農業感測計畫 - 專案早期相關雜記
一開始的討論
https://www.facebook.com/groups/1607718702812067/permalink/1639972896253314/
https://www.facebook.com/groups/1607718702812067/permalink/1640151199568817/
第一步建議
- 柏儒已經給出好建議
- 第一步這樣如何?用目前的 Field Try #1 加上這些功能,先做 prototype, 不需要的部分,隨使用者拔掉
- 遠端開啟灌溉設計:
- 老爸不用特別開一個多小時的車程開到農地,遠端操控農地地下水馬達啟動灌溉。
- 304防水白鐵開關箱
- - 農地雨量 sensor:
- 可以知道一個禮拜農地下了多少雨水,決定哪些時間要灌溉。
- A雨量計4-20mA loop powered
- - 土壤濕度檢測:
- - 水位計:
- 隔壁田種水稻,租那塊地的農夫很缺德每次都會不小心把水淹過來。
- 如果有人能用 MTK7688 上到這一步,就加入一下
- - 影像監視系統+人體紅外線感測器:農舍旁邊有種芒果跟龍眼,很多路人甲都會偷摘來吃 XD 另外,農地的電纜常常會被偷剪斷拿去賣(看來之前的 IoT 水果偷竊監控平台又有新章節 XD)
什麼技術問題需要克服
取樣似乎是個大問題,sensor不可能裝太多,要裝幾的地方,以及裝哪些地方才有代表意義是大學問
有一個是主設備,可以提供幾公里的田區共同使用。
但土壤狀況可能要根據需要做觀察的菜畦佈置
場域 1 - 田園特性
目前我們菜畦平均爲 30cm
田區在宜蘭縣員山鄉深溝村
小農水稻種植面積階段爲 1~5分,1甲,2甲,3甲,5~6甲
網路設計
大氣候的一組就行,菜畦細部的再設計成可以多點部署
首先
WSN的起點是電網
電網需要計算功率, 若是板子功率小可以使用汽車/機車電瓶來使用
這兩者大多12-24V可以使用, 且能夠回充,另外購買也方便
另外的連電方式, 是直接拉電纜
可適用在一般溫室 (高價無衰減的電纜很容易被偷)
太陽能板是一種方式, 可提供12v存至電瓶
再透過電路轉5v給板子
張揚的架構
太陽能板 -> 電瓶 -> 並聯逆變器轉110V(非必要)
- -> or 並聯MPPT (太陽能發電數據統計,可用直流Power Meter替代)
太陽能板
http://goods.ruten.com.tw/item/show?11091223250804
(太陽能板補充說明, 台灣位於38.5度線,因此太陽會有面南的仰角約30度
將太陽能板面南,且拉高30度左右能提高日照的面積%)
MPPT
http://goods.ruten.com.tw/item/show?21521498331043
12-24轉5V
http://goods.ruten.com.tw/item/show?21534405293378
WSN network
Zigbee可以有mesh 功能, 但Mesh的要維持幾跳的佈建?
且農場分佈多大, 要用星狀佈建需要考慮到節點(zigbee gateway)的設計位置
- ESP8266 14dbm (訊號相當好的小板,功率也相當低)
http://wiki.iteadstudio.com/ESP8266_Serial_WIFI_Module
Transmit 802.11n, MCS7, POUT=+14dBm |
|
135 |
|
mA |
其實Zigbee的Mesh在某種程度上來說也是樹狀,當node不通時才會切換路徑
如果用這出發點來考量, 其實設計好路徑的ESP8266會是價格最經濟的作法
有些不在同一區塊, 且遠距離的農場可以使用Wifi AP/Client的方式
一般的Dlink就可以使用(找高功率)
高功率AP/Client 20dbm
http://24h.pchome.com.tw/prod/DRAF4F-A72261608
戶外指向型天線
http://goods.ruten.com.tw/item/show?99141121474496
(戶外的指向型天線需要良好的固定方式,不然颱風來臨會造成天線位移而喪失功能)
感測器設計
可能的第一步
板子:
氣象站:
- 光照:現有
- 光照會有問題,因為這次需要透明上蓋
- 建議改用太陽能板 從發電率換算光照
- 用太陽能板同時可以避掉拉電的問題,除非萬一好幾天陰天 那就少幾天記錄吧
- 大氣壓力:現有
- 風速計:能用葉輪綁上磁鐵,加上霍爾感應器,葉輪每轉通過一次霍爾感應器就會產生電壓變化,然後求一段時間內產生電壓變化的次數,就可以推估出來
- 雨量計:用個壓力感測器跟一個空的桶子,空桶子重量與最大容積已知;求取一段時間內桶子的重量變化,由於水的比重為一,重量等於質量!這樣就能推算時間內雨水增加的量
菜田,菜畦部署:
- 土壤溼度:只有驗證 code
- 土壤 pH 值:因爲會噴灑酵素
- Ph值這個溫室的作法和田耕不同
- 因為ph也是超貴
- 而且故障率嚇死人
- pH Sensor Kit
- 土壤溫度:
水田部署:
- 水位高度
- 液位傳感器 with Plastic Casing
作物:
佈建建議
- 要上鎖
- 可以用汽車電瓶,然後用車用的12V換流器產生基本的AC電源。其實那就是個震盪器而已,透過矽鋼片變壓器跟電晶體放大電流讓驅動力加大
後續延伸
[ TBD ]
感測器經驗
- 在設計之前,先最大化前人的經驗,麻煩大家填上自己農業相關的感測器經驗,包含使用過的感測器,自己用 Open hardware 接的感測器
- 排除這些:
- 需要這些:
- 光照:
- 風速計:
- 雨量計:
- 土壤溼度:
- LASS 感測器驗證 - Grove - Water Sensor-reject
- LASS 感測器驗證 - Grove - Moisture Sensor-reject
- 土壤 pH 值:
- 土壤溫度:
- 土壤 EC 值:
- ORP :
- 其他:
感測器驗證
- 我們需要列出可能需要驗證的感測器,讓 Makers 們先開始進行感測器基本驗證。請列出可能需要的感測器與購買處。我們先組織 Makers 上 Driver.
