智慧環境控制使傳統產業蛻變

  • DIGITIMES企劃

近1年多以來,舉凡「植物工廠」、「工廠化農業」或「科技農業」等名詞,開始頻繁出現於各個報章媒體,儼然形成一場新農業革命;探究這股新趨勢的背後,高科技無疑是一大助力,其間當然也包括了物聯網技術。

近來漸趨炙手可熱的植物工廠概念,源起於歐美的溫室栽培農業,由於成效卓著,且蘊含無窮商機,因此目前包括日本、美國、歐洲、大陸與台灣等地,均已著手發展植物工廠。

所謂植物工廠,係指環境可被控制,且可按計畫促使全年無休量產農作物之場所;目前被廣為探討的重點,乃在於透過光線、溫度與濕度的控制,藉此提高農業產出的穩定性,使得作物之栽培,不再完全需要看天吃飯,惟因成本明顯高於傳統栽培方式,所以植物工廠多被用以種植高經濟價值的農作物,譬如萵苣、羅勒、薄荷、花卉、藥用植物等。

截至目前,植物工廠的最大科技亮點,似乎落在LED照明之上,然而除此之外,尚有另一大幕後功臣,即是奠基於物聯網的智慧環境控制技術,就連LED照明,也是受到智慧控制的標的物之一,顯見在物聯網、機器對機器(M2M)等技術的推波助瀾之下,確實足以在人們身處的工商社會環境中,孕育了諸多的可能性,使得原本被視為低值化的傳統產業,也順勢蛻變為高值化。

環境感知運算 催生高價值農作物

就在2013年初,台灣大學與英特爾共同發表了「智慧生活服務」的研究成果,其中的一大亮點是「智慧機車尾燈」計畫,主要是在車上配置週遭車輛感應器,並紀錄行駛動向、預測行車路徑,隨時警示後方駕駛,以避免發生碰撞,提高行車安全。

至於另一亮點,則是「智慧加值農業」計畫,一方面可透過遠端監測經常遭受蟲害的地區,觀察蟲害發生的週期,繼而預測未來可能出現蟲害的時機,如此一來,即可避免過度噴灑農藥、降低化學殘留物,同時也可望在蟲害來襲之前,使得果實享有充分日照後、藉由套袋機制進行保護,藉此杜絕或大幅減少蟲害的衝擊,既可提升農業生產力,也可讓食用者吃得健康又安心。

二方面則可將無線感測網路佈建於溫室,針對高經濟價值的農作物,設計精密控制溫濕度與陽光等自動化控制系統,以期降低人為失誤與不確定影響因素,帶動農產品產量的提高,其中最具代表性的案例,即是蘭花的種植。

據了解,每年台灣的蘭花出口產值,平均介於40億到50億美元之間,經濟價值可謂不低,換言之,若因蟲害、病毒等負面因素導致產量降低,即意謂台灣將損失可觀出口產值;另值得一提的,蘭花算是一種對於生長環境較為敏感的農作物,假使溫度、濕度或日照不對,便容易出現夭折(高溫持續20分鐘)或過早開花(溫度不足),粗估每年因此而折損的蘭花產量,約莫在10%之譜,所以即便杜絕得了蟲害或病毒,每年仍將釀成近5億美元的經濟損失。

著眼於此,台灣大學與英特爾所共同推動的智慧型農業研究計畫,便將蘭花列為一大重點。探究其溫室架構,主要含括三個重點組成要素,一是由電池來驅動電力的感測器,佈建於蘭園苗圃藉以蒐集資訊,二是網路監控介面與邏輯運算單元,第三則是雲端機房,負責分析並改進生長參數,運用預期性的推理過程,判斷蘭園裡頭究竟應維持多少的溫度、濕度或照度,才能讓蘭花生長環境更趨健全。

