人工邊坡監測器

根據中華民國大地工程學會-山坡地監測準則(2016)建議，山坡地監測 儀器種類繁多，包括量測氣候、水文、邊坡位移及構造物應力或變形等各 類儀器。其量測所得之物理量不同，於不同型態邊坡災害之適用性亦有所 不同，監測系統規劃時應根據研判之可能災害類型加以選擇。

監測儀器設備的選擇，應單純而不複雜、能在所埋置的監測環境中有 最好的耐久性、對氣候溫度、溼度的變化有最小的敏感性、材料零件不致 因施工機具、水、塵土或其他化學作用之影響，依然能夠正常運作等之特 性者為佳。相同監測儀器種類，其精度、重複性、量測範圍、適用溫度等 可能有所差異。監測系統設計者應先依據山坡地之特性，研判山坡地環境 及待測物理量可能分布範圍，據以選擇最適之儀器規格。而對於採自動監 測之電子式儀器，亦需考量感測器、資料擷取設備、資料傳輸設備之耗電 量。

如邊坡發生不穩定時，將使得構築於邊坡上之構造物應力改變、變形 或傾斜，因此可加以監測，研判邊坡之穩定性。

在前期計畫(108 年)中，研發並於坡地社區現場設置了整合型感測器(圖 2.2-1 與圖 2.2-2)，其配置可依照監測項目所需之感測器以及通訊器材所需 之天線形式進行調整，以安全簡約為原則，感測器也採用各界長年運用於 邊坡安全監測，降低建置成本供一般坡地社區可接受，更重要的是技術以 及穩定性有較佳的表現，測試成果看來相當可行。

圖 2.2-1 現場監測設備裝設完畢後照片

雙軸傾斜儀 雨量計

荷重計

圖 2.2-2 現場監測儀器裝設完畢後照片 以下針對本計畫設置之感測器進行簡要說明：

1. 構造物傾斜計(Tiltmeter)：安裝於擋土構造物或建物之表面，用以監測 擋土牆或建築結構體，因邊坡變位導致構造物產生之傾斜變化情形。構

2. 裂縫計(Crackmeter)：安裝於構造物之裂縫二端，以監測裂縫寬度變化。

裂縫計型式可分為機械式及電子式二類型。

3. 水分計：以電容式水分感測器為例，此型感測器由三個電極所組成，其 功能就像是一個電容器。量測時插入土壤中，四周土壤形同電介質，利 用振盪器去驅動電容器產生一個正比於土壤介電常數的訊號。由於水的 介電常數大於土壤礦物質及有機質，因此含水量的變化可透過感測電路 進行立即性的偵測。量測之單位為體積含水量VWC(%)(Volumetric Water Content)，VWC代表一定體積的土壤中水與土壤的體積比(%)，在飽和狀 態下相當於土壤孔隙所佔的百分率。此型感測器使用簡便，不需要太多 維護工作，配合記錄器能長期監測、記錄土壤水分變動的趨勢。

天線

水壓計

4. 雨量計：雨量為目前國內邊坡防災預警工作中，最容易取得之管理值， 為±0.01 (±2 arc sec)，如圖2.2-5所示，而量測成果如圖2.2-6所示。

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圖 2.2-5 定置型傾斜儀

圖 2.2-6 自動量測傾度管紀錄

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隨著資訊及通訊技術(Information and Communication; ICT)的發展，無 線監測網域(Wireless Sensor Network；WSN)，指在場域內分散佈建特殊功 能的感應及傳輸元件，用來監測和記錄環境的現況資訊，並將資料透過通 訊技術蒐集到遠端伺服器來進行分析、判斷及反應，一直都是國內外相關 產官學研界積極投入研究發展的領域，早期希望各種監測設備所蒐集之資 訊能透過不同的無線平台傳輸，如 Zigbee、WiFi、2G、3G 或 4G 等，但多 受到傳輸距離、消耗電力及傳輸費用之限制，而無法在廣大的區域來佈建。

近 2~3 年來，新發展的低耗能長距離廣域無線網路技術( Low Power Wide Area Network；LPWAN)如圖 2.3-1，包含 LoRa、Sigfox、NB-IoT、

