中華大學

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中華大學碩士論文

適用於植物工廠之無線感測監控管理帄台研究與實作

The Research and Implementation on Monitoring Management Platform based on WSN for Plant Factory

系所別〆資訊管理學系碩士班學號姓名〆E09710006 林雅慧指導教授〆吳美玉博士

中華民國 100 年 8 月

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摘要

近年來，因人類的過度開發與經濟需求造成環境污染、溫室氣體的排放及資源耗竭等問題，這些人為因素促使地球暖化現象日趨嚴重，不僅造成大氣溫度上升，大氣層的氣流及雲層也可能受到影響，改變我們原本的氣候與環境。近年來世界各地陸續發生嚴重的極端氣候及環境變遷，造成持續乾旱、豪雨及氣溫懸殊落差等天然災害。

根據研究地球暖化會使土地沙化，及降雨量減少使得旱情加重，同時也加劇了淡水缺乏的危機，再加上全球人口持續成長，可使用的水資源耗損及汙染嚴重，也造成了食物汙染，使得人類產生了更多未知的病變影響健康。這些環境變遷、糧食危機及水資源問題早已成為國際間極重要的課題。造就目前農業新的概念發展，提倡透過可在室內大量生產經濟作物的植物工廠，以克服氣候變遷、環境汙染及資源耗損衝擊所帶來的影響。

本研究提出一個可適用於植物工廠之監控管理帄台，可藉由電腦化的自動管理來取代人力，透過感測技術來進行環境監測及控制，以無線感測網路（Wireless Sensor Network, WSN）Zigbee 之無線傳輸方式為短距離網狀佈線傳輸方式為基礎，整合感測技術元件建立自動化管理帄台，可針對植物生長週期所需要的環境進行調節機制，

其中包括光源、溫度、濕度、CO2濃度及土壤等控制管理，將感測資訊傳送至系統進行自動調節維護作業，亦可設置攝影監控系統將畫面傳送管理帄台，並可隨著作業將植物生長數據電子化並進行自動記錄，同時也解決了在種植技術方面之經驗累積及人力成本問題，並且做到節能減碳的成效。

關鍵字〆無線感測網路、Zigbee、植物工廠

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Abstract

In recent years, the phenomenon of global warming is increasingly serious and resulted from human factors such as excessive development of human, environmental pollution, gas emissions and depletion of natural resources. According to researches, global warming leads to desertification, drought, reduction of rainfall and the lack of fresh water crisis. Due to continually growing of global population, available resource is depleted and the pollution of water and food is serious. The extreme environmental changing, the food crisis and the water resources have become an important issue in international. Today, one of new concepts about agricultural development is called “Plant Factory” which could produce mass economic value plant. Furthermore, the plant factory could overcome effect of change of climate, environmental contamination and resource depletion.

This study proposes a monitoring management platform for plant factory. The platform adopts automatic management to replace the man power by the sensor technologies to monitor and control environment. Moreover, it is based on Wireless Sensor Network (WSN), Zigbee-based wireless transmission, and integrating components of sensor technology to establish automatic management platform. According to the need of plant‟s growth cycle, include the lighting, temperature, humidity, CO2 concentration and soil. All related information will be delivered to the system for automatic adjustment of maintenance jobs. In addition, manager also can set up camera to transfer picture to the management platform, and the platform can be set up to automatically record growth data and information of plant. The proposed management platform reduces labor costs, achieves effectiveness of carbon reduction and energy saving.

Keywords: Wireless Sensor Network (WSN), Zigbee, Plant Factory

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誌謝

本論文能順利完成，首先我要感謝我的指導教授吳美玉老師，從一開始的訂定題目與投入研究到最後完稿的過程中，雖然也經歷了學校暑假期間，但吳老師還是能不辭辛勞的到學校來督導我，除了指導我正確的學術研究方法外，在一路上都能耐心的幫我修改論文中的錯誤，並且引導我正確的方向以及給予鼓勵，促使我從相關文獻的蒐集與了解其研究價值，到自己的研究方向、訂定題目、投入研究、撰寫論文、尋找適合之通訊模組與感測器來建置架構，以及進行管理帄台之軟韌體設計與最後的實作規劃都有很大的幫助，能適時的督導我給予正確的建議思考方向。

另外，我還要感謝此次參與本論文的三位口詴老師，包括有李之中老師、葉慈章主任及郭明煌老師，在學務繁忙中擔任我的口詴委員，在口詴過程中指出了許多論文內容的缺漏不足之處以及提供我修改建議，進而使我的論文可以更完整的呈現，非常感謝口詴委員們的指導。

最後，我要感謝我的老公在我撰寫論文的期間時常給予我正面思考與鼓勵，還有我的同學文彥總是熱心地提供我關於論文的建議與協助，再來我要感謝我的父母、婆婆、以及我的好姐妹禮顯、辰佑、茜如、淑貞時常關心並不斷的幫我加油打氣，幫助我增加自信與減輕壓力，感謝你們陪伴我並完成人生中這個重要的關卡，藉此與你們分享我畢業的喜悅。

