跨領域科技研發結晶 臺大智慧溫室:攜手朝向「機智的農民生活」

林裕彬整合校內資源技術建構智慧溫室,希望為臺灣農業科技技術的發展盡一分心力,同時也期待能夠提升年輕人從農意願;他手上的網紋洋香瓜表皮刻有「NTU」字樣,是栽培實驗的一環。

林裕彬整合校內資源技術建構智慧溫室,希望為臺灣農業科技技術的發展盡一分心力,同時也期待能夠提升年輕人從農意願;他手上的網紋洋香瓜表皮刻有「NTU」字樣,是栽培實驗的一環。

文/吳秉容  圖/豐年社

面對極端氣候的影響,穩固的溫網室設施能有效提升作物栽培成效,並降低災害帶來的損害。此外,根據世界銀行(word bank)資料顯示,全球智慧農業之市場發展趨勢自2013年起逐年攀升。國立臺灣大學掌握農業技術發展趨勢,在校內打造全方位智慧節能溫室。推動者之一,同時也是生物資源暨農學院院長的林裕彬分享未來展望:「『鋤禾日當午,汗滴禾下土』,我們希望,在烈日炎炎下揮灑汗水是農業的過去式;未來每個農民都是高科技農夫,運用智慧化與自動化設備節省時間、金錢與人力,實現精準栽培。」

農業部於2016年提出農業再生計畫,並於2017年推行智慧農業至今,鼓勵智慧科技與精緻化溫網室設施的發展,目的為改良產銷技術,以因應氣候變遷帶來的挑戰。生物資源暨農學院院長林裕彬表示,「目前全球面臨氣候變遷、水資源缺乏與食安等問題,對農業造成極大影響,勢必要朝向精準化、自動化栽培的方向邁進,智慧農業結合設施栽培會是未來發展的一大趨勢。我們希望能整合臺大所擁有的高科技技術、工具,建構智慧溫室,實踐高科技農夫的願景。」林裕彬放眼國際,相信臺灣擁有的技術絕不遜色。

國立臺灣大學農場訪客中心(綠房子)旁,共有6座太子樓式玻璃溫室,近2年透過「智能溫室及數位專家栽培系統之研究」計畫取得農業部補助,而得以修繕與改造。在生物資源暨農學院前任院長盧虎生與現任院長林裕彬主導下,其中1座溫室結合校內跨領域技術與資源,運用智慧農業相關技術,以水耕方式種植高經濟價值作物、網紋洋香瓜「阿露絲夏系2號」,作為高科技智慧溫室的成果展現。

臺大農場中六座太子樓式玻璃溫室,左一為智慧溫室。
臺大農場中六座太子樓式玻璃溫室,左一為智慧溫室。

臺大校園的銀光寶盒 智慧控溫之必要

進入臺大校園,沿著舟山路前行,經過瑠公圳水源池後轉進農場小路,抵達農業試驗場即可看見6座太子樓式玻璃溫室,在青綠農場中閃爍銀光。正午時分進到智慧溫室,陽光長驅直入,溫室內透過控溫系統,得以保持在舒適、涼爽的溫度。傳統溫室通風效能有其限制,封閉的棚頂在陽光直曬下,溫室內溫度往往高達攝氏40度以上,不僅影響作物生長,導致產量降低,更容易引發病蟲害。

生物資源暨農學院計畫研究專員鄭鎌杰表示,玻璃溫室四周的窗戶與頂部天窗,都可以透過自動化排程或是手動進行控制。天窗設置於溫室頂部,利用自然通風原理,能夠加速釋出溫室內的熱空氣,減少溫室內熱氣的累積,有利於靜風時將熱氣排出。溫室兩側加裝自動水簾與負壓風扇,進而達到降溫效果。「水簾使用瓦楞紙材質,水流過後,讓風通過進行蒸散作用就會降溫,類似水冷氣的概念。」鄭鎌杰指向水簾幕,水蒸氣雖然能帶走許多熱量,但同時環境濕度也會變高,因此通風要做好,以免造成果實發霉與病蟲害侵襲。

負壓風扇啟動時,利用空氣對流原理,將溫室內熱氣強制排出室外,使另一側通過水簾的涼爽空氣順利流入室內。智慧溫室的控溫系統依靠水簾與負壓風扇的調節,主要用於降低溫室內溫度,並無升溫機制,冬季時可封閉窗口,維持室內溫度。

