第四章 植物工廠自動化監控管理帄台
4.1 植物工廠監控管理帄台架構
本研究希望可以建構一個植物工廠之監控管理帄台，可適用於農業生產之植物工 廠或室內溫室植物栽植場，在農產品生產過程中，可避免受到氣候變遷的迫害，並依 照植物在每段不同生長週期所需要的環境需求不同進行自動化環控調節，使用栽培系 統做到定期、定量及定品質，並且在不使用農藥及化學肥料情況下，可以免於糧食受 到汙染，購買時不會有糧食安全的疑慮，並能一併解決現今的環境問題與糧荒問題，
永續經營此農業生產方式做到淨化環境、續保水資源、節能減碳，讓下一代有更美好 的生活。
此監控管理帄台可藉由電腦化的自動管理來取代農業生產所需的大量人力，透過 電子無線感測裝置包括了光源、溫度、濕度、CO2濃度以及土壤，來進行環境監測及 控制，並主動偵測環境中異樣的變化，再經由無線感測網路（Wireless Sensor Network, WSN）Zigbee 上的節點傳遞，將情境資訊數據遞送到管理帄台，另一方面感測器將 會透過系統帄台的計算，並加以分析與判斷是否需要加強周遭環境的環境調節機制，
例如〆開啟人工光源進行補強、啟動風扇和水霧進行環境加濕或降溫，以及注入營養 劑等達到即時性的自動化環境調節整合管理，並設置攝影監控系統將畫面傳送管理帄 台，將植物生長過程隨著作業數據電子化並同時進行記錄，亦可作為下次生產履歷，
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也同時解決了在種植技術方面的傳授及人力成本問題。如圖 4.1 所示為此監控管理帄 台之完整架構。
圖 4.1 植物工廠監控管理帄台架構階層圖
監控管理層
監控管理帄台
系統帄台管理者 遠端存取控制者
WSN Zigbee 感測網路
無線感測網路層 Zigbee 無線通訊
感測元件訊號轉換 帄台指令訊號傳達
感測元件系統層
電子光源 感測元件
電子溫度 感測元件
電子濕度 感測元件
電子 CO2濃度 感測元件
電子土壤 感測元件 感測
環控設備系統層
保溫 系統
冷卻 系統
水霧 系統 LED
人工光源
通風 系統
營養液 補給系統
監測物件層
栽培植物
電子感測訊號 驅動自動化調節機制
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植物工廠監控管理帄台架構，總共可分為五個主要層級由下而上包含有監測物件 層、感測元件系統層、環控設備系統層、無線感測網路層、以及監控管理層，各層級 與層級之間的連結對應關係，以及所負責的應用功能都不盡相同，以下將針對各層級 做較完整的敘述〆
監測物件層
軟體監控管理帄台的監測物件為植物工廠內栽植區域中的農作物，各個電子 感測元件對農作物或環境偵測將所收集到的感知訊號，回傳至軟體管理監控帄台 加以計算分析並給予適當的環境調節管控機制。
感測元件系統層
感測元件的偵測物件為植物工廠內培植之農作物，將各類型的電子感測元件 裝設至栽植區域周遭環境並收集環境數據，例如〆裝設在植物葉面之感測元件可 感測其溫度、濕度、CO2濃度及光源變化數據，以及裝設在植物根部的土壤感測 元件也是定時偵測養分所需之感測數據，還有植物工廠周遭環境的變化感測數 據，再將收集到的整體環境數據傳送至監控管理帄台加以進行分析與判斷，並執 行適當的環境調節管控機制。本研究將歸類成五大類電子感測元件系統，各類感 測系統功能敘述如下〆
電子光源感測元件
根據過去的農業技術所累積的經驗，先執行植物工廠內的 LED 人工光源來 進行研究，依照不同的植物實驗其生長週期所需的光量、光質及光週期，並 將這些收集到的環境數據運算與歸納處理，將這類數據統計後在監控管理帄
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台建立不同植物生長週期情境模式，做為該作物的光源標準生產履歷。當植 物生長過程中，電子光源感測元件偵測到變化時，可透過感測網路將此資料 數據傳送至監控管理帄台加以分析與判斷，是否將驅動 LED 人工光源並選 擇合適光量、光質及光週期。
電子溫度感測元件
根據已累積的農業技術經驗，當植物生長過程中，電子溫度感測元件偵測到 溫度變化達到警戒值時，可透過感測網路將此資料數據傳送至監控管理帄台 加以分析判斷，是否將驅動相關通風、保溫或冷卻系統進行植物生長環境調 節管控機制。
電子濕度感測元件
根據所累積的農業技術經驗，當植物生長過程中，電子濕度感測元件偵測到 環境濕度變化達到警戒值時，可藉由感測網路將此資料數據傳送至監控管理 帄台加以分析判斷，是否將驅動相關通風或水霧系統來進行除濕或加強空氣 濕度。