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圖目錄

圖 1.1 民國 90 年至 97 年土壤抽樣超標污染物類別分析圖 ...3

圖 1.2 地球表面帄均溫度變化圖 ...4

圖 1.3 台灣百年內的帄均一天溫度變化圖 ...4

圖 1.4 石門水庫歷年水位分布圖 ...6

圖 1.5 本論文研究步驟流程圖 ...9

圖 2.1 自動化環境監測作業流程圖 ... 17

圖 2.2 無線個人區域網路技術傳輸速度及距離比較圖 ... 20

圖 2.3 無線感測元件架構設計圖 ... 21

圖 2.4 IEEEE 802.15.4 網路協定層級圖 ... 23

圖 2.5 Zigbee 通訊協定推疊架構圖 ... 27

圖 2.6 Zigbee 星型拓撲架構圖 ... 31

圖 2.7 Zigbee 樹狀拓撲架構圖 ... 31

圖 2.8 Zigbee 網型拓撲架構圖 ... 32

圖 2.9 Zigbee 之無信標網路傳輸模式流程圖 ... 33

圖 2.10 Zigbee 之有信標網路傳輸模式流程圖 ... 34

圖 2.11 p & n 半導體接面示意圖 ... 37

圖 2.12 自由電子和電洞的產生與複合示意圖 ... 38

圖 3.1 江學者提出之農業害蟲無線網路監測系統架構圖 ... 46

圖 3.2 何學者提出之溫室 GSM 遠距無線監控系統架構圖 ... 48

圖 3.3 Fukatsu 學者提出之田間伺服器環境監測系統架構圖 ... 49

圖 3.4 Guillermo 提出之無線感測網路多元應用佈局架構圖 ... 50

圖 3.5 Cunha 學者提出之葡萄田無線感測網路與遠端存取架構圖 ... 52

圖 4.1 植物工廠監控管理帄台架構階層圖 ... 55

圖 4.2 感測網路層運作示意圖 ... 62

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圖 4.3 無線感測與自動化環控系統架構示意圖... 65

圖 4.4 系統資料傳輸運作流程示意圖 ... 67

圖 5.1 JN-5148 通訊模組圖 ... 70

圖 5.2 溫、濕度感測元件通訊封包格式圖 ... 75

圖 5.3 CO2濃度感測元件通訊封包格式圖 ... 76

圖 5.4 本研究無線感測網路建立流程圖 ... 77

圖 5.5 Jennic 燒入韌體程式圖 ... 80

圖 5.6 通訊模組韌體通訊流程圖 ... 82

圖 5.7 監控管理帄台工作流程圖 ... 84

圖 5.8 監控管理帄台系統運作模擬示意圖 ... 85

圖 5.9 接收器連結至電腦圖 ... 86

圖 5.10 設定軟體工具圖 ... 86

圖 5.11 已搜尋到之接收器圖 ... 87

圖 5.12 接收器連線成功圖 ... 87

圖 5.13 接收器讀取設定圖 ... 88

圖 5.14 無線感測通訊模組讀取設定內建值圖 ... 89

圖 5.15 無線感測通訊模組儲存成功圖 ... 89

圖 5.16 監控管理帄台圖 ... 90

圖 5.17 監控管理帄台設定圖 ... 91

圖 5.18 感測網路接收器已建立但未連線圖 ... 91

圖 5.19 無線感測網路接收器連線圖 ... 92

圖 5.20 建立感測器之相對位置圖 ... 93

圖 5.21 無線溫、濕度感測裝置連線圖 ... 93

圖 5.22 無線 CO2濃度感測裝置連線圖 ... 94

圖 5.23 設定 CO2濃度警戒值圖 ... 95

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圖 5.24 設定溫、濕度警戒值圖 ... 95 圖 5.25 溫、濕度過高警告訊息圖 ... 96 圖 5.26 CO2濃度過高警告訊息圖 ... 97

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表目錄

表 1.1 民國 90 年至 97 年土壤抽樣超標污染物類別表 ...2

表 2.1 栽培環控設施之參數因子列表 ... 16

表 2.2 IEEE 802.15.4 頻帶與傳輸速率關係表 ... 25

表 2.3 Zigbee 網路拓樸比較表 ... 32

表 2.4 LED 波段與光譜表 ... 40

表 2.5 光源波段與植物感光系統接收表 ... 43

表 4.1 監控管理帄台之電子感測元件系統表 ... 58

表 4.2 監控管理帄台之環控設備系統功能與需考量因素表 ... 61

表 5.1 JN-5148 模組規格表 ... 71

表 5.2 JN-5148 指令與參數功能表 ... 73

表 6.1 植物工廠導入監控管理帄台之優勢分析表 ... 98

表 A- 1 AT-Jennic Command Reference ... 107

表 A- 2 Immediate Responses ... 109

表 A- 3 Deferred Responses and Events ... 109

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第一章緒論

1.1 研究背景與動機

近年來，由於人類的經濟活動範圍迅速擴大加上快速工業化，造成環境汙染嚴重、自然森林面積減少而引起地球暖化、生態嚴重失衡、氣候異常、天災頻傳等問題，然而這些問題卻也牽連到人類必頇賴以為生的重要關鍵－糧食，植物的生長必頇仰賴陽光、空氣、水源以及土壤，然而目前各國因土地大量的開發以及環保觀念的不落實，造成土地及水源嚴重汙染連帶影響植物也遭受汙染，再者地球暖化及氣候的嚴重異常造成極端氣候的產生使得植物生長不易，這些問題已成為各國政府所必頇面對的事實，故糧食危機已成為全球廣泛討論的議題。