智慧溫室主要利用水簾與負壓風扇,讓空氣進行對流以降溫。
智慧溫室主要利用水簾與負壓風扇,讓空氣進行對流以降溫。

設施栽培的最佳拍檔 動態作物栽培曆

除了極端氣候的挑戰,農村人力不足與高齡化也是一大困境。青年從農意願低落,使農民的智慧傳承變得更加困難。針對此議題,臺大團隊嘗試以「動態作物栽培曆」結合智慧溫室,達成栽培知識傳承的目的。

動態作物栽培曆是以作物生長為核心、精準栽培為目的之可預測性作物管理模式。生物環境系統工程學系博士後研究員林巧敏解釋,「網紋洋香瓜分為三個生長期,分別是營養生長期、授粉小果期與果實肥大期,從定植到採收大概三個月。可以根據栽培曆中累積積溫判斷作物目前生長階段,並預測其採收期。」在臺大智慧溫室中,透過溫室環境監測系統,動態栽培曆能即時蒐集網紋洋香瓜日生長溫度,將其整合為作物實際積溫線,與理想積溫線作對比,以因應當前生長現況進行動態調整。無須人為判斷,系統會自動提醒栽種者當日農務施作細項。

「為什麼叫『動態』?因為栽培曆會根據作物的累積積溫做調整,告訴你現在應該要做什麼事情。以往農民可能參照農民曆,依照節氣施作,但他們沒有想到今年天氣比較熱,作物提前生長,過去應當在驚蟄進行的施作,已不適用於今年。」林巧敏提到,溫度是影響作物生長發育的重要因素之一,積溫也在許多研究中被證實和作物的生長狀況高度相關,可用以預測作物生長階段與採收期,尤其在水稻栽培方面,準確度特別高;而臺大亦將此理論結合高科技,應用於智慧溫室中網紋洋香瓜的栽培管理。

智慧溫室中的栽培區分為實驗組與對照組,實驗組根據動態栽培曆中累積積溫,判斷其生長狀況提前或延後進行栽培;對照組則根據一般作物栽培。
智慧溫室中的栽培區分為實驗組與對照組,實驗組根據動態栽培曆中累積積溫,判斷其生長狀況提前或延後進行栽培;對照組則根據一般作物栽培。

動態栽培曆系統會同步將農民在栽培過程中所執行的步驟進行串連,彙整為知識圖譜,其重要性是可以對過往栽種者的施作步驟進行追溯,「譬如某人進行施肥,他使用哪一個牌子的肥料、什麼樣的肥料組合、多少的肥料比例等,只要進行登載,系統會自動將資料進行串連與分層,甚至能計算出每個步驟的碳足跡(碳排放)。」 動態栽培曆或知識圖譜,都是農夫實作經驗的累積,只是將其全部數位化處理,透過大量數據的建構與優化,讓作物栽培更精準與智慧化。動態栽培曆所建構的「類指南」也能協助新進農民減低試錯成本,少花一點時間、少走一段冤枉路,陪伴新手累積實作經驗值。

臺大智慧溫室以高經濟作物洋香瓜為示範,導入物聯網、AI分析數據以建立作物生長模式,並結合作物栽培專家系統,提升栽培之效率與產能。
臺大智慧溫室以高經濟作物洋香瓜為示範,導入物聯網、AI分析數據以建立作物生長模式,並結合作物栽培專家系統,提升栽培之效率與產能。
臺大智慧溫室導入各種相關技術,用電有一部分來自太陽能,林裕彬期許未來能開發沼氣發電,達到進一步節能減碳的效果。
臺大智慧溫室導入各種相關技術,用電有一部分來自太陽能,林裕彬期許未來能開發沼氣發電,達到進一步節能減碳的效果。

感測器掌控設施大小事 物聯網實現遠端栽培管理

長方形的玻璃溫室分為3區,一區共4排,每一排皆以水耕方式種植5~6株的網紋洋香瓜。水耕栽培主要透過養液供給植物所需養分,每一排皆會配置一套養液循環系統,以馬達為動力,每循環15分鐘便休息45分鐘,透過循環方式省水省肥並監控植株養分吸收情況。鄭鎌杰解釋,「這套系統有個水位控制器,當養液減少時拉桿往下掉,養液桶就會自動補充養液到一定的水位。」除了循環還需兼具控溫,養液溫度維持在攝氏30度最適合植株吸收養分。藉由溫度控制配電盤控制,若溫度太熱則電磁閥會打開,使冰水注入不銹鋼管中,但不與養液直接接觸,即能達到降溫效果。

