無線土層監測模組 無線土層監測模組 無線土層監測模組 無線土層監測模組

本計畫自主研發無線土層監測模組，依據用途不同可搭配不同感 測元件，如淺層滑動監測模組即不須地下水位監測，飽和層滑動除地 下水位外，亦可加入分層含水量及傾角量測。透過電池與太陽能充電 模組為系統提供電力，以供野外進行模組布設並可維持太陽照度不足 時之電源持續運轉系統。而無線土層監測模組，以 MCU 搭配傾斜晶 片、含水量計與無線傳輸等模組可定時將數據傳送至廣域網路，即時 感測(real-time monitoring)推送監測數據至雲端，監測模組之架設相對 傳統監測簡單、便宜與節省人力。

3.4.1 無線土層監測模組無線土層監測模組無線土層監測模組無線土層監測模組

無線土層監測模組係由微控制器、無線傳輸模組、時鐘與數據儲 存模組、電源系統及感測器結合而成，本研究使用萬用電路板做為模 組底座，其上以排針母座連結各模組，使用排針母座之優點為模組的 連接方式都為可插拔式，易插拔以便於之後的維護。土層監測模組依 其具備之硬體與功能分成(1)伺服器端、(2)客戶端，關於兩者說明如下:

(1) 伺服器端

於 LoRa 建構之無線網路中負責接收客戶端發送之監測資料，因配 有 WCDMA(3G)無線通訊模組，具有和遠端伺服器連線之功能，其微 處理器根據接收到之資料格式將其拆解並儲存於變數後，視使用者所 需可儲存於紀錄卡，並將監測數據根據節點編號上傳至遠端伺服器，

為遠端人員和現地監測情況之溝通橋樑，土層監測模組伺服器端之完 成品及其系統組成如圖 3.24。

(2) 客戶端

本計畫使用之客戶端又分成雨量計、含水量與液位計以及純液位 計，除監測對象不同之外，皆於 LoRa 建構之無線網路中負責對伺服器 端發送量測資料，量測資料皆已透過微處理器進行校正係數之率定，

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圖圖 3.24 伺服器端伺服器端伺服器端伺服器端

其發送之量測資料包括降雨量、土壤分層含水量、溫度以及土層監測 模組之傾斜角以及地下水位高程，並附上節點編號供伺服器端辨識訊 號來源。為避免因不可抗力之因素斷訊，致使與伺服器端之連線中斷，

客戶端同時備有 SD 紀錄卡作監測數據紀錄，確保數據分析之完整性，

土層監測模組客戶端之完成品及其系統組成如圖 3.25 和圖 3.26。

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圖 3.25 客戶端客戶端客戶端客戶端–雨量計雨量計雨量計 雨量計

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圖 3.26 客戶端客戶端客戶端–土層監測客戶端 土層監測土層監測土層監測 3.4.2 系統程式流程系統程式流程系統程式流程系統程式流程

微處理器之程式流程依照時間軸大致分成: (1)伺服器端系統啟始 及喚醒客戶端、(2)指定客戶端、(3)感測器與 RTC 資料讀取、(4)SD 卡 資料寫入以及(5)無線傳輸，以下就各部分詳細說明，圖 3.27 為模組韌 體流程圖。程式流程說明如下:

1. 伺服器端系統啟始及喚醒客戶端：利用 MCU 內建之 Timer 到 達指定時間後發送脈波至觸發腳位，使 MCU 從睡眠模式中被 喚醒，伺服器端系統啟動後，則由伺服器端向客戶端發送喚醒 碼，利用 Lora 模組 AUX 腳位在低功耗模式中接收喚醒碼可發 送脈波觸發 MCU 從睡眠模式中被喚醒。

2. 指定客戶端：客戶端從睡眠模式中喚醒後，進入待機模式，待 伺服器端發送指定碼，每個客戶端皆有其唯一指定碼，收到指 定碼後，客戶端即進行感測器與 RTC 資料讀取。

3. 感測器與 RTC 資料讀取：土壤淺層與飽和層含水量之 I²C 設備 位址分別設置為於特定位址，透過暫存器讀取電容感測值以及 溫度感測值，並透過率定係數轉換成體積含水量與真實溫度。

