LoRa实验室

在众多软件高手云集的2017年开源人年会（COSCUP）上，有一群年轻人看起来格外不同，晒得通红的健康黝黑肤色，在软件工程师中格外亮眼，他们不只是软件工程师，更是一群善用开源科技的「作田人」。 就连在开源人年会开场，前行政院院长张善政都分享了自己靠开源技术管农田的经验。张善政每逢周末都会到花莲自家农地从事农作，最近找来一位朋友，利用开源软件，用空拍机从高处拍摄农地後，运用影像辨识技术来计算农地上的西瓜数量，而不用走遍整块田地一一清点。 後来，这个工程师还将这支程式，用来计算养鸭场上的鸭子数量，最近台风接连来袭，张善政这个朋友乾脆还写出，可以空拍盘点树木倒塌数量的应用程式。 张善政呼吁，要重视开源社群中的合作、共享和创新的特质，且台湾可以善用开源社群的力量，尤其从AI的应用开始投入，而农务正是其中一个运用场景。 台湾开源自造科技农夫共同打造新农耕模式 不只有张善政变成了科技农夫，宜兰县员山乡深沟村也有一群年轻人，因为对农业的热情，从软件人变成「作田人」，将软件工程的专业带到耕种的田地，试图以科技的方式，解决耕作时会遇到的各式各样问题，他们不是一般的农夫，也不是大家所想像的科技农夫，而是运用开源软件，打造农业新应用的「开源自造科技农夫」。 「一开始什麽都不懂，就跟着老农夫学。」科技农夫陈幸延在两年前辞去软件工程师的工作，一头栽进了种田的行列，过去他从来没有接触过农业，一开始就从头跟经验老道的老农夫学起，学习过程中，还认真地将老农夫传递的知识，以及每一个步骤，都详细地记录下来。 不过，等到陈幸延实际耕作时，才发现，近几年气候变迁越来越剧烈，跟老农夫学来的这些经验，没办法因应多变的天气。 以宜兰来说，以前每年有200多个下雨日，农夫几乎是天天都要带着雨衣，但是，现在则不然，就连最会下雨的冬天，也要到12月才会降雨，光是凭藉着，陈幸延过去1,000多天的耕种经验，他认为，无法累积出有用的参考依据，於是，陈幸延开始想办法，要试图解决这个问题。 首先，为了得到更准确的气候资讯，陈幸延先从中央气象局的开放资料平台上找资料，花了一番功夫才整理出可用的资料，不只得从10年份的表格资料中，统计出10年的在地气候数据，才能进一步转换成资料分析所需的格式，最後还得自制一支程式，将气候变化的趋势视觉化。 虽然完成了这个工具，但这些图表却不实用。一来这个气象站距离深沟村还有段距离，而且位於半山坡，测站收集到的天气数据，无法呈现出深沟村平地农田的情况，光是气温就相差许多。因此，陈幸延决定开始自己动手组装一套「微型气象站」。 陈幸延参考了中央气象局气象站所用的设备，自行购买零件自己组装，还撰写了程式，蒐集感测器回传的光照、风向、风速和雨量等数据，再利用这些数据，来制作出更准确的长期温度变化图，判断耕作的时机。「有了这些感测器收集到的资料，长期累积後，才可以知道在地的温度趋势。」他解释。 陈幸延还分析了在地商店的数据，掌握每个季节适合耕种的作物，他还建立了一个农作物资料库，可以用视觉化的方式，来预测未来3个月内适合种植的作物。 不过，只靠自制气象站还不够，「我不可能知道田里发生的事！」於是，陈幸延他们这群科技农夫，进一步开始自制田间感测器，例如，水田里设置了水位计，菜园则有土壤湿度计。 现在只要半夜出现豪雨，陈幸延在家里就能立刻掌握田里的变化，不用像过去，每逢半夜下大雨，得等到一大早出门巡田才能知道， 「科技带给人方便，自动装置可不可以更方便呢？」他摇了摇头，因为越聪明的程式，越会传送各种讯息，来通知农夫农田的状况，「现在反而上下午都要去田里！」陈幸延笑着说，但即使工作变多了，他却甘之如饴。 对於刚投入耕种的年轻小农而言，陈幸延并没有太多的预算来负担耕作的成本，什麽都要自己动手做，就连电动除草机也要自己DIY。市售电动除草机大约要2万元，而陈幸延自己制作的除草机，成本却只要不到2,000元。 爱上耕种的陈幸延，体会到农村的生活与都市其实大不同，「要与当地村民保持良好关系，」在农村，人与人之间的关系非常紧密，常常需要互相依赖、帮忙，这让他更意识到建立社群对农业的重要性。 於是，陈幸延决定租下了一块空地，来打造出一个开放农业的实验基地，称为「Open Hack Farm」，提供大家实验新科技的场所，用开放的方式一起讨论想法、动手做出工具，期望在农业上实践出一个可循环、结合在地和开源的经济合作模式。 Open Hack Farm今年的研究方向包括了IoT田间感测器、开放资料、可远端控制的农用三轴手臂FarmBot和影像辨识等。 此外，今年春天，另一个开源农业专案「阿龟微气候天眼通」，也和Open Hack Farm社群联手，以物联网技术与资料科学技术，结合在地青小农，来发展农业微气候分析应用，他们还因此在今年g0v公民科技创新奖助金竞赛中，从94件专案脱颖而出，成为最终获选的8件得奖专案。 