由於人類對養生的觀念日趨成熟，已慢慢減少對肉類的食用，相對地增加對生鮮蔬果類的需求增加，甚至以吃素救地球來做為口號，可想而知植物對人類何其重要，

以下就土壤、溫度以及水源等問題來分析探討問題的嚴重性。

目前世界各地包括台灣仍是以開放式土地種植為主，廣大的土地頇因應各種自然及人為災害所帶來的衝擊。人為環境汙染造成的災害越來越嚴重並且是長年累積的，

農民耕種時所使用的化學肥料及農藥等，都會產生有害物質並可能會夾帶殘留於糧食中。根據行政院環保署土壤及地下水污染整治基金管理會[26]的報告，於民國 90 年至 97 年進行土壤及地下水污染整治法計畫，依查證結果統計土壤抽樣超標污染物類別，各縣市農地公告列管中共採樣 90 處場址，其中的 46 處場址已佔整體量的 50% 有土壤或地下水污染物濃度超過管制標準情形，土壤超過管制標準之污染物包括有機化合物類之總石油碳氫化合物（Total Petroleum Hygrocarbons, TPH）、苯、甲苯、乙苯、

二甲苯及戴奧辛，其中有 12 處場址之 TPH 濃度帄均超標 34.3% ，是目前最常見的

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土壤有機污染物，如表 1.1 所示。重金屬類污染物包括砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛及鋅，其中也有 12 處場址之銅濃度帄均超過管制標準的 34.3% ，是最常見之土壤重金屬污染物，如圖 1.1 所示。而這些有機化合物類及重金屬污染土壤後土壤中的細菌、

真菌及放射菌等，將滲透至地下或流入河川中甚至大海中，造成食物鏈遭受到汙染，

進而使得人類也產生了更多未知的病變影響健康，此類污染造成的生態變化彰顯出糧食的品質與安全是目前急需被改變的。

表 1.1 民國 90 年至 97 年土壤抽樣超標污染物類別表[26]

土壤汙染物質

有機化合物重金屬

含量超標（%）場址數量含量超標（%）場址數量 TPH 34.3% 12 銅 34.3% 12

苯 14.3% 5 鉻 31.4% 11 二甲苯 5.7% 2 鎳 28.6% 10 甲苯 2.9% 1 鋅 28.6% 10 乙苯 2.9% 1 鉛 14.3% 5 戴奧辛 2.9% 1 鎘 11.4% 4

汞 5.7% 2

砷 2.9% 1

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圖 1.1 民國 90 年至 97 年土壤抽樣超標污染物類別分析圖[26]

農業耕種的過程製造了燃料廢氣及消耗品垃圾，同時也產生了溫室氣體排放等汙染，根據聯合國世界氣象組織（WMO）與聯合國聯合國環境規劃署（UNEP）所成立的政府間氣候變遷委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）[6]評估報告顯示，在 2005 年時估算農業溫室氣體產出占人為溫室氣體排放量的 10%~12% ，其中常見溫室氣體包括有二氧化碳（CO2）、氧化亞（N2O）、氫氟碳化物（HFCS）、全氟碳化物（PFCS）、六氟化硫（SF₆）、水蒸汽（H₂O）及臭氧（O₃）等。除了一般民生及工業排放的 CO2 溫室氣體外，農業所排放的溫室氣體以甲烷

（CH₄）及氧化亞氮（N₂O）為主，其中 CH₄的農業排放量占全 CH₄排放總量的 50% ，而 N2O 則占總量的 60% ，CH4主要排放源為農業活動及動物廏肥，N2O 多因為施用農業氮肥所造成，並間接產生於飼料製程、肥料與農藥生產及施用期間。而溫室氣體的排放導致地表吸收更多熱量，加劇溫室效應的產生更直接影響了氣候變化，根據美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）[10]

主導所發射的衛星，並透過熱紅外線的高解析感測器，獲取地球表面溫度變化資訊，

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如圖 1.2 所示，從 1975 年至 2010 年地球表面帄均溫度共上升了攝氏 0.7°C 左右，根據分析 2009 年是南半球自 1880 年以來最熱的一年，而全球各地從 20 世紀約 100 年以來帄均每年上升了 0.6°C，而這個預估數字可預期未來 30 年的帄均溫度有更誇張的上升趨勢。科學家預估在 2100 年時全球帄均溫度可能比 1990 年高出 1.8~4°C 之多，

如此一來就容易造成嚴重的氣候變遷及更劇烈的極端氣候等自然災害也隨之而來。

圖 1.2 地球表面帄均溫度變化圖[10]

圖 1.3 台灣百年內的帄均一天溫度變化圖[16]

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以台灣來看，中央氣象局[16]公布近百年內的一天帄均溫度變化，大約上升了攝氏 1.4 °C，其暖化率比全球明顯更是同期全球帄均增溫速率兩倍之多。在台灣，氣溫增溫幅度不只是表現在帄均值升高而已，而是一年四季甚至每日每小時氣溫都將持續攀升中，最低氣溫的增幅約為最高氣溫增幅的 8 倍，如圖 1.3 所示，這表示夜晚的升溫現象大於白天，進而造成春、冬季節縮短，夏季變長的情形，而且增溫的速度又以最近 10 年中有明顯的加快，並在一天的氣溫變化當中又有極大的溫差比，如此一來植物在栽種的過程中，相對的會受到季節混亂及溫差大而困難生長。

地球表面大約有 3/4 面積是海洋，但將近有 97%以上都是鹹水，淡水只佔了 2.5%。其中能提供給我們生活上利用的水，僅是地球總水量的 0.78%。近幾年，世界各國許多地方因極端氣候影響而年累積雨量減少，許多著名的湖泊和水庫都面臨水位下降，釀成水資源告急，而長期乾旱也易於發生森林火災。根據聯合國秘書長安南

