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國立清華大學電機資訊學院院長黃能富

以創新技術推動農業發展

由多個團隊共同打造的物聯網智能農業創新系統與數據分析服務平臺,目標在提升農民產值、物聯網數據收集技術、AI大數據分析技術,以迎接台灣智慧農業的發展。
採訪/施鑫澤 文/林裕洋


根據聯合國統計資料顯示,全球人口總數將在2050年達到75億以上,屆時勢必會面臨嚴重糧食需求倍增的壓力。為此,世界各國在積極改良農業種植方法之餘,也開始藉由引進創新科技的方式,在無需增加人力負擔的狀況下,達到提升農作物生產量的目的。如現今已有部分國家開始將無人飛機應用於農業之中,農民可透過平板電腦全面性監控農作物的生長狀況,藉此達成減少農業用藥與水資源最佳化的目標,實踐智慧農業的願景。
國立清華大學電機資訊學院院長黃能富指出,近來備受全球關注的物聯網技術,即是將內建感測器的物件連上網路,形成萬物皆可連網的物聯網環境,除可進行資料與數據收集分析外,也能藉由後續分析回饋進行各種控制,對於打造智慧生活有極大幫助。而隨著物聯網技術不斷進步,應用範圍也正快速擴大中,如在多數人熟知的智慧生活、智慧城市 、智慧交通、智慧醫療、 智慧物流等之外,智慧農業亦是非常重要的一環。

科技部專案協助 清華大學跨足智慧農業

以農業立國的台灣,在過去數十年經濟結構快速轉變,再加上近年來農村人口老化及少子化的影響,從事農業人力大幅短缺,農業生產力受到相當衝擊下,臺灣以熱量為基礎的糧食自給率相對偏低 ,已成為需仰賴進口的糧食淨進口國。尤其在氣候變遷趨勢所致的極端氣候下,全球糧食供應短缺及糧價上升無可避免,而台灣受限於自然環境限制,農業生產成本相較於其他國家偏高,若要提升整體農業生產力,除須從高經濟作物下手之,也須強化產業結構調整及科技研發創新。
農委會推動的智慧農業 4.0計畫,定位為智慧生產及數位服務,需從人、資源及產業三方面進行優化,即是透過智農聯盟推動智慧農業生產技術開發與應用、建置農業生產力知識及服務支援體系,整合資通訊技術打造多元化數位農業便捷服務、價值鏈整合應用模式,及以人性化互動科技開創生產者與消費者溝通新模式等策略,將農業從生產、行銷到消費市場系統化。
負責推動全國整體科技發展的科技部,為加強大專院校技相關成果的應用推廣與技術轉移,並且協助產業研究與發展,特別由工程司設置工程科技推展中心,負責學術界與產業界的互動與交流。其主要任務為協助工程科技研究成果推廣及技術專利落實推展應用,協助產業界研究與發展,並提供產業界相關技術諮詢服務,舉辦學術性研討會、產學技術交流座談會,發行工程科技通訊及特刊、科技類技術,擔任工業界、學術界及研究機構的媒合推手。
黃能富指出,在科技部專案協助下,我們著手打造物聯網智能農業創新系統與數據分析服務平臺,其目標有提升農民產值/回饋社會、產銷一體、核心技術、物聯網數據收集傳輸技術、人工智能大數據分析技術、農業達人智慧知識庫、雲計算自動化控制技術、 物聯網/大數據人才培育等等,最終目的自然是迎合台灣智慧農業的發展。

全球夯智慧農業 物聯網技術扮核心

傳統農業種植過程多半仰賴農民的經驗,一旦遇到非預期的突發事件,往往因為人力與時間不足,難以在短時間內因應。因此,智慧農業訴求將資通訊技術融入生產過程中,藉由感測、智能裝置、物聯網及巨量資料分析工具協助,將知識數位化、生產智動化、產品優質化、操作便利化及溯源雲端化,建構智農產銷及數位服務體系。
尤其若農業設施能依設計規劃、控制模式及管理系統 3 構面,從生產製造到銷售服務導入智慧農業 4.0 關鍵技術,透過跨域結合,開發模組化設計系統、物聯網環控模組、省工搬運機械與人機輔具、及參數化智慧產銷管理資訊共通平臺,自然有助於促成簡易溫網室升級,並減少一半以上人力需求,以有效掌控作物最適栽培環境,生產出優質的農產品,發展標準化、高效化之農業設施產業。
舉例而言,當在農田廣泛佈建感測器後,如使用葉片感應器測量植物含水量的壓力,用土壤感應器蒐集水移動方式並追蹤土壤濕度、碳及土壤溫度的改變後,即可利用巨量資料平台收集與分析之後,讓農民可依照農作物特性適時調整土壤類型微量元素與養分,乃至於進行灌溉行程、作物輪作以及其他生長條件。
黃能富指出,在將農業發展與創新資訊科技的融合過程中,我們希望能夠同步透過策略性的行銷、商務模式輔導及推動產業國際化,為台灣智慧農業國產化技術及服務建立國際品牌能見度,進而將農產業技術整廠輸出,以及將優質農產品推向全球。此舉,將有助於強化台灣農業的整體競爭力,也可帶動資通訊產業的再度成長。

