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應用太陽能源於野外生態感測系統 之設計與實作 龔旭陽1*、李佳凌2、歐進裕2、郭瓊雯2、陳朝圳3 , 1國立屏東科技大學資管系教授 2國立屏東科技大學資管系碩士班研究生 3國立屏東科技大學森林系教授 *通訊作者 E-mail:[email protected] 指導老師：楊弘吉 老師 學 生：江宣翰 1 前言 採用無線感測網路(Wireless Sensor Networks)技 術設計出一套能隨時監測環境並提供即時資訊之 “野外生態感測系統。 感測資料主要包含溫度、溼度、日照、水溫、PH值 以及即時影像攝影，保護區內的環境作長時間的連 續資料收集並存入後端資料庫中。 2 前言 影像攝影部分可瞭解棲息於保護區內的動物活動動 態與植物的健康生長狀況在不同時間與季節間的變 化。 針對有效且長時間的觀測，分析當地環境之電力需 求，建置一電力系統並在實際生態環境中運行，解 決以往無線感測設備僅依靠電池來供電之問題，可 達到無線感測網路長期使用。 本研究亦設計讓使用者能隨時隨地利用輕巧且機動 性高之手持式行動系統。 3 研究問題 傳統監測方法 需耗費人力物力長時間觀測環境 人力無法大範圍且密集的取樣 無法仔細觀察物種的生長變化 需處於惡劣環境下觀測 資料無法即時傳回實驗室 4 研究問題 感測資料精確度問題 藉由生態感測器感測資料，並由無線網路傳輸，是否 比傳統的人力收集方式更為方便、精確？ 無線感測器所感測之數值是否與一般氣象學儀器之數 值相同？ 5 研究方法與材料 無線感測網路 無線感測網路硬體架構圖 6 研究方法與材料 無線感測網路野外實際佈建 在野外必需具備穩定、容錯問題、持續性及大規模的 佈建。 靈敏性：網路的能力是否足夠去反應它所處的環境和 提供有用的資料給使用者。 健全性：在惡劣的野外環境下，網路節點是否能正確 運行。 網路壽命：在電池耗完前，有多久的時間可以用網路 傳送資料。 7 系統架構與流程設計 第一階段(Sensor收集) 首先建立無線感測資料收值環境樣點，可依現地環境 不同收集各項感測數據，本系統主要收集項目為溫度、 溼度、光照，做為野外生態微氣候重要的參考數據。 再加入網路攝影機做視訊觀察，可對生態物種做生長 狀態之觀察，此階段另一功能是將微氣候感測資料做 數位化轉換即將類比電流數值轉成一般微氣候數據， 再將異常資料過濾後儲存至後端資料庫。 8 系統架構與流程設計 第二階段(Sensor應用) 依使用者的需求提供歷史及即時資料查詢、視訊查詢， 將感測資料做多項應用。另擷取視訊影像可記錄影像 上物種記錄，並由系統告知當時感測環境數據，做交 叉比對分析，最後儲存至後端資料庫。 9 系統架構與流程設計 第三階段(Sensor異常偵測) 由系統主動向生態感測端之設備、資料、電力進行異 常偵測，感測端會回覆其狀態，再由系統自動通知使 用者異常狀況及解決方式，這可讓本系統收集到的資 料更加完整及精確，感測資料可能會因為網路或是電 力不穩而產生資料異常的情況。 10 系統架構與流程設計 系統流程圖 11 系統架構與流程設計 系統架構設計 生態環境感測端 本系統所使用之無線感測器產品為MOTE分別為 Tmote & Mica2平台接收Sensor資料。MOTE使用3G CDMA無線傳輸技術相互溝通並使用NesC程式控制運 作，並使用IEEE 802.15.4 Wireless技術相互傳送 資料。 生態環境感測端的作用是放置於野外生態樣區持續 不間斷傳送各項觀察數據，以利自然資源整合伺服 運算處理系統作判斷及即時資料展示等各項運用 12 系統架構與流程設計 自然資源整合伺服運算處理系統 自然資源整合伺服運算處理系統為本系統設計之資料 儲存、運算、展示後端處理及應用之主系統。本系統 需建立模組如下：感測資料接收模組、感測資料過濾 模組、感測資料分析模組、資料展示模組、警示系統。 