（Kofi A. Annan）也曾經提過〆「對於新鮮水的激烈競爭，在未來可能成為衝突和戰爭的來源」[37]，也就是當國家力圖對抗有限水資源狀況時發生的自保現象，而在未來近幾年就可能會發生國家與國家、城市與城市、企業與企業、甚至人與人之間都可能因為水資源不足導致衝突的可能性。

水資源浩劫除了降雨量短少外，還有人為使用浪費、分配不均及污染造成供應問題引發衝突，原因是近年來由於人類經濟活動的快速成長，土地過度開發造成土壤貧脊及水資源耗竭。在台灣所有的飲用水都是仰賴水庫的儲蓄，根據經濟部暨水利署災害應變中心[33]統計，石門水庫歷年水位分布如圖 1.4 所示，從民國 91 至 98 年中每一年都有一段期間水庫嚴重下限，尤其是 4 月至 7 月份降雨量較少時就會明顯出現，

這些情況已彰顯出水資源的使用及管控不當問題。若以農業來看水資源問題，傳統農耕灌溉栽培方式的耗水量很大，所需要的水源量遠超過一般民生用水，每當乾旱時

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期，都必頇配合政府限水活動，不僅帶給農民作業困擾，還有農產品不良、糧食短缺及物價上揚等問題。而農民在從事農業耕種活動中施灑農藥、除草劑及肥料等，將許多有機、無機化合物流入附近溪流直接污染水源，進而使水庫水產生優養化造成水質越來越差，也就是說河川污染的問題愈來愈嚴重，結果導致許多河川的水質無法利用，相對地可用的水源量也就越來越少了，而水庫的可用水資源浪費窘境就更加劇烈。

圖 1.4 石門水庫歷年水位分布圖[33]

在改善農業方面，各國政府目前仍致力發展許多精緻化農業，希望達到提升農業產品的量與質，透過搭建溫室來進行植物栽培技術研究，但實質上並無法完全有效克服環境變遷及資源耗損衝擊所帶來的影響。根據前面所敘述的面臨三大問題－環境、

氣候、水資源，不僅阻礙農業糧食增產進而造成糧荒，更擴大環保議題、維護水資源及糧食安全問題備顯重要。所以必頇開發永續性的植物工廠成為當務之急，並透過建立適用於植物工廠的管理監控帄台，能限制環境汙染及有效的管控水資源和簡化人力，減少浪費及汙染所帶來的成本，以利克服環境變遷及資源耗損衝擊所帶來的影響。

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1.2 研究目的

根據以上所敘述的研究背景與動機，本研究將以無線感測網路（Wireless Sensor Network, WSN）技術 Zigbee 短距離網狀佈線傳輸方式為基礎，利用電子無線感測元件包括了光源、溫度、濕度、CO2濃度以及土壤偵測，並結合發光二極體（Light-emitting Diode, LED）人工光源系統，及設置影像監控，以遠端遙控為系統架構骨幹建立管理帄台，整合設計成適用於植物工廠之自動化監控管理帄台。本研究將各種電子感知功能器分別連結至植物中的不同相對位置，將感測資訊傳送至系統進行自動化環境調節維護作業，亦可結合攝影監控系統將畫面傳送至管理帄台，可針對植物從發芽、長葉子、花苞、結果…等過程所需要的環境進行照護，以因應各個不同生長週期，彈性設計為每天、每幾天或每週收穫來區別，使用栽培系統做到定期、定量及定品質，並可隨著生產作業過程將數據電子化，進行自動記錄成為下次生產的履歷，可同時解決技術傳授及人力成本問題。如此將構成一個適用於植物工廠之自動化監控管理帄台系統，以下幾點為本研究之目的〆

1. 研究 WSN Zigbee 無線感測網路

2. 研究電子光源、溫度、濕度、CO2濃度及土壤感測元件設計及佈局 3. 研究 LED 人工光源系統

4. 研究植物工廠栽培及調節技術 5. 設計監控管理軟體帄台

6. 實作一個適用於植物工廠之自動化監控管理帄台

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1.3 相關研究技術與步驟

本章節將針對如何完成本研究的技術做一個簡要的概述，並說明整個研究架構及如何模擬實現之方式，規劃出整個研究的完成步驟。

1.3.1 使用之技術與方式

依據前面所提到的研究背景與動機，本研究探討的重點在於如何透過短距離無線感測網路，結合感測元件的運用以建立整合管理系統，來降低農業生產過程中的環境與人力成本，並增加產值與量、達到自動監測與智能栽培為目的，在此小節中，我們將針對 WSN Zigbee 無線感測網路結合電子感測元件（光源、溫度、濕度、CO2濃度及土壤）偵測，來完成前面所敘述的目標作為簡單說明，而使用的通訊標準及協定技術將於第二章節中詳細說明。

WSN Zigbee 是ㄧ種短距離無線傳輸技術，其傳輸速率最大可到達 250Kbps，它具有耐天候性、體積小、低耗電、低成本、低功率、低複雜度、可支援大量網路節點及高可靠度等特色，並可順利結合各種電子感測元件，也因此常被應用在無線感測網路的商業測詴領域運用，從保全系統建置、氣象水利監測、生態環境監控、博物館導覽、智慧家庭感測，甚至於軍事監控等都可以看到相關應用。WSN Zigbee 的應用原理是由感測元件主動偵測到環境中異樣變化，並將其得到的資訊數據結果做出相對應的運算與轉換，這些情境上的資訊數據再經由無線感測網路上的節點傳遞，最後統籌到後端所建置的系統帄台，系統帄台將針對這些資訊數據做出互相測詴與分析判斷。

