植物保護的無線時代來臨了

本文收錄於臺大農業推廣通訊雙月刊85期

文/國立臺灣大學生物產業機電工程學系 江昭皚教授、鍾子屏研究生

前言

農業的發展遠久於任何歷史紀錄,隨著時光推移,因人類社會的發展而有不同面貌。在農業的發展史上,生產技術的重大革新,總是導致經濟社會的重大變遷。如 16~18 世紀於英格蘭地區的技術革新,常被認為是工業革命發生的重要因素。今天,隨著資通訊科技與電子產品技術的演進,又一次醞釀著新的農業革命。

自民國 79 年行政院推動「農業自動化」以來,政府推動精準農業、精緻農業等政策,除了因應日益減少的農村人力,發展自動化農業外,也針對不同環境因素與不同目標建立對應資訊平臺。為實際落實執行這些措施,首要步驟是蒐集各種數據,作為田園操作管理的依據,以及消費者購買農產品的參考。由於農業資訊需要於農園內傳輸,受到各類環境因素限制,使得無線感測器網路 (wireless sensor network, WSN) 成為適合執行農業資訊蒐集任務的嶄新重要工作平臺。

無線感測器網路技術

廣義上,無線感測器網路泛指所有透過無線傳輸,聯結眾多測量各參數感測器節點所形成的網路。無線傳輸使用電磁波為傳送載體,依其頻率及波長的不同,具有不同的傳輸特性。由於軍事與其他原因,世界各國均對電磁波使用頻段有所規範,但仍開放特定頻段供工業、科學研究及醫療應用。只要低於一定之發射功率,便可自由使用這些「ISM 頻段 (industrial, scientific and medical band, ISM band)」。ISM 頻段範圍並無統一標準,歐盟、美國等體系皆有不同規定,但 2.4 GHz 附近的頻段為世界多數國家共同認可,並羅列於電機電子工程師協會 (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) 制訂的 IEEE 802 系列無線通訊協定。在此類協定中,IEEE 802.15.4 的目標即是針對低資訊流量的網路,開發可由電池維持長期運作的低成本網路設備。基於此標準的各種實例中,由於 ZigBee 擁有開放標準、實作簡易、且可支援同時與多個節點通訊與多種通訊拓撲架構,被廣泛應用於多種監測系統,成為 WSN 採用的通訊技術主流之一。

WSN 是由多個感測器節點 (sensor node) 組成,其基本構造包含一個低耗能的微處理機 (microprocessor) 核心、數個感測模組、以及無線通訊模組,通常還包含功能性模組,如數位/類比轉換器和可程式儲存設備等。感測器使節點了解環境狀況,其功能可由使用者依需求選擇。目前市售的無線感測器節點通常包含測量基本參數(如溫、濕度等)的感測器模組,但若有其他需求也可由各式介面自由組合。目前大多數節點使用 ZigBee 通訊協定,以微處理機中的控制程式透過無線通訊模組,和 WSN 中其他節點交換資訊,並將蒐集到的環境參數傳送到使用者端。雖然 ZigBee 通訊協定設計為低耗能,通訊距離仍可達百公尺以上;若受天候、地形與障礙物等影響,在節點間的資訊傳輸仍可透過多重跳接方式進行,使得 WSN 系統可以應用在大範圍田園間環境參數監測。

與傳統感測器相比,由於 WSN 使用無線傳輸,網路佈建彈性高,允許在單一區域中建立密集的監測節點,提供高密度測量資訊。此外,由於使用者可藉由修改 WSN 節點中寫入的程式,使節點搭載的各類感測器採取定時測量、因事件發生而自動測量、或收到指令後進行即時量測等操作模式,再由通訊模組回傳感測資訊,使得系統可自由地依需求進行高時間密集度測量,建立動態資料庫系統。在網路佈建後,即使監測地區無相關人員駐守,仍可自動進行量測,故常用於偏遠地區或危險區域的環境監測,不僅提升監測的準確性、感測範圍及便利性,也節省人力資源,更可以記錄到一些傳統監測技術所無法觀察到的現象,具有許多重要的應用潛力。

