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AgriTalk: 永續經營之智慧農業平台

109-06-23

交通大學 林一平 陳文亮
廣達電腦 張嘉淵
中華電信 洪維國 陳元凱

摘要

本文敘述在發展智慧農業時如何導入高效率物聯網IoTtalk平台以完整串聯前端各數據收集器至人工智慧雲端平台,在雲端進行中端數據AI分析及最終控制後端各種決策。在落實智慧農業系統於商業運作方面,我們的科技農業解決方案AgriTalk從農業自動化開始進行推廣,透過導入IoTtalk平台串聯實地農場的感測器收集農場微環境數據的同時經由中華電信網路,達到遠端即時監控農場環境,更有效率地掌握農場環境的變化。我們進一步推廣農業智慧化,透過數據的收集供AI預測模型建立使用,建立起專屬農業場域的AI預測系統(符合戶外或溫室施作需求)輔助農業管理者更精準決策及管理。現階段的AgriTalk系統整合由廣達量產的工業等級田間物聯網設備QoFA,以中華電信的電信等級網路連接到其雲端機房,並可和廣達人工智慧雲端平台以及中華電信IoT大平台對接。

前言

AgriTalk是交通大學發展的智慧農業平台,核心技術來自於陳文亮的生物科技團隊以及林一平的物聯網團隊。AgriTalk技術在廣達電腦及中華電信的大力支持下進行永續經營的商業化,成立農譯公司(AgriTalk)。AgriTalk基於人與土地和平共處的概念,高標準的要求打造以「無毒、有機」為前提的智慧農業。在此前提下,我們建置一個智慧農業系統,透過插在土中感測器蒐集的資料,送回到雲端伺服器,分析土壤與含水量,達成自動精準施肥和澆水的「智慧耕種」,解決水分、光線、溫度、蟲害、病害與土壤肥力等常見的農業問題,以實現更精準的智慧耕種。例如傳統農業高度依賴使用化學農藥,是因為農藥除蟲害效果「快速」,卻可能帶來農藥殘留風險。而AgriTalk透過偵測收集與人工智慧分析田間數據,即可以有效預測病蟲害的可能性,避免農藥農藥殘留風險,而可以提前預測並施用安全無毒的生物抑制劑,一樣達成病蟲害防治的效果。AgriTalk的薑黃種植技術打破了原本種1年休3年的農收模式,可以每年持續耕種、土壤不會酸化。栽種出來的「AI薑黃」薑黃素高達一般的5倍,並且通過SGS各項檢驗,無重金屬、無毒,無農藥,成果超越一般傳統種植法。AgriTalk永續經營之道有三大面向,前兩面向與技術有關,而後一面向和商業運作有關。

面向一(物聯網): 智慧農業物聯網平台的永續經營有三大必要條件。第一,農夫在維護物聯網設備時,必須如換燈泡一般容易。第二,感測器必須可自動自我校正。第三,可以高頻率(例如在每15秒內)回傳一筆資料而不耗電。在特定時間高頻率回傳資訊,目的在做感測器校正以及AI的精準農業。農業物聯網設備QoFA (圖1(a))包括兩部分: 田間感測器(Sensor Module;圖1(b))以及田間致動器(Actuator Module;圖1(c))。

AgriTalk最初的農業物聯網模組用Arduino和樹莓派 3(Raspberry Pi)控制,在田間惡劣環境無法支持。經由廣達協助重新設計,採用新唐(nuvoton)的控制晶片(MCU)量產了田間物聯網模組QoFA之後,才能在惡劣氣候正常運作。智慧農業物聯網平台的建立,穩定的農業物聯網模組是最主要的關鍵。在廣達的工業化設計後,予以量產,終於有永續經營的可能性。

圖1 (a) QoFA田間物聯網模組;(b) 田間感測器(Sensor Module); (c) 田間致動器(Actuator Module)

圖1 (a) QoFA田間物聯網模組;(b) 田間感測器(Sensor Module); (c) 田間致動器(Actuator Module)

面向二(人工智能): AgriTalk農業人工智能(AI)包含病害預測系統、蟲害預測系統、土壤菌相預測系統,以操控以下決策動作,包含作物灌溉時間、施肥量及時間點、病蟲害防治製劑噴灑量及時間、設施農業場域設備的開關等。機制如圖2所示,分成三部分,包括農業大數據收集、農業AI之建立以及農業決策系統之建立。