而此一智慧環境控制系統,也具備十足的應變能力,比方說,當系統察覺蘭園內部某區域溫度稍稍偏離正常數值,但鄰近感測器卻未發送警訊,便研判該設備可能出現故障,就隨即通知相關管理人員,儘速撤換這台感測裝置。

再者,如果經由氣象預報,得知次日氣溫可能下降,便可透過系統設定排程,次日一到即開啟加熱系統,藉以維持正常溫度。

不過這個研究計畫,也凸顯了M2M系統仍有亟待改善的地方,意即感測器必須倚靠電池運作,且耗電情況仍未臻至真正完美的境地,所以研究人員為了降低電池更換頻率,有時只好選擇關閉某些感測器;倘若業界能研發設計省電能力更強的感測裝置,理當更能契合植物工廠的永續運作需求。

總結來說,在探究植物工廠議題時,所涉及的環境控制標的,不外是風、光、水、養、氣等五項。「風」包括了空氣的溫濕度、風速、分布的均勻度等項目;「光」包含了光源的光量、光質、光週期,及給光的均勻度等項目;「水」包括了水質、灌溉時機、灌溉量等項目;「養」則含括了水體內營養成分、營養濃度、酸鹼度、電導度、溶氧量等項目;至於「氣」,則是空氣當中的二氧化碳濃度。

憑藉溫度感測 輔助水產養殖

除了農業以外,經濟產值同樣不低的水產養殖業,亦可援引智慧型環境感測技術,帶來莫大效益。此乃由於,亞洲水產養殖產量佔全球高達九成,而台灣更是水產種苗的先驅,是亞洲眾多國家的種苗供應中心,具有舉足輕重的地位,實在不宜沿用傳統「粗放式」飼養方式自我折損經濟效益。

一般來說,養殖業者意欲創造理想的營運績效,主要關鍵在於,必須傾全力將養殖環境維持於高品質,尤需避免因含氧量、溫度、混濁度不佳導致魚隻死亡,不僅如此,亦需要設法降低營運成本,譬如電費支出,就是當省則省的重要環節。

隨著物聯網技術的發展,已讓過往與高科技八竿子打不在一塊的水產養殖業,開始有機會與「智慧」二字緊密結合;透過智慧感測、智慧控制等新興技術,已有業者發展出智慧水產養殖系統,其蘊含了資料或圖像的即時採集、無線網路傳輸、智慧運算及預測、預警資訊的發送,以及輔助決策等眾多功能於一身,藉由對水質參數的檢測、相關數據的傳輸、資訊的智慧運算,以及最重要的智慧化自動控制功能,藉以大幅提升水產養殖的管理效率。

在此前提下,養殖戶即可透過智慧型手機、平板電腦等智慧型終端設備,即時掌握養殖水質環境的資訊,萬一出現異常狀態,或是水質轉趨不良,都可在第一時間獲得警訊,以利於及時應變處理;除此之外,養殖戶也可以根據水質監測結果,即時調整控制系統,以更有效率的方式,來推動水產養殖的智慧化,終至提高產量、增裕營收,而且又能一併實現節能減碳之目標。

譬如位在屏東的龍膽石斑(亦可稱為鞍帶石斑)魚塭,便是對於智慧感測技術需求孔急之例。可被歸類為高經濟生物的龍膽石斑,儘管對對環境的抵抗力不算弱,但養殖戶以往仍面臨一大考驗,因為夜間沒有陽光,容易導致水中二氧化碳含量飆高,為了解決這個問題,就必須倚靠水車在夜間運轉,藉以提高養殖池中的溶氧濃度,然而假使水車葉片因任何緣故而卡住,就可能導致整台設備燒毀,無法繼續提高池中溶氧濃度,值此時刻,養殖區內的大批魚群,便將因為低於溶氧濃度而死亡。

再者,養殖池亦可能因為藻類優養化,導致水中氧氣迅速消耗,並使魚群遭受藻類毒素感染而死亡,因此養殖戶亦須全天候關注水質;種種難題,都可藉由智慧型監控與感測技術加以化解。