自造农具1｜微型气象站 这部陈幸延自行制作的微型气象站（WeatherBox）就设在农地旁，可将现场的光照、风向、风速和雨量等数据，传到後端程式，产生最贴近农田的在地微气候趋势图。 自造农具2｜田间水位计 水位高低影响了水田稻米的生长情况，过去每逢半夜下雨，就得一大早出门巡田开水道放水或进水，现在有了无线传输的水位计，在家就能掌握水田情况。 自造农具3｜田间感测器 土壤情报是种田的关键，科技农夫们决定自制能即时侦测土壤温、湿度变化的田间感测器，从电路板到撰写程式通通自己来，还结合太阳能版和电池来延长运作时间。 资料科学走进农业，自制工具采集微气候数据 阿龟微气候天眼通的阿龟一词取自於「Agri」的谐音，同样以宜兰的深沟村为实验基地，要运用资料科学技术来解决台湾农村的问题。 阿龟微气候天眼通运作架构 为了采集最能反映农地现况的微气候资讯，阿龟微气候天眼通专案，汇整田间感测器蒐集大量资料，来建立微气候资料库，并透过仪表版App，让科技农夫在家就能掌握田间状态。图片来源／吴君孝 在今年3月获选g0v公民科技创新奖助金後，正式启动专案，要用开源软件打造出给台湾农民使用的微气候工具，先以深沟村农民的需求为主，结合物联网的技术和资料科学，先将深沟村的示范场域的应用完成候，再开始向外拓展。 阿龟微气候天眼通团队中有一位资料科学家吴君孝。他过去在许多领域，都拥有丰富的资料科学经验，曾经分析警政情资、环保、食安和农业等中央部会的资料，不过，吴君孝曾经提出很多建议和计画，但後续发展都不如他的预期。「与其一直讲，不如动手做！」於是，找了几个开源社群的朋友，一起出来发起了阿龟微气候天眼通专案。 这个团队目前大约有20多人，来自不同的领域，包含金融业工程师、前端工程师、软件工程师、分析师、行销人员，甚至还有导演帮忙拍摄影片。专案主要目的是帮助青农，吴君孝解释，过去农村社会人口老化，但近几年出现转变，开始有年轻人回来务农，但他们由於缺乏务农经验，导致青农投入耕种的门槛偏高。 虽然青农可以到农学院上课，也能向老农请教，但是吴君孝开始思考除了这些方式之外，「能不能创造工具让青农自己学习？」另外，年轻的小农有时间和热情，却欠缺足够资金来购买高单价的农业器具，「能不能找到年轻农夫可以负担的方式，来协助他们工作？」吴君孝自问。 「很多科技计划结束後，没有普及到农民身上！」他认为：「原因就是技术转移费用过高，好技术走不出实验室，没有在真实环境执行，也没有办法真正帮助到农民，」因此，吴君孝去年花了一整年的时间，走访台湾各地拜访农夫，也了解现在农业的状况，他要用开源的方式，打造出「在地农民可用的工具」。 「农业是看天吃饭，」吴君孝希望可以透过远端监控的工具，让农夫可以决定到底要不要去巡田，减少劳力的浪费，也希望提供整合数据分析的工具来帮助农夫耕种。 「让农夫不用过劳」是阿龟微气候天眼通团队想要实现的目标。要做到这一步，气候数据是决定出门与否的关键，但吴君孝指出，中央气象站的资料不能反映出真实的农田资料，尤其台湾地形特殊，可能山的这边正在下雨，另一边却没有，再加上目前官方气象站的测站数量少，就算用推估的方式也很难得知真实的数据。 「中央气象局可以参考的资料有多少？」吴君孝说，真的太少了，且气象局资料是透过内插法网格化方式，来推估深沟村的气温，并不够准确。後来他实地走访农田，在地农夫才告诉他真正的关键，「农田最重要的是土壤」，但中央气象局提供的是广域气候资讯，没有土壤温度和湿度资料。 因此，阿龟微气候天眼通团队透过微气候气象盒子和田间感测器收集数据，包含温度、雨量、风向、湿度、紫外线、日照强度等11种类型的数据，经由LoRa无线网路技术传输到云端资料库，最後分析结果将显示在即时监控农用仪表板，提供气温、湿度、土壤温度等关键资讯的视觉化即时监控图表，甚至，还有依据农田的温度和湿度，来预测福寿螺的出没机率，作为当作农夫们决策的参考。 若遇到无法亲自蒐集的资料类型，吴君孝则会介接其他的外部资讯，举例来说，因为法规的规定，团队不能自行产生气象预报资料，就得介接中央气象局的资料。 影响微气候资料科学分析成效的因素，包含农业环境数据、田间纪录和作物生长指标。但吴君孝指出，目前最难的取得的是田间纪录和作物生长指标的资料，尤其要蒐集到可用的分析资料，需要专家协助进行田间纪录，一开始就得将数据正规化，如资料类型等规格都要统一，他坦言，一开始他们光是进行资料正规化就花了非常多时间。 另外，作物生长指标的数据收集也是一大挑战，如NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）、叶片面积、重量和长度等指标，设法从真实环境中，直接取得这些指标数据是阿龟微气候天眼通团队，目前正在努力的工作。 即时监控农用仪表板系统架构 这套开源农用仪表版系统架构分为三层，包括了IoT感测层（Wi-Fi和LoRa传输技术），数据处理层（Python搭配MariaDB）和分析应用层，并串接了第三方的开放气象资料。 农用仪表板即时监控画面 […] Read more.