圖2 建立與實際農場之智慧農業系統平台架構。

圖2 建立與實際農場之智慧農業系統平台架構。

面向三(商業運轉及教育): AgriTalk商業運轉初步的做法是直接生產薑黃,請農夫契作分享利潤。台灣的農夫很可憐,年輕人不做,老年人做不來。最後只能領老農津貼過活,如何能出錢佈建智慧設備,提升他們的競爭力?如此惡性循環,台灣的農業就越來越困難。AgriTalk希望產生新的商業模式,解決農民工作。另外,臺灣2019年蜂蜜產量只剩10%,蜜蜂都採到農藥死亡,AgriTalk 解決方案不傷蜜蜂,我們希望為蜜蜂找一條生路。AgriTalk是精準有機技術,我們擴大農田範圍時,也希望提供有機無毒環境,讓蜜蜂安居樂業。2019年AgriTalk有一位青農加入,在新竹縣五峰及芎林契作。2020年有10位苗栗縣南庄青農加入。2020年5月南庄鄉長的示範農場豐收,更增加青農信心(圖3)。

圖3 苗栗縣南庄示範農場薑黃豐收

圖3 苗栗縣南庄示範農場薑黃豐收

在商業運轉過程,培訓青農相當重要。中華電信學院設計培訓課程,設定的目標是,農夫操作AgriTalk這套系統,必須像換燈泡一般容易。而培訓課程將建立青農的信心,告訴新世代農民,有機無毒種植也可以很簡單。運用高科技,種植薑黃也可以如此輕鬆,打造科技農場是可以立即實現的夢想。在台北板橋的中華電信學院將閒置的戶外階梯教室加以改造,成為「AI薑黃智慧農場」,架設AgriTalk系統(圖4(a)、(b))。階梯教室內擺設羅丹(Auguste Rodin)著名作品「沉思者」(Le Penseur)雕像造景(圖4(c)),因此這個農場命名為「羅丹智慧農場」。「羅丹智慧農場」的誕生,源於中華電信學院洪維國院長的願望,想在學院打造智慧農業示範農場,向農民介紹物聯網與人工智慧可以如何協助農業,輕鬆打造安全無毒的農作物生長環境。透過智慧農業技術,大幅降低農業門檻,為返鄉青農創造新一代務農環境,協助推廣農民種植無毒高經濟作物、創造收入,同時保障食安。因此構想建置示範農場來培訓人才,透過實際田園實作體驗,培育有機農業生力軍。

圖4 羅丹智慧農場;(a) 田間感測器;(b) 田間致動器 (補光燈);(c)「沉思者」(Le Penseur)

圖4 羅丹智慧農場;(a) 田間感測器;(b) 田間致動器 (補光燈);(c)「沉思者」(Le Penseur)

商業行銷時選擇種植的作物很重要。AgriTalk選擇薑黃的原因,除了其經濟價值高,更由於薑黃是超級天然抗氧化劑,對於提升人體免疫力很有幫助,對忙碌的現代人維持健康有非常大的助益。古印度的阿育吠陀醫學系統中,薑黃經常用於治療發炎性疾病,保護肝臟,及治療胃部疾病。日本沖繩更把薑黃作為奉獻給天皇的神聖貢品。AgriTalk「AI薑黃」的製程不但要符合藥食同源的飲食習慣,也能兼顧養生與食的安心。中華電信學院號召五星級飯店主廚朋友們投入「AI薑黃餐」菜色的研發,包含薑黃焗烤蝦、薑黃黃金球、薑黃PIZZA、燒肉薑黃飯等,其中以「黃金拿鐵」最受青睞歡迎,採用的獨特配方,讓薑黃、牛奶與多種特製材料以完美比例融合,入口綿密又順滑,是完全不含咖啡因的提神飲料,目前在中華電信學院參訓的學員都有機會喝的到。
我們將詳述AgriTalk的技術及商業運作模式。本文組織如下。第二節說明AgriTalk應用平台。第三節分析產業效應。第四節為結論。

AgriTalk應用平台

我們針對三方面敘述AgriTalk應用平台。

就農業大數據收集而言,為了準確進行AI分析並提供決策建議,關鍵除了完善的平台串聯,開發並提供高穩定度可信賴的感測設備也是關鍵技術之一,以確保獲得正確的數據進行AI訓練與建立。我們針對不同的場域規模及需求,開發不同種類的農業感測器,可監控的環境因子包含大氣中紫外線、照度、二氧化碳、大氣壓力、溫度、濕度,及土壤酸鹼值、溫度、濕度、EC值(圖5)。