臺灣農業的蟲害問題

臺灣因處亞熱帶地區,加上擁有多樣的地形環境,盛產瓜果種類繁多且成熟期不一,極適宜害蟲繁殖與生長。如何推斷害蟲生命期、預測疫情爆發時間,以及早控制疫情,是一項重要課題。在臺灣,東方果實蠅 (Bactrocera dorsalis (Hendel)) 與斜紋夜蛾 (Spodoptera litura (Fabricius)) 為農業作物的主要威脅來源,歷年危害事件頻傳,防治問題相當棘手。

東方果實蠅原產於印度及馬來半島等地,繁殖與飛行遷徙能力強大,已知的寄主果實如芒果、番石榴、蓮霧、柑桔類等高達約 150 種,為亞洲太平洋地區各國果樹栽培上重要經濟害蟲,危害區域甚至達到夏威夷與北美洲。東方果實蠅的雌蠅將卵產於果皮下,幼蟲孵化後鑽入果肉中蛀食。由產卵及蛀食所產生的傷口常有微生物寄生,使受害水果因而畸形、腐敗或落果失去經濟價值,或由於檢疫問題無法出口,導致以億為單位的重大農業損失。東方果實蠅的平均壽命為 30~40 天,且具高度繁殖力,一隻雌性東方果實蠅可產下數千顆蟲卵,每年則大約產生 8 至 9 代。

斜紋夜蛾則為雜食性害蟲,寄主廣泛,危害作物包括蔬菜、花卉、雜糧及果樹等作物,全年皆可發生。由於斜紋夜蛾高齡幼蟲具耐藥性,且因食用植物種類繁多而易轉移至其他作物,最佳殺除時機為卵期和幼蟲低齡期,因此如何判斷斜紋夜蛾的生命週期,對噴藥防治規劃影響重大。若監測系統能累積足夠歷史觀測資訊,相關單位便可於最有效的時刻進行大規模撲殺。

針對蟲害問題,政府每年花費約數千萬元經費,採用誘引劑搭配誘蟲筒進行捕捉,以降低害蟲數量,並建立蟲口預警體系及建置蟲害防治模式等防治方法。其中蟲口預警體系建立方面,是由政府定期派員進行蟲口密度調查記錄,建立害蟲密度數值分析。以東方果實蠅為例,是每旬(十天)派員至各鄉鎮,手動計算蟲筒中捕捉到的東方果實蠅蟲數。但此法不僅由於人力成本限制,得到資訊的空間及時間解析度過低,更由於僅能取得蟲數,並未針對監測區可能影響果實蠅棲群動態變化之環境參數進行量測,使得環境參數不足,對於及時偵測與預警方面效果不佳。另一方面,由於 WSN 擁有高時空解析度與遠距大範圍自動化量測特性,恰好可以解決上述的感測問題,使得植基於 WSN 技術的植物疫情動態監測與預警系統應運而生。

應用 WSN 的植物疫情動態監測預警系統

圖一、多功能型田間閘道器(攝於宜蘭縣員山鄉)

圖二、節能型田間閘道器(攝於臺北縣石碇鄉茶業改良場文山分場)

針對植物疫情監測的困難,臺灣大學生物產業機電工程學系、臺灣大學昆蟲學系與臺北科技大學電機工程系,共同合作開發出世界首例的「植物疫情動態監測預警系統」,對臺灣本地果園害蟲棲群生態進行深入研究。此系統包括兩個部分:前端蟲害監測網,及後端主控平臺與資料庫。蟲害監測網包含無線自動誘捕節點及田間閘道器。臺大生機系江昭皚教授的研究團隊研發兩種田間閘道器,可依據不同野外佈建環境與電源供應之有無,採用以個人電腦為核心的多功能型田間閘道器(圖一),或是微控制晶片 MSP430 核心的節能型田間閘道器(圖二)。前者適用於有市電供應的農場或溫室環境;後者消耗能源較低,使用太陽能模組與鉛蓄電池即可維持運作,適用於山區或田野等偏遠地區。圖三為建置於臺北縣坪林鄉茶園的節能型監測系統實際狀況。