13 系統架構與流程設計 行動使用者端 生態資訊展示系統 主要功能為展示影像、感測資料、生態物種記錄庫， 使用對象為室內觀察者、專家、研究人員及管理者， 可隨時掌握系統狀態。 行動生態資訊展示系統 使用對象為野外調查員、研究人員、設備維修員可 手持行動設備做資訊查詢，主要功能為即時攝影、 影像觀察、即時生態或設備異常通知等。 14 系統架構與流程設計 15 野外生態感測系統系統架構圖 系統架構與流程設計 16 淡水紅樹林樣點分佈 系統架構與流程設計 近捷運站樣點 本樣點主要監測紅樹林林內微氣候，監測項目為溫度、 濕度、日照、水溫、ph值，本研究樣點離紅樹林展示 館約二百公尺，之間有私人田地做為區隔，並且無電 力能供應無線感測器及網路攝影機。 架設設備為平板指向型天線、穩壓器、ASUS WL- 550gE無線路由器、Tmote無線感測器一套，其理論 最大耗電量需求為4.4Ah，電壓均為5V以下。 17 系統架構與流程設計 本樣點主要監測紅樹林林外微氣候，監測項目 為溫度、濕度、日照，影像監視沼潮蟹生態變 化，本研究樣點離紅樹林展示館約一公里，河 口因長期受到海水侵蝕有逐漸縮小，無法在河 口海灘上架設儀器，因此將此點改在台電電塔 水泥平台上，一樣有電力供應問題。 架設設備為平板指向型天線、穩壓器、ASUS WL-550gE無線路由器、Tmote無線感測器一套、 無線網路攝影機，其理論電力需求為7.9A，電 壓為5V-12V。 18 系統架構與流程設計 19 Mica2 實體圖(內建溫濕度與光量感測器) 系統架構與流程設計 20 Tmote Sky實體圖 系統架構與流程設計 21 感測器保護裝置 系統架構與流程設計 電力系統架構 系統中最大的困難點即為感測器及網路攝影機供電問 題，其解決辦法為設計一套太陽能板電力系統，於近 點部份由原65W太陽能板擴增為130W/12V太陽能板， 並配合2顆100Ah蓄電池，在即使為日照少的台北也能 藉由加大片的太陽能板快速充電下，將電池充滿並供 電給設備。 22 系統架構與流程設計 電力系統架構 遠點則需再加無線攝影機因此使用480W/16V的太陽能 板，配合3顆100Ah蓄電池，在日照下能藉由太陽能板 供電，於陰天則由電池供電能持續7至10天電力，由 這套電力系統將能足夠供電於無線感測器、無線路由 器、指向型天線、網路攝影機，全部的設備皆利用不 銹鋼支架架設於紅樹林旁。 23 系統架構與流程設計 無線感測器所需之電力供應，本研究設計一套 電力系統架構，依序將指向天線、太陽能板、 蓄電池擺放至支架上，感測資料自感測器收集， 儲存至感測儲存裝置，再由無線路由器透過指 向型平板天線傳送至接收端。 24 系統架構與流程設計 25 電力系統架構 系統架構與流程設計 野外電力系統實際佈線 26 結果與討論 影像監測 即時影像與即時資訊 27 結果與討論 28 PDA版之即時及歷史資訊 結果與討論 歷史影像 29 結果與討論 感測資訊變化線條圖 30 結果與討論 紅樹林感測資料精確度比對 使用阿斯曼通風乾濕計及一般室外型溫度計，在不同 地形及氣侯做溫、濕度校正，比對兩個樣點後，在遠 點無遮蔽的情況下，無線感測器與一般室外溫度均由 日光直射，造成溫度過高，超出一般溫度達40度以上。 溫度過高的情況也造成溼度過低，因此造成溫度負相 差5.23，溼度正相差4.79。 31 結果與討論 紅樹林感測資料精確度比對 排除日光直射原因，無線感測器所測得的差異卻不大， 經討論後決定將無線感測器之外殼加上黑色膠布，不 讓日光直射於感測器上，之後所測得數據與阿斯曼通 風乾濕計只相差溫度0.43度(溫度誤差容許範圍為 ± 0.5度)、溼度2.17%(濕度誤差容許範圍為 ± 5%)。 32 結果與討論 33 結論 收集淡水紅樹林微氣候資料、沼潮蟹影像資料， 提供給專家、研究人員相關資料分析用。 利用天然電力來源以解決電力問題以達到長期 監測目的。 將感測資料做精確度校正，確保資料完整及正 確。 34