Weightless 等無線通信技術皆已逐漸成熟，全球的物聯網與通訊廠商也積極 廣設各種跨域或獨立的 LPWAN 基地台，將長距離、高覆蓋率、低功耗、

低成本優勢與高端傳感器和智慧裝置結合，開始提供相關創新服務。因此，

如能透過此新一代 IoT 通訊技術加以實證，將可大幅擴展物聯網的應用情 境，包含應用於各種生活需求，改善生活環境。

圖 2.3-1 LPWAN 廣域物聯網服務之願景模擬 (資料來源：本團隊整理) 本計畫主持人郭治平於 2018 年執行水保局委託之「長距離低功耗廣域 網路連結物聯網於監測資料傳遞應用上最佳化配置研發」，探討 LoRa 在坡 地監測之適用性，並以 RSSI(接收訊號強度指數)、SNR(訊號雜訊比)、資料 漏失率與耗電量關係進行評估。實驗場址包括南投縣信義鄉神木村土石流 觀測站與宜蘭縣大同鄉四季聚落絕大部分點位可獲得穩定好通訊效果。結

果發現：(1)本次研究實驗成果中，資料漏失率絕大多數於 5%以內，研判為 受環境干擾所致；(2)因 LoRaWAN 資料傳輸至雲端之品質受制於與基地台 間之通訊，部分無法即時上傳之資料仍需仰賴當地儲存於如記憶卡之媒 體，並於事件後取出；(3)在通訊路徑上有 1M 厚之混凝土塊障礙物時，仍 有良好通訊品質；(4)在空曠處至少可達 2.5KM 之通訊效果，但需有提供反 射訊號之地形為佳；(5)LoRa 耗電量極低，僅約 0.005W，已於本階段進行 壓力測試。以 5 秒 1 次的監測頻率，約 6.8 天從 3.34V 掉到 2.50V，因保護 作用而關機。反推一般通訊頻率約 10 分鐘一次，則電力滿載後開始服務約 可持續 816 天。上述成果說明，雖然 LoRa 於國外文獻號稱傳輸距離可達 15~20KM，但在國內複雜之地形與訊號干擾條件下，仍須謹慎採用；然而 若將地形障礙、訊號干擾因素排除，將可大量省下通訊用電。摘錄施作狀 況與成果，分別如圖 2.3-2~2.3-3 與表 2.3-1~2.3-2 所示。

圖 2.3-2 於南投縣信義鄉神木村土石流觀測站進行 LoRa 傳輸試驗狀況(水保局 2018)

R

T

T R

Ground

T

R

R

T

Ground

點位 施測距離(m) 通視性 RSSI(dBm) 實收資料數 漏失率(%)

SI-1 SI-2

SI-4

104.10.10 攝於宜蘭縣四季 SI2 (LORA 接收端)

孔號(位置) 與LORA-B直線距離(m) 晴天成功率 陰天成功率 雨天成功率 小雨成功率 大霧成功率

SI1 360 71.79% 75.68% 76.12% 90.91%

SI2、R 440 83.15% 100.00% 100%

SI3 440 87.88% 81.09% 100% 100%

SI4 290 100.00% 100.00% 100%

SI5 30 100.00% 100.00% 100.00%

SI6 90 100.00% 100.00%

SI7 90 95.24% 100.00% 100.00%

SI9 50 100.00% 100.00%

SI10 145 100.00% 100.00%

SI11 310 96.88%

SI12 310 100.00% 100.00%

TI1 550 100.00% 100.00% 100%

平均 94.13% 95.66% 100.00% 93.41% 96.87%

本計畫共同主持人鄧福宸博士於 2018 年執行建研所委託之「山坡地社 區智慧防災系統精進－人工邊坡智能感測器研發與雲端系統擴充應用」，

採用 Weightless 提供低功耗廣域網的無線連接技術，傳輸人工邊坡智能感 測器至雲端系統，於位於臺北市文山區明興里之山坡地社區中的兩處人工 邊坡進行試驗。圖 2.3-4 為施作場址狀況，顯示傳輸路徑受地形與高層結構 物阻礙狀況下仍可順利傳輸。實際上 Weightless 已廣為應用於都會區之精 密廠房中，由於首次應用於野外，從建置至今已經遭遇各種不同之問題，

TX-A TX-B

RX

圖 2.3-5 訊號傳輸示意圖

圖 2.3-6 山坡地社區(資料來源：鏡傳媒)

監測 器

接收站

壹、低耗能長距離廣域無線網路技術(Low Power Wide Nrea Network, LPWAN)