圖三、節能型田間閘道器疫情監測系統布署實景(攝於臺北縣坪林鄉)

無線自動東方果實蠅誘捕節點(圖四)係利用清華大學許健平教授團隊所研發之 OctopusII,結合江教授團隊研發的東方果實蠅自動計數誘捕裝置所組成。當東方果實蠅受到誘引劑吸引進入感測通道時,將產生電子訊號,驅動誘捕裝置計數。由於過去研究結果顯示,東方果實蠅出沒密度會受到氣候影響:夏天溫度較高之時,捕捉到的蟲數較多,故該系統定時使用 OctopusII 上裝備之感測器偵測溫度、溼度等可能影響果實蠅生態之環境參數,作為後續統計分析參考。對監測結果的分析發現,東方果實蠅的數量確實與季節相關,且於單日中也隨著時間變化。在同一時間的任一農園中各處,果實蠅的出沒狀況也不平均,存在出沒熱點 (hot spot) 現象,其位置與農園附近環境與季節皆相關。對於未來對東方果實蠅的防治與預警,這些研究結果與進一步累積監測資料及深入分析將十分重要。

圖四、東方果實蠅無線自動誘捕節點(攝於嘉義市農業試驗分所)

由於系統採模組化設計,只要研發出合適之自動計數誘捕裝置,除了東方果實蠅外,並可更進一步地將該系統之監測對象擴展到其他對誘引劑、性費洛蒙具有單一性的害蟲。江教授團隊也已利用如圖五的自動誘捕節點,將此系統應用於斜紋夜蛾的偵測。田間斜紋夜蛾誘捕裝置利用市售的夜蛾類專用中改式誘蟲盒,搭配江教授團隊設計的誘引蟲道而成。誘捕裝置下方設計的卡榫可搭配接環加裝寶特瓶,用以增加斜紋夜蛾捕捉量。誘捕裝置上方設置有吊掛環,用以吊掛至適當誘引位置。裝置內部安置斜紋夜蛾性費洛蒙誘引劑,誘引該區域內斜紋夜蛾進入裝置,以捕獲蟲數推估該區斜紋夜蛾密度。性費洛蒙利用尼龍管封裝,實際安裝時需將頭尾剪除並成S型穿過接環。

圖五、斜紋夜蛾無線自動誘捕節點(攝於屏東縣九如鄉高雄區農業改良場)

整體生態監測網路佈建於農田後,田間閘道器定時彙整來自誘捕節點的資訊(蟲數、溫度、濕度及照度等),與閘道器自身量測的其他參數(溫度、濕度、照度、雨量、風速與風向等),利用 GSM 手機模組將監測資料以簡訊傳送至位於臺大的主控平臺。主控平臺人機介面由 LabVIEW 程式發展軟體撰寫,並同樣配備有 GSM 手機模組,可接收遠端網路傳回的資料,存放至 MySQL 資料庫中。此主控平臺可執行即時資料顯示、儲存及整合,進行長期資料的分析、統計與管理,且由網頁平臺提供網路瀏覽與查詢功能。因此,研究人員或農園管理者可經由網際網路或 PDA 手機讀取資料庫數據,獲得即時且全面性的田間環境與蟲害資訊。整體系統架構示意圖如圖六。

圖六、植物疫情動態監測網系統建構圖

植物疫情監測網資訊網頁中,結合 Google Earth 與 Google Map 介面,讓使用者可透過 2D 與 3D 圖形介面,了解監測網狀態,同時使相關管理員不需留守於資料庫所在位置,而能隨時隨地透過網際網路進行相關設定。對於研究人員而言,亦可根據監測系統提供的各項蟲害資訊,隨時對監測區域內蟲害情形進行初步瞭解,並視需求取回原始資料進行進一步分析。圖七顯示以 MATLAB 進行蟲數熱點分析的顯示頁面。