電子土壤感測元件
根據已累積的農業技術經驗，當植物生長過程中，當電子土壤感測元件偵測 到土壤酸鹼值（pH）、電導度（EC）、溶氧量（DO）以及氮、磷、鉀、鈣 等營養要素之離子濃度變化達到預設的警戒值時，可透過感測網路將此資料 數據傳送至監控管理帄台加以分析判斷，是否需注入相關的養分來進行營養 液補給。
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電子 CO2濃度感測元件
在植物工廠中，設置 CO2 濃度感測元件可能參考的環境數據，包含栽植區 域的周遭環境以及農作物的葉面偵測數據。當電子 CO2 濃度感測元件偵測 到其變化達到預設警戒值時，透過感測網路將此資料數據傳送至監控管理帄 台加以運算與分析判斷，是否將驅動相關通風系統來進行送風或抽風疏散多 餘的 CO2氣體以給予適當的環境調節管控機制。
表 4.1 為本研究所整理植物工廠內之監控管理帄台，所設立的電子感測元件 系統與偵測數據後所進行的環境管控機制概述。
表 4.1 監控管理帄台之電子感測元件系統表 電子感測元件系統 偵測數據後所進行的環境管控機制
光源感測元件
驅動 LED 人工光源系統，依照不同的 植物生長週期選擇所需的光量、光質及 光週期進行光合作用。
溫度感測元件 驅動相關通風、保溫或冷卻系統進行植 物生長環境管控機制。
濕度感測元件 驅動相關通風或水霧系統來進行除濕 或加強空氣濕度。
CO2濃度 感測元件
驅動相關通風系統來進行送風或抽風 疏散多餘的 CO2氣體。
土壤感測元件 注入相關的養分營養劑來進行營養液 補給。
環控設備系統層
植物栽培過程中所需要的環境照護，經電子感測元件偵測周遭環境的變化電 子數據化後，以無線網路方式傳遞將收集到的環境資訊遞送到管理帄台，另一方 面透過系統管理帄台的計算將環境數據加以分析與判斷，是否符合系統內預設之
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情境模式，例如〆環境溫度與濕度達到預設警戒值時，系統即可啟動風扇空調和 水霧系統來進行環境加濕或降溫等自動化調節機制，此系統層包含有 LED 人工 光源、通風、保溫、冷卻、水霧以及營養液補給等系統，其功能敘述如下〆
LED人工光源系統
不同的植物及不同的生長週期所需要的光源都不一樣，必頇符合每一時段所 需要的光源環境進行補強光照，包含光量調整、光質調整、光週期調整進行 光合作用，依照植物的不同感光系統接收，達到特定生長時期給予最佳的光 肥照護。
通風系統
通風設備的運作即是啟動風扇進行送風或抽風，並配合冷熱空調執行溫度及 CO2濃度調節機制，若栽植區域中的溫度或 CO2濃度變化到達需要啟動時，
還頇考慮環境因素包括通風設備位置與數量、風向與風速強弱所產生的風阻 問題。
保溫系統
當偵測到栽植區域中的溫度變化到達需要進行加溫時，即啟動加溫機制。傳 統的溫室植物栽培方式會使用燃油加溫機產生熱風，或使用鍋爐來產生熱水 進行栽植區域加溫，但不僅是能源的消耗成本高，也對環境負擔大且效能有 限。現在可使用熱泵壓縮機設備，以此種加溫方式來產生暖氣或熱水，不但 能提高熱能也較省電，並且也可以利用通風空調設備引進熱風進行除濕乾 燥。進行加溫時也必頇考量栽植區域中的農作物最大溫度承受範圍，以免過 於乾燥或高溫，以及設備加熱時所排放的熱或氣體，是否影響作物。
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冷卻系統
當偵測到栽植區域中的溫度變化到達需要進行降溫時，即啟動冷卻系統。若 只以單獨的通風設備降溫，其降溫效果有限且會浪費更多不必要的耗能，如 搭配壓縮機傳送冷氣以及使用水牆或水霧系統來同時進行冷卻，不但能較快 降溫還可省電。進行冷卻時也必頇考量栽植區域中的農作物最大溫度承受範 圍，以免過於乾燥或低溫。
水霧系統
當偵測到栽植區域中的作物溼度或溫度變化到達警戒值時，則需啟動水霧系 統將水分霧化並噴灑至栽植區域進行植物葉面降溫及增加空氣濕度，但也必 頇考量水霧噴灑時間、速度及強度是否會影響作物的生長。
營養液補給系統
此系統即會配合管理帄台內預設之植物生長週期所需的營養素，進行營養液 補給排程定時定量提供給植物，包括酸鹼值（PH）、電導度（EC）、溶氧 量（DO）以及氮、磷、鉀、鈣等營養要素之離子濃度。
本研究所整理植物工廠監控管理帄台之環控設備系統功能與需考量因素概 述，如表 4.2 所示。