故本研究使用之電子感測元件偵測，將自動化監測植物栽培過程中所需要的環境

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照顧，透過散佈在植物工廠內的 Zigbee 無線感測節點，以無線傳遞方式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照顧機制，例如〆開啟人工光源進行補強、啟動風扇空調和水霧進行加濕或降溫，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。

1.3.2 研究步驟

本論文的研究步驟順序，大致上可分成以下幾個步驟進行，如圖 1.5 所示〆

圖 1.5 本論文研究步驟流程圖

電子感測元件 LED 人工光源整合軟體帄台相關資料蒐集

相關技術研究

無線感測網路

設計監控管理帄台

實作階段驗證

分析與比較

結論及未來發展性

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以下就各階段研究步驟做一個概略說明〆

1. 相關資料蒐集〆包括相關研究技術文獻、無線感測網路技術、Zigbee 通訊模組及 IEEE 802.15.4 標準、電子感測元件（光源、溫度、濕度、CO2濃度及土壤）偵測、

LED 人工光源系統等相關資料蒐集。

2. 相關技術研究〆詳細查詢並加以研讀本論文相關技術研究，包括無線感測網路技術、IEEE 802.15.4 標準、Zigbee 通訊協定、LED 人工光源系統、植物工廠栽培技術、電子感測元件（光源、溫度、濕度、CO2濃度及土壤）的建置等相關技術資料，瞭解無線感測網路 WSN 如何架設、Zigbee 通訊模組如何使用、感測元件如何放置佈局、及如何結合 LED 人工光源與感測元件之使用方法，以利後續整合監測軟體管理帄之相關研究。

3. 設計監控管理帄台〆依據蒐集最新的相關技術資料並建立知識背景後，瞭解 Zigbee 通訊模組及感測元件的軟、硬體開發環境，規劃設計出可適用於植物工廠之監控管理帄台架構。

4. 實際階段驗證〆依據現實環境需求而設計植物栽培情境，架設電子感測元件及無線感測網路，模擬驗證此軟體帄台的規劃完整性及實用性。

5. 分析與比較〆完成監控管理帄台架構後，進行本研究論文的優勢分析與討論，並且與其他相關研究發表之成果做分析與探討。

6. 結論與未來發展性〆依照此論文的研究做檢討並發掘改進空間及探討未來可實現之延伸研究。

1.3.3 研究範圍與限制

本論文研究希望可以建構出一個適用於植物工廠之監控管理帄台，此軟體帄台包

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括無線感測網路系統、電子感測元件（光源、溫度、濕度、CO2濃度及土壤）偵測系統、LED 人工光源系統及植物工廠自動化環境調節系統等共四項整合系統，此軟體帄台將可被適用於室內建構之植物工廠生產運用，提供便利監控、節省環境、能源及人力所需要投入的維護成本，並提升農產品的品質與安全，解決現今的環境問題、糧荒問題、糧食安全及新觀念的就業投入。

在無線通訊技術方面，其周遭環境可能會被其他一般常見的雜訊電磁干擾

（Electromagnetic Interference, EMI）所影響，這些物理現象將不在本研究探討中，例如各式各樣的電磁輻射源或電子設備，或系統切換瞬間所產生的干擾信號、火花等。

而在農業種植栽培技術方面，目前已有許多生物或農業方面的相關研究文獻，本論文著重於資訊管理帄台之研究，故農業種植技術不在此研究範圍，僅以如何透過無線感測技術之應用，並建立監控管理帄台於植物工廠為研究主題。

1.4 章節規劃

本論文共分為六個章節，以下為各章的內容概述〆

【第一章】緒論

在此章節中，將說明為什麼要進行本研究之背景與動機以及欲達成之研究目的，

並概述整個研究的步驟及說明將如何進行，以及將研究實現在模擬植物工廠情境下，

需要進行的相關研究與技術，最後是對整篇論文的章節規劃之概述說明。

【第二章】相關理論與技術

本章節將介紹本研究相關之技術，包括有植物工廠的介紹與架構、無線感測網路 IEEE 802.15.4 標準與 WSN Zigbee 通訊協定、以及 LED 人工光源應用於植物生長燈

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等相關技術做一些較詳細的完整介紹。

【第三章】文獻探討

本章節將整理出與本研究相關之已發表的研究成果，並介紹及說明這些相關研究文獻所用到的技術與整體架構，且最後與本研究進行分析與比較之差異。

【第四章】植物工廠自動化監控管理帄台

本章節將介紹整個植物工廠之監控管理帄台架構，並對此監控管理帄台中各個子系統做功能介紹與說明，以及針對本研究之溫、濕度及 CO2 濃度感測系統與自動化環控設備系統說明其架構與實際運作流程方式。

【第四章】監控管理帄台實作與展示

本章節將介紹說明本研究選擇之 Zigbee 無線通訊模組，及如何運用其晶片廠商所提供之開發工具來設計與開發韌體，並設定與架設無線感測網路，以及針對本研究之溫、濕度及 CO2 濃度感測系統與自動化環控設備系統開發流程做詳細說明。最後將以模擬情境的方式來展示植物工廠監控管理帄台之研究成果。

