田間物聯網涵蓋了農林漁牧範疇，建構自長年的田野經驗，背後的數據研究累積，借助科學方法描述數值，所表示田間即時發生的現象，進一步判斷、分析做出對應處置；這項技術不僅是電子電機技術的整合，更需結合大氣科學、土壤化學、生物科學、電化學、環境科學等各種領域知識的整合，隨著聯網方式以及傳感器技術進步，物聯網將可以更深入於各種應用領域。
田間物聯網意義
農林漁牧領域，都是運用一定土地區域進行植栽養牧用途，此產業對環境變遷及天災極為敏感，生產物皆以人類食用為大宗，是食安敏感課題。同時此產業也具備持續性生產及消費需求，是人類主要經濟活動來源；因此，能夠穩定生產及監控生產物品質，便能夠有效率預估產量、經濟規模、價格。
過去在田間往往因為地處偏遠，無良好通訊基礎設施可到達，佈置田間感測器，用以收集現場資料成為一大挑戰，也因此出現各種低功耗廣域網(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)之通訊方式角逐田間應用。
在農業運用範疇，許多農作物為了收集種植場域地表、土下、作物等環境微氣候數據，可以透過許多已經發展完整的感測器，如電導度計(Electric Conductivity, EC)、pH電極、氣溫感測器、相對濕度感測器、風速計、風向計、雨量計、氣壓感測器、光量子計等，用以記錄及分析植栽生長狀態；而在養殖業的田間應用，也可以取得溶氧計(Dissolved Oxygen, DO)、鹽度計、氧化還原電位電極(Oxidation Reduction Potential, ORP)、濁度計、葉綠素計、離子選擇電極等感測器，用以瞭解水質情況。
現行的感測器多已具備數字接口如 UART、RS232、RS485 等，可以使用單晶片、或 Arduino 開發板讀取感測器數據，再透過 LPWAN 方式傳送至雲端主機。以單晶片或 Arduino 開發板利用 UART 接口連接 LPWAN 模組，可以快速地完成一個簡易的數據收集點；在田間應用時，感測器的設置地點、彼此的設置密度、安裝高度會影響收集數據的正確與否。
田間物聯網的價值在於，正確設置的感測器量測的數據，可以還原田野現場狀態，成為作物生長的分析指針，結合地理資訊，數據尺度達到公尺(1~10m)，能夠以小區塊為單位，透過機器觀察人類忽略的資訊，計算各種微型模式的發生。
NB-IoT/M1 穿針引線 田間通訊立竿見影
LPWAN 有數種規格互相競逐，例如 LoraWAN、Sigfox、窄頻物聯網(Narrow Band-IoT, NB-IoT)等，NB-IoT 亦稱為 LTE Cat. NB1，是架構在行動通訊網路上的低功率廣域網技術。它可以使終端設備，簡單有效地連接行動通訊網路，數據傳輸時具備行動通訊等級加密的可靠度，適合處理少量、不頻繁的雙向數據。NB-IoT 使用 LTE 行動通訊網路 200kHz 頻寬的頻譜，可工作於載波保護頻段(Guard Band)，或在頻段內(In-Band)、或採用獨立頻段(Stand-alone)(圖1)。
三種頻段工作模式
NB-IoT 規範由 2016 年 6 月 3GPP 協議規範第 13 版(3GPP Release 13)定義，下行(Downlink)最大速率 250kbps，上行(Uplink)最大速率 250kbps。LTE Cat. M1 同樣架構於 LTE 行動通訊網路，使用 LTE 頻段，相較於 NB-IoT，具備可行動切換基地台連接的能力，具有行動通訊網路的完整安全和加密功能的優點，LTE Cat. M1 技術規格亦於 3GPP Release 13 定義，下行最大速率 1Mbps，上行最大速率 1Mbps。
LoraWAN、Sigfox 屬非執照頻段，須自行建置基地台及搭配寬頻網路，Gateway 以連上雲端；NB-IoT/M1 為需執照頻段，由電信商提供服務，一個基地台訊號可涵蓋 10~20km，基地台可同時服務數萬個設備端，可布建於現有的 4G 系統之上，每一個 NB-IoT/M1 設備端，皆可以獨立連上雲端；並且因為行動通訊網路覆蓋全球，可透過業者漫遊方案提供全球設備聯網，加上全球電信業者均陸續支持 NB-IoT/M1，目前模組供貨商多整合 NB-IoT/M1 雙模，甚至可以提供全球電信商頻段，因此成為物聯網應用備受矚目的通訊方式。