對應於物聯網時代大量數據傳輸需求之應用情境，低耗能長距離廣域 無線網路系統(Low Power Wide Area Network, LPWAN)即為近年物聯網新 發展的重點技術之一，現今已廣泛應用在智慧工廠、城市、社區、農漁牧 業等領域。本團隊歸納主要具備以下 5 大優勢如圖 2.3-7，且與其他無線技 術比較如圖 2.3-8。

1. 低成本：適合大量應用，減少期初建置與營運成本。

2. 大範圍：無需繁複的基礎建設，具更強的穿透力與更遠的傳輸距離。

3. 低耗電：減少電池能量消耗，以增加裝置或感測器的使用時間。

4. 非授權頻率：適用於全球各個國家的佈建。

5. 頻寬費低：使用頻寬通訊費低廉。

圖 2.3-7 LPWAN 廣域物聯網路之優勢及 IoT 頻譜分析 (資料來源：本團隊整理)

為因應物聯網裝置省電、長距離傳輸資料的需求，LPWAN 以提供可 靠的網路傳輸功能，將裝置蒐集來的資訊整合到物聯網的資料管理中心，

可說是當前最具體萬物聯網的實現。本計畫列舉 LoRa、Sigfox 及 Weightless 等三項 LPWAN 發展之主要技術說明如下:

LoRa

LoRa 為美國半導體製造商 Semtech 於 2012 年併購擁有 LoRa IP 的法 國公司 Cycleo，開始整合無線通訊技術平台，並依此基礎與 IBM 共同合作 完成規範，目前由 Semtech、IBM、Cisco 等科技大廠為核心組成低功率無 線電聯盟(LoRa Alliance)來推動其相關技術發展，在全球擁有 500 多家公司 會員，屬當前受物聯網產業支持的 LPWAN 技術之一，也是物聯網時代最 需要的基礎網路。

LoRaWAN 是用來定義網路的通訊協議和系統架構，LoRa 則是提供長 距離通訊連結的實體無線層。LoRaWAN 協議和網路架構會直接影響節點 的電池壽命、網路容量、服務品質、安全性和各種網路應用。LoRa 是將資 料調變成電磁波的技術，使用的傳輸方法稱為「線性調頻展頻技術」(Chirp Spread Spectrum)，主要是為解決物聯網大量連接無線通訊需求、工作在 1GHz 以下非授權頻譜的私有低功耗廣域接入網路技術。相關 LoRaWAN 物 (Unlicensed Band)頻譜。LoRaWAN 基地台如圖 2.3-9 所示。

(2) LoRaWAN 使用較低及較寬的射頻頻率

頻率範圍更寬的事實也帶有更多國家特定的限制，ISM 頻譜的使用頻 段和法規要求因使用國家區域而有所不同，常見的兩種頻率分別是歐盟用 的 868MHz 與美國的 915MHz。雖然 LoRaWAN 試圖在世界各個不同的地

區儘可能一致，但國情不同、規定不同也促使 LoRaWAN 得以在不同區域 採用不同的頻帶。

(3) 台灣頻段 AS 923 920~925MHz

台灣國家通訊傳播委員會(NCC)規劃將無線射頻辨識(RFID)器材操作 頻段由 922∼928MHz 修正為 920∼928MHz，並增訂低功率廣域物聯網器材 (920∼925MHz)、以及低功率海上活動示標器(926∼928MHz)的使用規定，

其頻段的規格與美國相同，不同之處在於其上行頻率高於美國頻段，其下 行鏈路信道與 US902~928 MHz 頻段相同。

圖 2.3-9 LoRaWAN 基地台規格特色

SIGFOX

透過 Sigfox 超窄頻傳輸技術(Ultra Narrow Band)，與 LoRa 同樣在免執 照 Sub-Ghz ISM 頻段上傳輸，取代蜂窩通訊技術(cellular technology)，雖然 採用非授權頻譜，但是需要仰賴廠商搭建的基地台，如此一來便能在成本 與通訊品質上取得平衡，此外也提供 SIGFOXCloud 雲端系統整合服務，能 夠降低使用者開發程式、存取資料的複雜度。服務架構圖如圖 2.3-10。

相較於其他 LPWAN 技術，Sigfox 是傳輸速率最低的技術，速度僅 100bits/s，且每個裝置一天最多只能傳送 140 則訊息，每則訊息最大的容量

相較於其他 LPWAN 技術，Sigfox 是傳輸速率最低的技術，速度僅 100bits/s，且每個裝置一天最多只能傳送 140 則訊息，每則訊息最大的容量