探究過程

器材及材料

模型主體:雙層亞加力膠箱(以穿孔膠板分隔上下兩層)

電路系統:micro:bit、IoT 擴展板、感應器(光度感應器、水位感應器、土壤濕度探測器、酸鹼度探測器、温濕度探測器)、LED 燈泡、潛水泵、透明塑膠水管、電線、電池盒、電池、太陽能板

實驗材料:種植土壤、植物幼苗、檸檬、小蘇打粉、水

探究過程

建構農場模型

為了模擬農場環境,我們設計並製作了一個農場模型,再在模型上裝置我們的「綠色智能灌概系統」。為了加有效收集農場中下滲的灌溉水,我們製作了一個雙層設計、無封頂的膠箱。無封頂是模擬農場開放的農田環境,讓植物可以充分吸收自然光。上層是種植區(農田)與電路系統(microl:bit)存放的空間,中間以分隔板區分。種植區鋪設了網袋,再於上面放置泥土,以防止泥沙掉落下層。兩層中間是一塊有大量孔洞的膠板,當泥土中的水份過多時,便可以通過膠板下滲到下層空間。下層則是儲水空間,期望當農田的土壤水份不足時,可以從下層抽水,為上層的植物灌溉。

圖 1:模型設計(剖面圖)

2:模型設計(立體圖)

圖 3:模型實物

編寫感應器的測試程式

要達到預期自動化和監察數據的效果,我們利用了 micro:bit 開發板作為我們系統的核心。在建立系統前,我們就各個不同的感應器的感測功能進行測試,以獲取數據調整編程,期望感應器能發揮我們需要的作用。

光度感應器

光度感應器用於感應農場環境的光線是否充足,如環境光度太低,便會啟動成長燈,讓植物得以在足夠強度的光下繼續生長,亦為農夫提供夜間工作時需要的照明。由於不同的植物需要不同光波波長、頻率或強度的成長燈,所以我們在模型當中以簡易的 LED 燈泡模擬智能開關的效果。

編寫程式後,我們會於不同光強度的環境進行感測,以了解光度感應器的讀數數值處於甚麼水平時,我們應該啟動 LED 燈泡。

圖 4:顯示光度感應器讀數的程式

水位感應器

水位感應器用於感應儲水箱內的儲水量是否足夠。如果水量不足,水泵便無法抽水進行灌溉,因此必須確保儲水箱內有足夠的水供應

編寫程式後,我們會首先記錄感應器完全脫離水體下的讀數數值;然後把感應器浸泡於水中,記錄讀數數值;最後把感應器從水體中抽離,在感應器表面仍帶有水的情況下,記錄讀數數值。通過這個測試,我們可以了解水位感應器的讀數數值處於甚麼水平時,micro:bit 應該向農夫發出提醒。

5:顯示水位感應器讀數的程式

土壤濕度探測

土壤濕度探測器用於感應土壤的濕潤度,用以決定是否需要為植物作灌溉。如果土壤的濕潤度不足,植物便無法從土壤中獲取足夠的水分,影響植物生長。

編寫程式後,我們會首先記錄探測器放置於乾燥土壤時的讀數數值,然後以每次加入同樣份量水的方式,記錄累計加入不同份量的水後,探測器的讀數數值變化。

6:顯示土壤濕度探測器讀數的程式

酸鹼度探測器

酸鹼度探測器用以感應儲水箱所儲存的水的酸鹼度,以決定是否提醒農夫應更換儲水箱內所儲存的水因酸鹼度探測器並不能直接從讀數中取得結果,因此我們參考了網絡上的素材,為酸鹼度探測器編寫相關程式(DFRobot,2019)。

7:顯示酸鹼度探測器讀數的程式

温濕度探測器

温濕度探測器用以提供農場的温度和濕度實時數據,供農夫作參考。我們只需要編寫程式,顯示所測得的温度和濕度值便可。

8:顯示温濕度探測器讀數的程式

物聯網

從以上的探測器獲得所需的數據後,我們便編寫 IoT 擴展板的程式使 micro:bit 連接至互聯網,並把所測得的數據包括光度、土壤濕潤度、水箱內所儲水的酸鹼度、環境温度和濕度傳送至互聯網。

9:以物聯網方式傳送感應器及探測器讀數的程式

測試紀錄及結果

在完成編寫不同感應器的測試程式後,我們便着手進行測試。以下是不同感應器的測試紀錄:

