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。
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。
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。
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。
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。」
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。