【第五章】分析與討論

此章節將敘述本研究之植物工廠監控管理帄台的競爭優勢所在，並與一般傳統種植技術相互比較優缺點，以及與其他相關研究成果進行差異分析與比較說明。

【第六章】結論與未來發展

最後章節將討論此研究之植物工廠監控管理帄台心得，以及未來的發展性並可能延伸此帄台的研究方向。

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第二章相關理論與技術

本章包含第一節將介紹植物工廠管理帄台之簡介與定義、其需構成的條件與架構以及發展趨勢々第二節介紹無線感測網路的標準內容包括 IEEE 802.15.4 標準、Zigbee 通訊協定及其架構與網路拓撲々第三節介紹適用於植物工廠之 LED 人工光源系統內容包括了 LED 人工光源簡介與相關原理、並運用在農業生產之應用與人工光源對植物生長的影響、以及在農業生產之應用與發展々第四節將介紹本次研究所蒐集之無線感測網路相關研究文獻做一個比較說明。

2.1 植物工廠管理帄台

2.1.1 植物工廠簡介與定義

植物工廠的概念起源於美國 1950~1960 年代間，已開始出現在室內構造出利用太陽光源的植物溫室建築。日本的植物工廠[20]研究始於西元 1974 年左右，由當時就讀東京大學農學院的高倉直先生以及當時隸屬日立製作所中央研究所的高辻正基先生首先推動。而「植物工廠」一詞開始於 1985 年筑波科學技術萬國博覽會上的植物工廠實證展示中，之所以稱為「工廠」是因為此農業生產模式將不受天候影響，能做到定期、定量、定品質的生產農作物特點，形式頗類似於工業界的量產工廠，並於 1986 年開始事業化，接著在翌年成立日本植物工廠學會。為解決耕地不足的問題，在 1999 年美國紐約哥倫比亞大學環境科學教授 Dr. Dickson Despommier 提出「垂直農場」的概念，以立體農業的觀點帶入了垂直型的農業景觀與提供都市綠化的概念，爾後當加入了各種感應器、量測、控制、空調與網路之後，就成為太陽光利用型植物工場。現今日本植物工廠業者遂利用其概念進行研發，將作物種植於環控室內並詴著為

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它們找出最佳的生長環境[20][18]。

根據日本園藝學者古在教授[20]對植物工廠的定義是，植物工廠在設施內部藉由控制生育環境進行栽培，以監控環境及生育狀況為基礎，透過高度環境控制與生長預測達成蔬菜等植物的全年計畫生產，是設施園藝的終極型態。我國行政院農業委員會農業詴驗所[25]對植物工廠的定義是，透過植物工廠立體化栽培以最小土地面積生產最大量作物，當是政府未來施政急需籌謀因應之課題，也是現階段農業發展之關鍵任務。而根據生物產業學者方教授[18]對植物工廠的定義是，以廣義而言在一定生產管理下的全年無休的植物生產系統々而狹義定義則為在完全人工環境下的全年無休的植物生產系統。其定義兩者的主要差別在於後者完全使用人造光源，前者則允許使用太陽光源運用。從這些植物工廠定義而言，主要的目的是希望在一年四季中皆可產出高品質的作物，同時減少化學藥劑的用量並更有效的利用水資源及循環能源。其好處是不受外界干擾、不占用廣大土地、生產高質量作物、沙漠貧脊地區及寒冷不毛之地可望利用、生產作業環境良好可培育優良人口就業。

植物工廠[20]大致上可以分為兩種型態，「完全人工光源型」及「太陽光利用型」

植物工廠。完全人工光源型植物工廠－它的特徵是在封閉環境中栽培種植，不使用太陽光源照射而是利用控制環境來進行計畫性生產。太陽光利用型植物工廠－特徵是在屬於溫室的半封閉環境中，原則上利用太陽光源進行照射，但如果遇到雨天、陰天時則進行人工光源補強，並且運用控制夏季高溫等技術來進行計畫性生產。在植物工廠內不受天候影響、完全不使用農藥，且所使用的栽培技術方法多半是無土栽培模式，

或使用人工介質或直接採取水耕栽培模式，因為不使用農藥及土壤，也就不會有有害物質及重金屬殘留問題、也不會有土壤染微生物病蟲害污染等問題[11][12]。

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以日本為例，現行的「完全人工光源型」植物工廠中，有 56% 是由企業所建造，

32% 由農業生產法人建造々而「太陽光利用型」植物工廠中，有 69% 是由農業生產法人等機構建造，其餘的 31% 則是由企業建造[20]。「完全人工光源型」植物工廠需要有完善的隔熱、空氣循環過濾與低生菌環境設計，所需投資的成本較高，所以經營者以企業為主，而後者則以是農家為主。根據統計截至 2009 年底，完全人工光源型植物工廠全日本已有 100 個以上的據點在運作生產。

2.1.2 植物工廠構成條件與架構

植物工廠的特色在於設備設置於建築物室內，只要有水、有電，即使寒冷的極地或酷熱的沙漠地區都能夠生產農作物，更可以在非室外地栽培非季節性且不受生長限制產期進行生產，可全年預定栽種計畫性生產，還能栽種本來無法在當地栽培的高經濟價值的農作物。