圖七、植物疫情監測網蟲數熱點分析功能頁面

WSN 技術應用中,最令研究人員頭痛的問題,莫過於能源供應。感測器節點的能量來自電池,當電池中儲存的電量耗盡,節點將因電力不足,無法將監測資料有效傳送回伺服器,故須派員定時更換。但若電池更換需求過於頻繁,便喪失了架設 WSN 進行長期遠端遙測的意義,且對於需佈設於農園中的疫情監測系統而言,頻繁派員更不可行。因此,研究人員需要精準計算各種能量耗費,延長運作壽命,減少更換電池次數。節點的電量主要消耗來自於感測器測量與資訊傳輸,研究人員會在每次資料讀取與傳送間採取低耗電睡眠模式,關閉大部分功能,降低能量消耗。此外,由於各類害蟲皆有其特定出沒時間,如東方果實蠅僅於日間活動,而斜紋夜蛾反之,在其不出沒時關閉自動誘捕節點的蟲數感測器,也可節約許多能量消耗。配置太陽能板定期為電池充電則是另一個常見的選擇,但若需建置 WSN 網路在陰雨天發生比率較高區域時,更需謹慎考量監測網內各項軟硬體設施之設計與配置。

農業應用中的 WSN 系統多半在野外運作,故設備耐候性是另一個受到考驗的議題。由於感測器的電子電路容易因為風吹雨打受到損害,硬體設備均應當有防水與防塵等相關防護設計。此外,還有因生物活動(如昆蟲於節點築巢、蜘蛛結網等)、人為因素及眾多未知的因素也可能會對監測造成影響。以上各項問題都是研究人員所需面對的挑戰,各類初步解決方案也已經陸續出現。然而各種解決方案,都可能衍生新的問題。如何持續克服,實為未來 WSN 於農業應用的諸多挑戰,將著實考驗研究人員的智慧與巧思。

結語

除了偵測害蟲族群生態外,本系統所量測到的氣象參數亦可以作為自然災害的偵測與記錄之用。對於臺灣而言,颱風的觀測即為重要議題。本監測系統除了監測東方果實蠅出沒外,也可以憑藉著對氣象資訊的蒐集,隨時掌握遠端網路監測地區之氣候狀況。如果預先設定各項氣象指標之危險值,則可在到達設定值時進行緊急通報,補足一般廣域氣象監測機制的不足,獲得即時的資訊與警報。

雖然 WSN 是農業領域中相對新穎的技術,但由於具有強大資料提供能力,可以提供全面資訊,令使用者容易觀察原來未見的現象。同時,因為機電整合及嵌入式處理技術仍持續發展,各種感測技術日益求新,無線感測器模組的運算能力亦不斷進步,使得 WSN 帶來的各種應用將有更多可能。當 WSN 整合田間自動化機電設備,透過後端主控平臺控制,管理者可在遠端資訊站內進行遙控管理,或是透過設定採取自動化因應措施。使用此等嶄新的農業科技,勢必將有效地降低損害,提升農產品生產力及外銷競爭力。更可以在保持生產量的同時,維持與環境的平衡,確保長期的效益,達到永續性發展的目標。

【致謝】
本項研究由行政院國家科學委員會與行政院農業委員會動植物防疫檢疫局及農糧署提供經費補助(計畫編號NSC 98-2218-E-002-039、99 農科 -9.2.1- 檢 -B2(4)、99 農科 -6.1.4- 糧 -Z1)。農業試驗所主任秘書蔡致榮博士、陳健忠博士、徐武煥先生、嘉義分所何坤耀博士,以及農業試驗所嘉義分所、臺南改良場、高雄改良場、臺東改良場、茶業改良場文山分場、宜蘭縣員山鄉農會等單位提供實驗農場,相關害蟲防治管理人員與農民等的大力協助,使本研究的田野試驗得以順利進行,謹此致謝。

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