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圖 3.27 韌體流程圖韌體流程圖韌體流程圖韌體流程圖

傾斜儀與 MCU 以 SPI 介面傳輸，晶片選擇線接於 MCU，其低 電位為有效，傾斜角度經類比電壓率定係數校正後輸出。再將

所有數據依節點編號、傾斜角、淺層土壤體積含水量、淺層土 壤溫度、深層土壤體積含水量、深層土壤溫度、地下水位高程 及模組電壓存入字串 datastring 供後續處理使用。DS1307 之讀 取時間函式將年、月、日、時、分、秒等時間資訊分別儲存於 變 數 ， 為 簡 化 日 後 數 據 處 理 之 流 程 ， 將 時 間 變 數 以 格 式 yyyy/mm/dd hr:min 存入字串 datatime 中以供後續處理使用。

4. SD 卡資料寫入: SD 卡模組之晶片選擇線接於 MCU，由 MCU 輸出低電位以選擇該 SPI 設備。建立 *.txt 後將 datatime 與 datastring 存入。

5. 無線傳輸: LoRa 模組於安裝前經過設定統一其通信頻率，MCU 將資料以字串格式(檢查碼, datasting)透過一組序列線輸出給 LoRa，LoRa 間之資料無線傳輸將自動通透至伺服器端，其中 檢查碼作為伺服器端擷取並拆解資料的起點，數據發送結束後 伺服器端對客戶端發送睡眠指定後進入睡眠模式，客戶端收到 指定後才進入睡眠模式，等候下一運作週期。

3.4.3 系統硬體架構系統硬體架構系統硬體架構系統硬體架構

土層監測系統外構設計(圖 3.28)可大致分為五部分，各部件詳述如 下：

1. 核心防水盒：以市售電子防水盒加工而成，上下蓋具有 O 型環 與溝槽，以螺絲旋緊後具有防水功能，防水盒下方開孔並透過 3D 列印之底座與 PVC 管黏合後可連接含水量計外構。內含土 層監測模組，18650 鋰電池組、供電控制器、外接天線及太陽 能板之防水電子盒，其內部配置如圖 3.29。核心防水盒開孔以 裝設耐候型天線，透過 SMA 接頭與無線傳輸模組連結，並以 矽膠封填天線與盒間縫隙。

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圖 3.28 土層監測模組外構土層監測模組外構土層監測模組外構土層監測模組外構

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圖 3.29 防水電子合內部配置防水電子合內部配置防水電子合內部配置防水電子合內部配置 (左左左左:伺服器端伺服器端伺服器端伺服器端，，，右，右右:客戶端右 客戶端客戶端) 客戶端

2. 含水量計外構：可裝設一只含水量計之桿件外構如圖 3.30，並 可透過 PVC 管依需求數量進行串聯，以延伸至預計裝設之土 層深度。本研究以兩只含水量計作串聯，並延伸至地下深度分

別為 25 公分以及 60 公分。含水量計外構將水分計之電容感測 區塊暴露於外，以直接接觸待測土壤以量測土壤含水量，含水 量計之接線處與元件位置則置入後方空間，並以電子膠封裝使 其防水與絕緣，訊號線亦採用防水耐候型外披覆電子訊號線，

殼層以 3D 列印製作以降低成本。

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圖 3.30 含水量計外構含水量計外構含水量計外構含水量計外構

3. 雨量計支架：以角鋼交疊形成一平面以放置雨量計，將平面鎖 至四根角鋼上，再將角鋼敲入泥土以固定雨量計(圖 3.31)。

4. 太陽能板支架(圖 3.32)：本研究採用 10W 及 20W 太陽能板以 提升模組續航力，並可視土層監測模組之耗電情況作太陽能板 輸出功率的增減。

5. 水位計夾具(圖 3.33)：以角鋼與螺絲螺帽組成，夾住液位計之 電線以固定液位計維持固定深度。

圖圖圖圖 3.31 雨量計支架雨量計支架雨量計支架 雨量計支架

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圖圖 3.32 太陽能板支架太陽能板支架太陽能板支架太陽能板支架

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圖圖 3.33 水位計夾具水位計夾具水位計夾具水位計夾具