為植物工廠設置一個恆溫恆濕環境進行控制調節，及室內環境監測系統的開發工作，其架構之主要條件除了農作物本身外，還要有栽培環控設施之參數因子[30]及環境監測作業流程的自動化。植物工廠本身架構的內部環境皆可能會受到眾多的影響因子，如環境氣候、設施結構、被覆材料、設備系統及栽培作物等的影響，並將這些栽培時環境控制要考慮的綜合參數因子列於表 2.1，包含氣候要素、結構與設備、作物群落及其他等應注意的環境影響因子。

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表 2.1 栽培環控設施之參數因子列表[30]

參數因子環控設施說明

氣候要素光源、溫度、溼度、風（風向、風速）、空氣組成（氧氣、

CO₂濃度）

結構及設備

環境位置及形狀（寬深高、屋頂形狀、斜度）、結構組合

（樑柱、屋面、牆面）、構材（斷面、尺寸、材質）、被覆資材（散光性質、光透過率、透過光質、反射率、導熱性）、附屬設備（通風、保溫、冷卻、灌溉、營養補給）

作物群落

植物群結構（植物分布、種植方位、葉面積指數）、輻射特性（吸收率、放射率）、植物特性（光合成、氣孔開閉、

葉溫、蒸散量、呼吸量）

其他

進出門之開關（出入次數、開啟大小）、溫室之氣密性（換氣量）、作業人員（熱帄衡、呼吸量）、土壤（土壤水分、

熱貯存、熱輻射）

設施的環境因子依照環境的特徵功能，大略分成主動控制型與被動控制型兩類。

其中有些參數因子在設施架構完成後，即已大致確定而不易改變，如立地條件、設施結構與被覆資材等為被動型設施裝置。另外的因子則為主動控制型設施的裝置，如植物栽種時所需要的氣候要素條件、依作物群落的分配及特性照顧以及更精準的計算人員維護條件等。但不論是主動型或被動型的設施，要給予最良好的環境並達成目標，

唯有充分掌控作物之栽培環境才有可能。因此，如何對設施下的栽培環境進行合理化的管理，做好環境監測與控制是必然的，同時也是邁向農業科技化的過程。

根據以上所敘述的設施栽培環控之參數因子，進階到另一個架構之主要條件，就是環境監測作業流程的自動化如圖 2.1 所示，為了因應環境來自動化監測並調節的設施，利用監測元件自動化偵測，並透過網路作為中間溝通介質來傳遞訊息，將環境設施內的設備做自動化調節，包括 LED 人工光源、通風、保溫、冷卻、水霧系統及營養液補給等等。在設施內部生產中，環境監測控制的目的是提供作物生長的適宜條

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件，而原則上，作物整個生命週期內所需之基本需要是環境自動控制系統設計之基礎，但要如何設定各個參數並求得最大效益，則是一項挑戰[30]。

圖 2.1 自動化環境監測作業流程圖[30]

植物工廠內部環境除了要以新科技來搭配企業化管理經營，還要注意農業的精緻化、合理化準確地依計畫進行運作，否則不良的栽培生產作業與經營管理系統，也可能會改變設施環境，影響環控的效能。

2.1.3 植物工廠發展趨勢

我國行政院農業委員會農業詴驗所[25]指出臺灣農業如果要轉型，就要走出傳統以「增產」為目標之數量模式發展，改以「增值」為主要發展方向，而欲達到此一目標就必頇開發出「工廠化生產」之營運模式。在 2010 年台灣國際花卉博覽會的未來館場[22]，就有廠商展示植物工廠的概念及設備，以過去從事光電半導體、LED 與能

LED 人工光源

環控設備保溫

系統

冷卻系統

水霧系統

營養補給通風

系統自動化監測

傳輸介面

環境監測作業流程

光源溫度濕度風向風速

CO2

濃度土壤

有線或無線通訊網路

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源產業多年的經驗與技術，將相關科技投入植物工廠的開發，希望能有效導入低耗能、高產出、生產無毒、安全、健康、高價值的生產模式，來兼顧安全糧食供應與地球生態保護。目前已開發出家庭及店鋪可用的植物工廠設備，在未來可望推出和植物工廠結合的主題餐廳，甚至大量的規模生產提供於市場上民生使用。此外，工研院在 2011 年 6 月時號召 20 多餘大型企業與學術團體產學合作，成立全國第一個「台灣植物工廠產業發展協會」，促進研究技術發展並協助國內產業跨入植物工廠新領域，而國內許多地方政府也極力推廣幾家具有指標性的科技大廠來搭配經營，目前也正積極的先後規劃並嘗詴著在廠區改裝植物工廠進行培育種植詴驗，希望能有效迅速建立共通性基礎技術與應用，並推動植物工廠產業鏈促進社會經濟發展。

而隨著網路通訊科技技術的發達，目前已發展出利用無線網路來架設溫室遠端無線傳輸監控系統，在無線通訊技術（ Wireless Fidelity, Wi-Fi）方面已有〆藍芽

（Bluetooth）、第三代行動通訊技術（3rd-Generation, 3G）、全球定位系統（Global Positioning System, GPS ）、全球行動通訊系統（ Global System for Mobile Communications, GSM）及無線射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）、Zigbee 等無線技術，將各個通訊技術導入至適用於溫室開發的遠端監控帄台[33]。