由於其通訊協議之設計，使得通訊模組在送出數據後，大部分時間內皆處於休眠狀態，因此可以具備相當低的耗電量。NB-IoT/M1 模組設計條件，均可以電池工作達數年以上。田間物聯網因設備多半設置於固定地點，或僅有低速行動需求(30km/h)，同時收集數據量少，收集數據區間長，因此 NB-IoT 非常合適田間物聯網，需要之長時間定期回報小量數據的應用場合。
以農業蟲害感測為例，將台中區農業改良場所發展之中改式昆蟲性費洛蒙誘蟲盒(圖2)整合環型害蟲偵測電路、NB-IoT 通訊模組，可以量測單位時間內，透過誘蟲盒的蟲只數量、體型大小、穿梭方向；此一附加 NB-IoT 之昆蟲性費洛蒙誘蟲盒，不需破壞誘蟲盒本體結構設計，加上環型害蟲偵測電路，即可使原誘蟲盒具備感測能力，將誘引入盒內昆蟲數量、時間、密度、安放坐標、氣溫、濕度，即時傳回至雲端主機記錄，即時呈現田間不同作物特定害蟲出沒的熱區、密度、時間，以及特定區域發生蟲害的頻繁度。透過 NB-IoT 傳輸，田間害蟲資訊的收集，可以由人工統計轉為自動回報，不僅節省人力，最大的意義在於可呈現田間資訊的即時完整性，避免數據失真，詳盡的數據可以長期累積，用以建立蟲害發生模式，有助擬定正確防治策略以及預警時機，降低損耗，提高獲利。
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| 圖2 整合 NB-IoT 之中改式費洛蒙誘蟲盒數據源：原力電子科技 |
新式感測器增加田間量測可行性
目前感測器組件技術發展已相當成熟，三合一功能的壓力、濕度、溫度微機電感測器僅有 3×3mm 大小，具備 I2C/SPI 數位接口，相較於傳統類比式感測器而言，電路簡潔，其耗電量極低，相當適合應用於田間量測數據。
量測電導度可採用，以時間區域反射法(Time Domain. Reflectometry, TDR)原理之多電極式感測器，可以耐酸鹼、長時間於戶外條件下工作，耗電量同樣也低，適合以電池供應於田野使用。對於水質分析，可以針對量測水中，特定離子濃度電位差來判斷水質條件，透過特定電極對特定離子的濃度反應敏感，此類感測器稱為離子選擇性電極(Ion-Selective Electrodes, ISE)，pH 電極即為 H+ 離子選擇性電極。此外，更有以離子擴散而改變半導體接口電荷濃度，產生半導體場效效應，所開發之離子埸效晶體管(Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)固態電極，不但免除了離子選擇性電極玻璃易破碎的困擾，可以於水下長期工作，甚至可以高溫滅菌。
然而在田間應用中，單純量測數值並不足以解決現場實務上，所出現形形色色的問題。田間數據背後代表的，是整個環境大系統狀態的平衡與否，而整體環境系統同時需要考慮的變因極多，並非透過幾個感測器便可窺得全貌。這意味著田間物聯網，若僅依賴電子電機工程師開發硬體，不足以發揮其正確效用；它需要相對應問題的專家知識，例如生物科學家、農藝科學家、環境科學家的加入。
依專家指導而正確佈置的數據收集點，以取得有效數據，同時數據交由具備專業背景知識研究人員分析才具備意義。具備價值的分析數據將促進產業革新，甚至促進新的感測方式，及感測器的開發。
田間環境考驗不亞於工、車規
在戶外設置的氣象站，受到曝曬、雨淋、強風吹襲，設備箱內的熱、濕累積，對於量測線路都需要再做校準與誤差修正，在戶外日光曝曬下，箱體溫度可能高達攝氏 70~80 度，對通訊模組工作的可靠度是一大挑戰，因此耐候性氣象站應採用，透過工規 NB-IoT/M1 的通訊模組、符合工規的單晶片及零件開發，才能於田野長時間工作，全自動化氣象數據收集，記錄氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、雨量等數值、計算風寒指數、露點溫度、體感溫度、暴雨警報，傳送至雲端氣象資訊平台(圖3)。
水下量測技術挑戰
