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全漢(伍藝超群專案)
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攸關智慧城市發展的自然環境監測

因應智慧城市的應用需求,環境監控系統已是不可或缺的功能。DIGITIMES

智慧城市為了能夠有效地提供各種智慧服務,必須具備一個能夠平衡城市各方面需求,優化配置城市各類資源的高效生態系統,尤其近年來,世界各地災變頻頻發生,防災物聯網、國土環境監測已經成為許多城市建設的重點實施項目,如何透過資訊化手段,有效進行環境監測,實現資源優化配置,已成為智慧城市的必要手段。

但城市治理面積幅員廣大,加上地下水道等公共建設難以監測,想要有效達到環境監測的目標,其實並不容易,這也是智慧城市的構想雖然早已成形,卻始終難以有效突破的關鍵。

所幸在物聯網(Internet of Things;IoT)技術已經漸漸成熟的今天,配合行動科技、雲端運算等應用的普及,智慧城市要建設一個完整的環境監測系統,已經不再是遙不可及。

無線感測有利城市治理

物聯網技術應用於環境監測,除了讓各種「物件」所偵測的資訊,可以進行交流與溝通,進而產生更有意義的資訊並衍伸更多的應用外,無線感測網路(wireless sensor network;WSN)技術的成熟,更是讓物聯網的價值如虎添翼,許多攸關智慧都市發展的監控應用,如環境與生態監測、健康監護、家居自動化、交通控制等,都可看到物聯網技術扮演其中的重要角色。

無線感測網路的原理,是透過感測器中的微處理器晶片裡面所撰寫的程式,來控制其他週邊的電子零件,如使用空氣溫濕度感測器、土壤含水量計、重力加速度計與雨量計等感測元件,收集附近的環境資訊。

為了避免無線網路傳輸過程有任何的閃失,也為了能夠在事件過後進行資訊比對,感測器偵測的到環境資訊,都會先儲存到內建的記憶卡中,再透過無線收發模組,將這些資訊以無線電傳送給其他裝置。

無線感測器也可以稱作「節點」(node)。一個完整的無線感測網路系統,是由好幾個節點,再加上至少一個資料接收站所組成。節點負責測量或偵測管理者所需要的資料,並將資料用無線方式傳到資料接收站。節點不僅可以傳送自己所感測的資料,也可以轉傳其他節點所偵測的資訊,直到資料傳達到接收站為止;資料接收站負責處理各種節點傳回來的資料,並加以統整成有意義的訊息,供使用者利用。

無線感測網路的應用方式,粗略可以分為「資料收集」與「事件偵測」。資料收集是利用感測元件,在特定間隔時間下收集資料,包括雨量、光線亮度等,當這些收集到的資料回報到資料接收站時,就可以做為決策的判斷,如雨量監測可以用來判斷是否要放「豪雨假」,光線監測可以作為路燈是否要開啟,或調整亮度的參考。

事件偵測則是用於偵測並回報罕見、短暫或不常發生的現象,如警戒區域被入侵、野生動物出現、監測山坡地突然滑動,或者出現土石流等現象發生時,感測元件不僅會提供資訊,甚至可以自動發出警告,以避免更嚴重的災害發生。

節點最大的優點就是製造成本低,且使用電池供電,沒有電線或電源供應等限制,安裝更為方便彈性,可以因應各種城市建設的物理環境,不管是空中或地下,都可以快速安裝在管理者想要進行環境偵測與監控的地點。

如2006年啟動的PermaSense Project,就是將無線感測網路技術應用於長期監測瑞士阿爾卑斯山(Alpine)的岩床地質情況,所蒐集到的數據資料除可作為自然環境研究的參考外,經過分析後的資訊也可以作為提前掌握山崩、落石等天然災害的事前警訊。

由於阿爾卑斯山累積的永凍土(permafrost)與岩層,在歷經四季氣候變化與強風侵蝕的長期效應下,隨時可能發生難以預料的變化,不管是對登山客或當地居民,都構成極大的威脅。但由於阿爾卑斯山的高海拔位置,以及險峻的地形,都使得人工長期監測極其困難。但PermaSense Project透過無線感測網路系統,做到極大範圍的監控,包括溫度變化對山坡結構的影響,以及氣候對土質滲水的變化,與預警系統的整合,更有助於提早示警,保障安全。

善用4G技術建置環境監控

現在的民眾,對於生活環境品質的要求日趨重視,對於加強環境污染預警與治理的呼聲也越來越高,而且對於資訊的即時性及透明化,以實時了解環境資訊的訴求也越來越強烈,更成為智慧城市必須加快完善環境污染預警與治理機制的動力。

因此,面對極端氣候導致生活環境愈來愈嚴峻的今日,智慧城市更是需要自然環境監測能力,如大陸許多城市目前就面臨霧霾治理的壓力。全國人大代表、中國移動四川公司總經理簡勤指出,環境保護已是物聯網技術應用較為成熟的領域,全球已經累積不少在環境保護相關的物聯網應用成功案例,包括美國、澳洲等國家都已先後部署用於實時監測城市環境污染數據和監測野生動物情況的生態監測係統。

再以橋樑監測為例,不管是颱風或暴雨,往往都會讓河川暴漲,橋墩在不斷沖沖刷下,或是受到地震外力破壞,都可能導致整座橋樑塌陷與崩壞,進而影響行車及人員安全。但只要能將感測元件連接各種土壓計、水壓計與電阻式位移計等,建立資料收集模組,再透過網路將這些儀器蒐集到的橋墩資料傳回到資料蒐集站,再將訊息傳送到中央災害應變中心,即可掌握全國各地橋樑的狀況,降低斷橋災害。

環境監測技術也可以用於農業上,除了可以控制用水量外,也可以帶來其他好處,如農產品價格常因為各種天災與人為等因素,而導致市場價格會出現巨大波動。如青蔥、高麗菜等農產品,平常因為價格不高,比較不會有失竊的風險,但只要是大雨或是颱風因素導致菜價飆漲時,就會有小偷想要趁機下手偷竊,但農民卻可能因為農地範圍大而防不勝防。

但只要使用無線感測網路,就可以利用節點可以快速方便安裝的特性,安裝在農田周圍,一旦有竊賊入侵,就可以透過節點偵測發出警告,通知警方與農民來驅離竊賊。而農產品價格下跌,不用擔心失竊時,也可以快速回收無線感測器節點,等到下次類似狀況發生的時候再安裝。

尤其是在4G技術已經開始運轉的城市,無線感測網路的基礎建設更加可靠,具有建設難度低、資源利用率高、覆蓋面廣、資訊蒐集與傳輸快、資訊管理與共享容易、實時監測與預警可靠性高等優勢,城市管理者應善用4G資源,將環境污染源納入實時監控系統中,打造7×24小時全生命周期監測的環境監控物聯網,透過許許多多的節點分散安裝在要觀察的環境當中,有效的擴大資料收集的區域,以達到收集高密度、高精確性資料的目的。

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