因而推動了DIY LoRaWAN社群的發展。一個稱EnviroDIY的全球性社群擁有所有的資料庫、所有軟體與大多數感測器通信的所有內容,並且都可以免費下載。LoRaWAN面板現已能編程並可以傳輸感官信息,因此,可從EnviroDIY社群中(www.envirodiy.org)複製要輸入到網路中任何特定感測器的代碼。接著,用戶需輸入設備ID或在網路上將來自EnviroDIY所複製的代碼進行編號並輸入於設備中。

  感測器連接到LoRaWAN面板後,該面板將發送遠距離信息到一個稱為閘道器的網路組件。閘道器可偵測並收集來自感測器的所有信息。一般而言,可直接購買已建立好的LoRaWAN閘道器或農民可使用Raspberry Pi構建自己的閘道器。Raspberry Pi是一種小型單板計算器,價格便宜,能夠與已經安裝好的LoRaWAN、藍牙和wi-fi組件一起訂購,並且可以利用線上社群提供的編碼對其進行編程以執行基本操作。Tischler在演講中展示了Raspberry Pi閘道器,該閘道器具有八個感測輸入口。但是,每個感測器僅間歇性傳遞訊號,因此,若縮短每個設備傳遞訊號時間,那麼短時間內不僅可收到8台設備的訊號,甚至可到800台設備。現今,包括歐洲在內的世界許多地區,已經有LoRaWAN閘道系統可用,因此人們不必費心建立自己的網管系統,但是這些網路在加拿大仍然不常見。

  之後,閘道器將信息藉由家用路由器傳遞到網路服務器,該網路服務器就像是網路的橋樑,並且在某種程度上像交通警察。該服務器可在中國、也可在家裡的桌子上、或是在互聯網上零散地散佈,其無固定的形式。網路服務器從閘道器收集所有訊息並弄清楚誰在發送訊號、誰在接收訊號、誰需要接收訊號並可以臨時存儲數據。對於免費的網路服務器的選擇,Tischler建議使用The Things Network(TTN),該系統擁有超過一萬個閘道器、數百萬個設備和十幾萬個用戶。為了要在TTN上使用感測節點,須設置一個帳戶並輸入對感測節點進行編程時所使用面板上設備的ID或編號,它將開始自動接收數據。【延伸閱讀】歐盟未來的網絡農場將利用蜂群演算法的無人機、機器人和感測器來幫助農事測量

  現在,感測節點將信息發送到LoRaWAN閘道器,再傳送至路由器,路由器又將信息發送到網路服務器(TTN),這些動作需要一個應用程式,該應用程式將進入網路服務器收集數據,同時將數據發送或命令送回節點。在TTN上,用戶可以輕鬆設置因應數據資訊的操作,如當感測到田野低於零的數據,用戶將會收到電子郵件的通知。該信息可以輕鬆匯出到Excel或自動發送到C-sharp應用程式,該應用程式將即時製作圖形。

  農民在進入新技術之前需要知道他們在時間和金錢上的投資是值得的,因為他們不想在不使用的新設備上浪費金錢。而LoRaWAN是一項建構完全的技術,此外,越來越多功能強大且一般人負擔得起的感測器已經上市。如溫度感測器非常便宜,因此一個農民僅需花100美元建構一個系統,其可監控距離農場數英里遠的20個農倉。因此,LoRaWAN可協助農民建立智慧農業。

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