田間感測器以工業規格的MCU為核心,搭配穩定與長距離傳輸的UART以及RS485介面來界接數十種環境Sensors。再利用能承受最大資料傳輸量的Ethernet介面,及時將所有Sensors的資料送到雲端進行智慧化的分析與處理。在智慧農業的應用中,QoFA可提供涵蓋了幾乎所有天氣(e.g., 風速、風向、雨量、溫度、濕度) 、環境(e.g., 照度、UV、IR、CO2濃度、大氣壓力) 、以及農業(e.g., 土壤濕度、土壤溫度、土壤EC、土壤PH、蟲害活動)相關的Sensors。

田間致動器提供了各個應用情境所需的控制模組。如同田間感測器一樣採用工業規格的MCU為核心,配置16路GPIO來控制16組繼電器,同時將搭配16組手動開關用以應付突發狀況。在智慧農業應用情境中,16組繼電器將再透過16組端子台來外接最多16組農業機具;包括幫浦、馬達、照明燈、補光燈、驅蟲燈、風扇等。未來可搭配應用平台、透過Ethernet來達到控制農田場域的機具、協助農民智慧化耕種,進而扭轉傳統產業人力缺乏的困境。

圖5 架設於實際農地之農業感測器設備以收集農場微環境數據

圖5 架設於實際農地之農業感測器設備以收集農場微環境數據

針對農業AI建立而言,本團隊已針對蟲害、病害與土壤肥力三大系統建立General model,再利用感測器所收集的數據進行各場域的AI校正與學習,透過transfer learning的方式,收集農場少量及關鍵的環境數據及病蟲害發生的數據便能從既有掌握的model轉換成該特定種類的病蟲害預測AI。同時採用監督式學習(supervised learning)方式,透過機器學習演算法學習農夫經驗,即時學習和調整內建農業AI,達到建立更符合特定土地與作物的AI 決策系統(圖6)。

圖6 農業AI建立的架構示意圖

圖6 農業AI建立的架構示意圖

針對農業決策系統之建立,在決策端的部分,則有相關農業控制模組設備開發(圖 7),以統一管理後端決策動作,並記錄於平台系統中,在建立農產品溯源系統上扮演重要的角色提供全程農業管理的記錄,且該記錄將達到透明且無法篡改的優點,以科技的方式提供溯源一個更有效率的方式。相關的感測設備及控制模組的開發以高效率、符合實用性及價格合理性為原則進行開發設計,針對技術上及使用者情景進行研發及精進,適用於戶外及室內設施農業,符合農業生產模式包含開放式耕作、溫室育苗等且其費用是農業管理者可負擔,降低科技農業的進入門檻。
AgriTalk可接到不同的智慧平台,包括SciKit-Learn、TesorFlow、廣達人工智慧雲端平台QOCA®AIC中華電信IoT大平台。

圖7 用於實際農地之農用控制模組

圖7 用於實際農地之農用控制模組

產業效益

AgriTalk的產業效益敘述如下:

.建立透明農業產品生產溯源,提高農產品價值:透過科技農業的導入,從農業自動化到農業智慧化系統的完整系統輸出,協助農企在管理上進行轉型,以導入更高效率且精準的管理方式,更全面地掌控農場環境的變化。除此,本技術系統也協助農業管理者清楚、透明且自動地記錄下農作物生產過程中的施作決策達到農作物生產履歷的建立,且可保證避免人為篡改,達到保障消費者的食品安全溯源的目標,提高所產生之農產品的價值

.精準管理,掌控農業生產上之成本:在精準農業管理下,農企管理者將有效率地減少農業施作上不必要的成本,例如透過病蟲害的預測系統可讓管理者在對的時間進行農藥的投放及透過土壤菌相預測系統,精準掌握肥料投放的時間點及量等。

.透過AI精準預測,降低農企風險:透過預測系統,農業管理者將可精準地掌握作物功效性成分的生合成效率,在種植過程中時確保作物獲得最佳的照顧管理,達到最終作物品質的保障,降低農企風險。除此,透過病蟲害預測系統,達到病蟲害提前預防,降低其可能導致的農損。透過AI預測提前掌握農場環境變化,同時搭配無毒農業的推行。透過AI提前預測病蟲的爆發時間,讓農企管理者得提前使用生物性製劑解決或減少病蟲害肆虐的問題,從而減少化學性製劑的使用,在生產作物的同時,保護環境,達到永續農業的目標。