- 買不到的不用列,太貴的不用列,不能普及化的東西,留給需要的人自己開發。我們做大家用得起的東西,就算不夠好用。
先期研究
- 用兩個溫度感測器,看土內和土外,溫度的相依性如何?
- 有了自己架的氣象站,配合生產履歷的記錄,可以找出作物較適合的生長環境
- 氣候資料提供
- 雨量溫度比:
- 農作物生育期間雨量與溫度積算量之比值, 計算式為RQ= (R:生育期間之月降雨量,T: 生育期間之月平均溫度) 。此係數為農業氣候指數之一種。
- 累積溫度:
- 係某段時期內, 日平均溫度累積之和, 在農業氣候上專指作物生育期間, 日平均溫度累積之和( T,K: 生育日數,T:1至k 日之逐日平均溫度),由於各種作物不同生育階段所需之累積溫度皆有固定, 因此累積溫度可以用來推算農作物生育階段, 例如開花或成熟之日期。
田野筆記
1. 農夫一天的工作(非插秧期):
- 巡田 (看田的水位, 蟲害, 福壽螺)
- 除雜草
聊八卦 (誤)
2. 水位感測/水田相關感測部分:
- 田地的環境變數是水位量測的準確性須考量的變因。
- 幸田的水稻田面積共七分, 為2塊長方形對稱並排的水稻田.
- 田地勢屬於前、後段偏高,中段偏低的地形。容易在中間端形成的低窪區形成積水。目前sensor 及水閘門擺放位置在田的後段。
- 實地勘察後發現,發現中段某區有積水,與後段狀況不一樣,如果sensor 只擺放在靠近路邊的後段,量出的值可能無法完全可參考。
Hint: 一塊田裏面的地勢就有高低,如果要提供有意義的數據,需要考量地形的因素。
- 每個農夫擁有的田地可能分散在不同區,所以系統架構理論上會形成多個Lora +Sensor 回傳到1個Gateway。對於一次管理很多塊田,且田跟田中間有一定的距離的農夫來說,有個系統可以一次收到來自每塊田的資料是很有幫助的。
- 但有個挑戰是距離越遠的田,中間間隔的障礙物越多,水稻田附近的環境,從電線桿、農具、矮屋,到移動的汽車,對無線傳輸不是一個很友善的環境。
- 閒聊時幸延有提到,福壽螺出沒的季節隨著溫度變化有不同,但具體說不出哪裡不同。如果蒐集氣溫、水溫、土溫的資料,也許可以看出福壽螺喜歡的溫度及環境,透過水溫及水位的調節改變此環境,減少福壽螺的量。
3. 菜園感測部分:
- 幸延對於菜園的定位為大自然的溫室,不追求量產反而追求多樣種植,再不施予化學藥劑的方法下進行種植。
- 在此定位下,菜園感測主要應用為蒐集自然氣候(土壤濕度、氣象、雨量、土質、溫度)與作物生長情形的相關性資料。另外考量到履歷的製作,除了sensor 以外,系統可能要考慮預留1* USB port 作為bar code scanner 的應用。
- 菜園環境:
- 菜園的場域坐落於山邊的平原,周遭沒有太多建築,基本上LOS沒有問題,屬於非常適合建置Lora的地形。
- 相對的,此場域在面對日曬及雨淋都是最直接的,高溫夏天最高可到35度C,低溫冬天最低約度7C,根據這環境系統考量建議開到0~40C ,with shielding cover。
4. 社會&價值觀:
此部分為關於當地人的價值觀及產業觀察的部分:
- 價值觀:
- 宜蘭為平原,以種植水稻為大宗。大部分農民屬於傳統路線,追求量產,對於資料蒐集的需求非常地低,除非有很明顯、直接性的減少耕作成本,否則在推廣上會有一定的難度。
- 當地農民對於高科技類的東西不感興趣,但若定位在"中科技"或者農業機具,使用的意願相對會比較高。
- 當地存在部分新移民,採用像幸延這樣的價值觀,不追求量產,追求天然栽種法,且對新事物有好奇心,會是LASS 第一波接觸到的對象。
- 有趣的現象
- 宜蘭水稻一年一收成,最忙的時間在收成完後的第一個月,會釋出許多打工機會,例如請人幫忙巡田,一個小時NT$100-NT$120,一天約2 - 3小時,田越大的巡田時間越長。為期約一個月,換言之,農民一個月請人來幫忙觀察農地的狀況成本約在NT$4,000。可從中思考延伸的意義及應用是什麼。
- 偶爾會聽到明年有人釋出田地給其他人耕種,代表有些農民產能不足,這部分可作為下次造訪宜蘭訪問的對象,聽聽看農民遇到什麼樣麻煩的事情,導致生產進度不如前一年預期。