養液桶中會放置水質感測器,對養液的各項數值進行連續監測。此外,玻璃溫室內也布設各項環境感應裝置,如溫溼度感測器、光照感測器等,溫溼度感測器會分別放在每一排作物的上、下層,觀察不同溫層的溫度對於洋香瓜生長造成的影響。12排植株共24個溫溼度感測器進行小範圍的監測,鄭鎌杰補充,整座溫室還有一個主要的溫溼度感測器,進行全區大範圍的監測,感測器裝設在屋頂延伸而下的長支架上。

溫室內各項感應裝置能夠自動進行感測,並將系統蒐集到的確切參數藉由物聯網系統(Internet of Things, IoT)回傳至即時環境監測平臺。物聯網是指連結到互聯網的設備網絡,可以記錄或接收數據,而不需要任何人機互動,栽種者可以經由手機、平板或是電腦裝置瀏覽場內所有儀器之重要參數,隨時隨地進行監測與優化,以達到精準栽培、智慧農業的目的。

養液循環系統。養液桶中的養液成分含有20%有機沼液與80%化學肥料。
養液循環系統。養液桶中的養液成分含有20%有機沼液與80%化學肥料。
養液桶中的水質感測器可以自動監測養液的pH值、EC值、溫度以及溶氧量。
養液桶中的水質感測器可以自動監測養液的pH值、EC值、溫度以及溶氧量。
網紋洋香瓜利用根系吸收養分。
網紋洋香瓜利用根系吸收養分。

智慧溫室的秘密武器 無人機與機器手臂

智慧溫室中主要透過無人機與機器手臂對網紋洋香瓜進行監測。藉由設定排程,無人機會自動依循路徑巡航拍攝作物生長,並量測果實空間位置,將影像數據回傳即時監測平台。

鄭鎌杰舉例,「無人機就像先鋒部隊,巡航時看見哪一植株有問題就先定位,將資訊傳遞給機器手臂後,由機器手臂執行進一步詳細診斷。」不同於國外軌道式運行,臺大的作法是搭配載具以提升活動性與可變動性,藉由拍攝作物葉面、回傳影像,由AI人工智慧進行病蟲害辨識分析。常見病害有露菌病、褐斑病與炭疽病等;蟲害則為蠓、薊馬與粉蝨等,若證實為病蟲害而非營養不良,平台會自動警示栽種者並提供施藥指引。

機器手臂亦能透過量測植株高度、節間與節間數,進行作物3D影像重建,讓栽種者了解作物實際生長狀況。林巧敏解釋,「動態栽培曆透過累積積溫告訴我們,按照數據推論,目前作物生長超前或延後的天數。但是作物的真實生長情形,就需要依靠無人機與機器手臂在現場進行勘查,將實際量測的數據回饋給栽培曆,讓它自動進行調整與修正。」林巧敏接著說,這也有助於作物精準施肥與用藥,「數據回饋之後,我們才能決定養液的成分比例,因為網紋洋香瓜在不同生長階段需要使用不同的養液。所以監測、數據回饋與實作栽培,是一連串相互輔助、調整、持續優化的過程。」

以無人機巡航及機器手臂攝取值株影像,判斷病蟲害發生點位,進行AI診斷分析後,平台會自動提供解方。
以無人機巡航及機器手臂攝取值株影像,判斷病蟲害發生點位,進行AI診斷分析後,平台會自動提供解方。

持續推動智慧農業 機智的農民生活指日可待

「我們的智慧溫室會持續不斷精進,像機器人採果的部分目前正在做力學測試,大概今年底就會完成。」林裕彬提到,智慧溫室應用到的所有技術與工具,都是校內不同教授研究的成果。經過整合後,讓栽種者透過平台就可以即時瀏覽與操作,不再需要頂著大太陽到田間施作。

「臺灣在智慧溫室所擁有的技術,近兩年將會變得非常成熟,我們希望未來能夠到全球分享成果,將技術輸出國外;同時,也希望能夠降低成本,以商業化模式,讓更多農民能夠應用相關技術。」林裕彬笑說,他期盼每個農民都可以成為高科技農夫,一臺平板的功能,一杯咖啡的時間,就能解決栽培管理大小事。