田間作業環境的高溫、高濕、泥水、揚塵、機械的引擎溫度、振動，以及養殖池鹽霧、鼓風機的振動，對量測設備的工作條件是一大挑戰。養殖漁業亦為田間傳感器需求的極大市場，水體表層及水下感測數據的取得，是養殖漁業在養殖管理過程，相當重要的參考指引。在養殖環境中的田間數據量測，需要考慮防水、鹽霧侵蝕，其中因感測器、導線長時間浸泡於水中，會有電極腐蝕及生物膜附著，而導致量測數值產生誤差。
利用 NB-IoT 結合防水防塵外殼、電池、單晶片、ADC 等電路所開發的整合式無線感測器(圖4)，搭配長效型複合式電極，可以隨處即時量測，在養殖環境中，能精密記錄每一點位的水下資訊，並具備即時數值補償，同時排除因量測點位置不同產生之讀值誤差。
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| 圖4 NB-IoT 之無線溶氧計數據源：原力電子科技 |
養殖漁業田間幅員常為數分地至數甲地面積，當感測點設置較多時，會改用 Gateway 先存後轉送數據至雲端，因傳送數據量較 NB-IoT大，Gateway 的通訊模組選用 mini-PCIE 接口之 Cat. M1，甚至可以依傳輸量需要更換為 Cat. 1 以上規格之通訊模組(圖5)。透過現場即時取得養殖環境數據，用以自動化控制實現水質增氧監控、投餌餵飼作業管理、環境紀錄(溶氧、溫度、氧化還原電位、ORP)，以全面性建立生長管理履歷追溯；並可在雲端分析，建立餵飼、生長管理、履歷追溯之養殖自動決策系統，可作無人化管理水質監控與調節、成長分析與營養管理、魚塭環境健康度，及養殖生物疾病預警。
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| 圖5 田間數據 Gateway 及內部電路數據源：原力電子科技 |
Arduino 整合 NB-IoT/M1
依據 NB-IoT 模組的通訊特性，適合運用於小數據量，及固定週期的數據收集，當其模組進入深度睡眠時，靜態耗電流僅消耗 3uA，如每 2 小時收集一筆溫濕度，或每日檢查 4 次感測器狀態，如此的操作週期，可使每一 NB-IoT 資料收集器，以電池供應長達十年的工作時間。
如果採用 Arduino 架構及相容開發環境，可以在各種設計整合做原型測試，滿足各種快速開發、測試需要，電路板直接整合 NB-IoT/M1 通訊模組，便成內建 NB-IoT/M1 功能之 Arduino 開發板，不需另加 Arduino Shield 擴充板，使原本數量有限的輸出入腳位，可搭配各種感測器如氣壓、氣溫、濕度、風向、風速、雨量等應用，亦可透過 UART、I2C、SPI、RS232、RS485 接口結合其他控制設備，運用已和電信業者合作測試完成之程序發展範例及函式庫，可以更快建構 NB-IoT/M1 現場應用(圖6)。
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| 圖6 10Tuino 開發板數據源：原力電子科技 |
NB-IoT/M1 在核心開發潛力
NB-IoT/M1 模組的核心晶片，配置數個可自行運用的 DIO，可處理簡單的 I/O 運用，模組本身也有 I2C、SPI 接口，利用模組處理器的運算餘裕，開發程序讀取 I2C/SPI 接口的外部感測器讀值，再以 UDP 或 TCP/IP 協議，將感測器讀值封裝之數據，以 MQTT 或 RESTful 直接傳往雲端數據平台，而外部電路除感測器之外，僅需 Watchdog 及感測器管理 IC，結合晶片式 SIM(eSIM)，使得模組除了可以預載電信服務商門號，更可以在全球佈建服務商空中換號；不僅電路配置更加簡化，以模組核心 SDK 作二次開發，可在原有通訊模組內存，上傳客制化程序，讓 NB-IoT 模組透過 I2C/DIO 讀取感測器數據，傳送至雲端。田間物聯網的感測設備開發，應著眼於解決現場問題，而非處理於各種複雜電路設計。
田間物聯網是田野大數據收集的基礎建設，同時也是多元知識、專業科學整合應用的場域。在當今巨量數據加上人工智慧分析時代，更應利用田間物聯網，作為高效率收集巨量資料的基礎科學方法，正確解讀數據背後的意義，為不同應用跨領域發展開發新契機。
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