光度感應器

我們在不同光度的環境中進行觀察,並以光度感測器進行量度。

在幾乎全黑的房間中,micro:bit 仍讀得光度相對值為 35;而在一般室內燈光的環境下,micro:bit 讀得的光度相對值已達頂峰值(100)。故此,我們把啟動成長燈的條件設定為「光度相對值低於 50」,表示在較黑暗的環境時,智能成長燈便會自動啟動

表 1:光度感應器的測試結果

水位感應器

記錄了感應器處於不同狀態下的讀數變化。

當水位感應器放置空氣中,呈乾燥狀態時,讀數的數值達到頂峰值(1023)的讀數然後再把水位感應器浸泡於水中,水位感應器的讀數為 532;而當水位感應器從水體中抽離,表面仍有水滴時感應器的讀數逐步上升至 804。因此我們設定當水位感應器的讀數數值大於 800(即儲水箱水位未能浸沒水位感應器時)時,micro:bit 便會向農夫發出「LOW water level(儲水箱水位過低)」的提示訊息。

2水位感應器的測試結果

土壤濕度探測器

我們利用了種植區會使用的土壤進行濕潤度測試。在進行測試前,我們先將測試用的土壤鋪平並放在陽光充足的地方數天,讓土壤中的水分得以蒸發;然後把泥土放到量杯中,量度乾燥泥土的濕潤度。其後,我們再以每次灌溉 10 毫升水的方式量度濕度的變化。我們發現累積加水至 50 毫升時,讀數數值上升的量有所放緩,顯示土壤濕潤度催向飽和,觀察可見土壤亦呈非常濕潤的狀態。因此,我們設定當土壤濕度探測器所測得的讀數低於 900 時,micro:bit 便會控制水泵便會從儲水箱中抽水,為種植區的植物進行灌溉。

在眾多灌溉方式中,我們的模型選擇利用滴灌(從水泵抽水後,以穿孔水管的方式在農田上進行灌溉)的方式進行灌溉,因為這種灌溉方式可以節省灌溉用水量並減少鹽害(臺灣行政院農業委員會農田水利署,2022),有利植物生長的同時,亦能節約用水。

3:土壤濕度探測器的測試結果

酸鹼度探測器

我們把酸鹼度探測器置於不同的液體中,以確認探測器能獲取相對準確的酸鹼度。在每次探測前,我們會以蒸餾水清洗探測器,以確認探測器不會受上次探測的殘餘液體影響其讀數。

我們分別在檸檬原汁、蒸餾水及蘇打粉溶液中進行測試。這三種溶液分別是生活中常見的酸性、中性和鹼性溶液,我們也在測試過程中得到預期的結果。

因為灌溉用水的酸鹼度會直接影響植物的生長狀態,所以我們應該要控制水的酸鹼值於 5.5 至 7 之間,這個範圍內的灌溉用水亦可以達到保持養分平衡、防止灌溉水在灌溉設備中形成水垢等(澳洲新南威爾斯州政府初級生產部,2011)。如果儲水箱內的水酸鹼度測得低於 5.5 或高於 7 時,micro:bit 便會向農夫發出提示,提醒農夫更換儲水箱內的水。


4酸鹼度探測器的測試結果

温濕度探測器

我們把温濕度探測器所測得的數值與氣温計及濕度計作比較,得出的結果大致相若。

5温濕度探測器的測試結果

最終程式設計

10最終程式設計

實作測試及物聯網

確認各個感應器和探測器能正常運作後,我們把整個電路系統安裝於模型中,並透過 IoT 擴展板連接互聯網,把各個探測器的數據傳送至互聯網上。農夫可以透過互聯網取得各個感應器和探測器的實時數據。

除實時數據外,如有需要向農夫作警示時,包括儲水箱的水位過低或儲水箱內的水酸鹼值異常(低於 5.5 或高於 7 時),也會在網頁上出現警示,提醒農夫盡快前往農田處理問題。

情形如下圖所示:

圖 11:透過互聯網監察模型的實時數據的頁面截圖

按此進入數據監察網頁

參考資料

  1. DFRobot(2019):《Calibrating an Analog pH Sensor (with Linear Algebra) 》[Youtube],蒐集日期:2022 年 6 月 24 日。

  2. 澳洲新南威爾斯州政府初級生產部2011):《灌溉水質》,蒐集日期:2022 年 622 日。

  3. 臺灣行政院農業委員會農田水利署(2022):灌溉方法分類》,蒐集日期:2022 年 6 月 22 日。