接下來產業狀況比較分析。在AgriTalk公司成立前,農業AI場域往往有客製化問題,進行大數據收集,需耗費較長的時間在建立客製化專屬場域的AI預測模型。同時在科技農業起步發展的過程中,市面上既有的農業管理平台面臨無法整合前端遠端監控、分析至後端控制,統一管理的問題。大部分系統為只能擁有單一的控制系統,例如灌溉系統、施肥系統、空調設定等。AgriTalk透過廣達人工智慧技術量能及巨量數據分析技術,同時運用中華電信5G通訊服務,提升整體運算分析的效率。AgriTalk提供農業科技化中所需串聯之前端感測器、中端數據運算及後端控制設備的平台,讓農業監控系統執行的效率提升。同時,因平台可執行線上AI學習,將可把農業管理者的經驗導入AI訓練當中,以利建立客製化場域的AI。

就技術狀況而言, AgriTalk掌握各種生物相關生長模型,包含病害預測相關的孢子萌發速率模型、蟲害預測相關蟲體生活史模型、土壤微生物分佈生長模型。在建立相關AI模型時,透過導入生物實驗所產生之特定物種的growth model mechanism,創建了獨有的feature extraction model,這使得所建立的預測模型更為準確。已開發之病害預測包含稻熱病、花腐病、炭疽病,在病害爆發前提前告知農場管理者。已開發之土壤菌相預測系統針對薑黃作物,透過土壤微生物菌相預測系統結合功效性成分預測系統,利用農業智聯網平台,與農地施肥系統串聯起來,可掌握當下生產功效性成分的濃度,提供更完善施肥輔助,確保作物營養充足,促進作物有效成分生成。本農業系統已使用於薑黃農地,結果請參考圖8及圖9。開發生物製劑,在AI預測搭配使用之下,可在正確的時間噴灑無毒生物製劑,結果請參考圖10。

圖8 從植物生長狀況證明土壤菌相AI系統的效益。

圖8 從植物生長狀況證明土壤菌相AI系統的效益。

圖9 從植物功效性成分證明土壤菌相AI系統的效益。

圖9 從植物功效性成分證明土壤菌相AI系統的效益。

圖10 生物製劑功效證明。

圖10 生物製劑功效證明。

就營運模式而言,AgriTalk提供農業自動化系統服務及設備的銷售,包含農業用感測器、農業用控制模組、農業物聯網平台。收費包含農業監控硬體設備。AgriTalk提供客製化提供農業智慧化AI系統服務,包含病蟲害預測系統及土壤菌相預測系統,收費包含AI建立的費用及其維護費用。透過本AI系統,農業管理者得以用較科學化的方式掌握和管理農地,精準掌控作物的生長及產率。營運模式如圖11所示。

圖11 AgriTalk團隊營運模式中提供之自動化及智慧化系統服務。

圖11 AgriTalk團隊營運模式中提供之自動化及智慧化系統服務。

AgriTalk生產的薑黃粉由中華電信通路代理經銷,第一代產品如圖12所示。

圖12 AgriTalk薑黃粉產品。

圖12 AgriTalk薑黃粉產品。

結論

在落實智慧農業系統於商業運作,我們的科技農業解決方案AgriTalk將從農業自動化開始進行推廣,透過導入IoTtalk平台串聯實地農場的感測器收集農場微環境數據的同時達到遠端即時監控農場環境,更有效率地掌握農場環境的變化。進一步在農業智慧化推廣中,透過人工智慧雲端平台進行數據的收集供AI預測模型建立使用,建立起專屬農業場域的AI預測系統(符合戶外或溫室施作需求)輔助農業管理者更精準決策及管理。現階段的AgriTalk系統整合由廣達量產的工業等級田間物聯網設備QoFA,以中華電信的電信等級網路連接到其雲端機房,並可和廣達人工智慧雲端平台以及中華電信IoT大平台對接。

羅丹說: 「如果你明智地運用經驗,做任何事都不會浪費時間 (Nothing is a waste of time if you use the experience wisely)」。智慧農業就是如此。羅丹農場將老農的經驗轉換成人工智慧的預測,產生出AI薑黃。而沉思者則默默地守護羅丹農場,見證AI薑黃的成長。智慧農業應該大家一起來做,AgriTalk的技術也不應該敝帚自珍。我們將所有技術詳細公開在本論文,希望能為農業聊盡棉薄之力,能讓更多人為無毒有機農業打拼。

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