融合多方團隊力量 全力發展智慧農業

過去幾年,為改善台灣農業競爭力,多方專家都曾經提出建言,但最終都因為欠缺整合多方面技術的平台,最終無法達成目的。而物聯網智能農業創新系統與數據分析服務平臺是由多個團隊共同合作而成,其中,國立宜蘭大學、憨農產業聯盟組成農業專家團隊,負責提供農業專業知識、建立農業知識智慧庫,讓寶貴台灣知識能夠被廣泛用韻。其次,國立清華大學、國立台灣科技大學,共同提供物聯網科技的雙向控制方案,藉此克服農業面積廣泛,供電與資料接收不易的問題。
為因應不同服務需求,現今市面上有多種通訊技術可以選擇,且彼此有各自的優點與應用環境,如歷史悠久的Wi-Fi、藍牙技術,又或針對居家環境設計的Zigbee等等。但是前述應用環境都是針對面積較小的環境所設計,若要滿足農業產業的使用需求,則需要專為長距離、低功耗設計的Lora(Long Range),可實現遠距離傳輸、低成本、資料收集的目的。
黃能富表示,2013年問世超長距離低功耗數據傳輸技術-LoRa,傳輸距離範圍長達15~20公里,加上無需額外申請頻段,加上基礎設施以及節點/終端的建置成本低廉,正好是建置智慧農業方案的最佳選擇。以在宜蘭三星鄉建置的實驗場域為例,總共只要需要三個Lora基地台,就能涵蓋所有的智慧農田,堪稱是打造物聯網情境的最佳方案。

將低農民工作負擔 提升農田生產力

智慧農業不僅得廣泛收集大量農業生產資料,後續更需要利用資訊科技挖掘看似獨立無關事件之間的關聯,因此在人工智慧領域擁有獨特技術的國立清華大學,則在物聯網智能農業創新系統與數據分析服務平臺中,負責提供農業巨量分析服務,藉此提升與預測農作物產值與品質的目的。
以前述在宜蘭三星鄉應用模式為例,過去農民經常需要針對風向變化,調整破風網的升降工作,避免影響到三星蔥的生長,但是若發生突如起來的風力變化,最終受限於人力不足的困境,最終只能選擇跟大自然妥協。但是現今在物聯網智能農業創新系統與數據分析服務平臺協助下,農民再也不需要獨自對抗大自然,系統會自動收集風量變化的資料,並且交由後台資訊系統分析與判斷,自動決定破封網的升降工作。如此一來,即便是半夜颳起強風,農民也能夠安穩的睡覺,全部交由智慧話設備自動處理。
黃能富指出,不僅三星鄉的破風網成效卓越,屏東帝王火龍果園也透過感測既結合LED燈泡的方式,為火龍果提供適當的光源,確保果實成長過程更為順利。從前述案例可知,整合創新科技的智慧農業,絕對是提升台灣農業競爭力不可或缺的最佳方案。

免費物聯網課程 滿足農民求知慾

隨著物聯網時代來臨,為協助台灣產業升級與搶攻此商機,行政院正透過推動亞洲矽谷專案的方式,推動物聯網產業創新研發及健全創新創業生態系,輔以連結國際、連結未來及連結在地的三大連結,並透過四大推動策略來推動,希望能讓臺灣連結矽谷等全球科技核心聚落,並成為亞太青年創新與創業發展基地,以搶進下一世代的未來產業。
儘管台灣在硬體製造擁有豐富經驗,但卻也因為過去忽略軟體產業發展,而面臨物聯網人才大量不足的窘境。為此,身為培育台灣重要理工人才的國立清華大學,選擇在ShareCourse學聯網上提供眾多免費課程,藉此培養物聯網/ 巨量資料所需的人才,也讓工作繁忙的農民,可透過線上進修的方式,獲得發展智慧農業所需的知識。 
黃能富表示,在執行科技部專案過程中,我們發現農民對於創新科技非常感興趣,只是苦無學習管道。而透過在ShareCourse學聯網開設免費課程的方式,正好可提供農民遠距學習管道,讓智慧農業概念被更多農民得知,同時吸引更多農民參與。
儘管物聯網智能農業創新系統與數據分析服務平臺帶來的效益極大,但是最終受到科技部專案預算有限的限制,無法將創新科技帶領到台灣各個角落之中。為此,黃能富則希望能夠尋找更多有意願發展智慧農業的科技廠商,透過提供場域驗證的方式,讓資訊產業藉此機會跨入全新的領域,也同步解決農民經費不足的問題,進而帶動台灣智慧農業的發展。                 
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