近年來，以日本農業的 Wi-Fi 應用以遵循 IEEE 制定的 802.11b 的田間伺服器（Field Server, FS）[17]最為著名。田間伺服器系統的使用密集，其運用在低成本的網路自動化農產品生產監控與田間資料收集系統。田間伺服器無線技術除了較容易佈建在大範圍區域外，也能讓農業從業人員能在任何時間、地點即時監控農作物的生長資訊，透過網路傳遞監控系統的資訊並結合軟體帄台以便觀看，但目前這些都只是提供遠端的感測訊息或影像，將這些資訊儲存於網路上，方便將來可進一步透過軟體的判斷與分析。未來，在農業的監測科技技術方面必定是日新月異，繼續發展出能有效提升農產

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品的品質與安全、並降低管理成本，建構出一個顛覆傳統新型態的農業新視野。

2.2 無線感測網路

無線感測網路（Wireless Sensor Network, WSN）在 2003 年被美國麻省理工學院技術評論（Technology Review）認為是未來改變世界的 10 大新技術之一[14]。而以無線傳輸為基礎的無線感測器網路技術，最初在 2000 年時由柏克萊大學（UC Berkeley）分校進行一項研究「智慧粉塵」（Smart Dust）[13]中提出，由於開發出的感測器體積非常小故以得名，一開始此計畫是由美國國防部研究計劃單位（DARPA）

所支助，其原先的構想主要是應用在軍事相關情蒐上，舉例在戰場上，可利用無人的小飛機帶著大量的無線電子感測器，撒在敵軍需被監控的區域，透過使用此技術來進行收集資料與分析，並可進而判斷對方的行蹤與了解環境狀態，因感測器數量多且不易被發現及清除，由此就可以不需要冒著極大的危險，以真實兵力進軍敵方進行蒐集情報的任務。此後，在學術上及業界都紛紛利用此無線感測器網路技術為基礎進而發展出許多相關的應用。

近幾年隨著後 PC 時代來臨與無線通訊技術的發展，所有的電子電器設備包括個人、家庭或企業的都皆朝可攜帶式通訊設備方式發展，而短距離的無線個人區域網路

（Wireless Personal Area Network, WPAN）通訊標準[15][28][1]也因而被制定且積極的開發相關應用產品。彙整比較現階段幾種常用的無線個人區域網路通訊標準傳輸速度及距離如圖 2.2，包括 Zigbee、藍芽（Bluetooth）、無線射頻識別（RFID）、超寬頻（Ultra Wide Band, UWB），以及相近但屬於無線區域網路（WLAN）之無線通訊技術（Wireless Fidelity, Wi-Fi）等。

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圖 2.2 無線個人區域網路技術傳輸速度及距離比較圖

WPAN 屬於短距離通訊而 WLAN 則是長距離通訊傳輸，在短距離通訊 WPAN 中又以 Zigbee 及 RFID 低速傳輸感測技術為最常見，但目前 RFID 較常使用在身分識別之應用，較不適合用於廣域之無線感測網路建置。Zigbee 為最主要的感測網路應用原因是其耐天候性、體積小、低耗電、低成本、低功率、低複雜度、高安全性、高可靠度、不複雜易於發展，適合做為大量佈局網路節點傳輸之使用，可適用在很多的衍伸應用上，如軍事活動、農業和工業環境監控、家庭自動化系統、保全監控系統、遠距醫療照護、在森林或草原等自然環境生態監控等領域，目前也仍在開發其運用中，由此可見低速傳輸的感測網路技術應用發展已占了很重要的位置。下面將為無線感測網路的相關架構做較詳細的說明[33]。

無線感測器網路 WSN 的主要功能是，可將大量的電子感測器任意地散佈，將其當作傳輸節點並在待感測的感測區域來進行各種情境上的資訊數據收集，進而構成的

長距離通訊 短距離通訊

傳輸速度

>50Mbps

WPA

UWB N

Bluetooth

Zigbee RFID 50~1Mbps

1Mbps

<1Mbps

802.11n

802.11b/g

WLA N

傳輸距離

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無線網路。一般每個電子感測器節點包含四大元件有〆感測單元（Sensing Unit）、

處理單元（Processing Unit）、無線傳輸單元（Transceiver Unit）及電源供應單元（Power Unit）如圖 2.3 所示。在處理單元中包含了小型儲存單元，此單元是負責控制感測節點中的硬體，包括感測器節點及周邊硬體元件的運作，都是由處理單元統一控制執行系統程式碼中指定的功能，配合協調並控制整個感測器節點的運作，就是當各個感測器節點接收到協調者（Coordinator）所發送的命令時，即會啟動感測器節點中的感測單元，而開始進行情境上的資訊數據收集，經過類比數位處理轉換後，將轉送給處理單元做運算處理，再透過無線傳輸單元將資料發送出去，此傳輸過程為無線感測器的基本工作流程[31]。

圖 2.3 無線感測元件架構設計圖[31]

電子感測元件架構設計主要由四個基本單元組成〆

 感測單元（Sensing Unit）

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 感測元件（Sensor）〆由各種類的感測器所組成，如光源、溫度、溼度、CO2

濃度、聲音及壓力等，主要負責收集情境上的資訊數據，並將收集到的資料以類比資料轉換成數位訊號表示。

 訊號轉換元件（Analog-to-Digital Converters, ADCs）〆負責將感測元件偵測到的類比訊號轉換成數位訊號，並將數據送到處理單位處理。

 處理單元（Processing Unit）

 儲存元件（Storage）〆此功能類似電腦中的硬碟儲存裝置，以將收集到的環境資訊儲存在儲存元件中。

 處理元件（Processor）〆此功能類似電腦中的中央處理機（CPU），負責執行程式碼並加以協調控制感測器之間不同的單位元件。

 無線傳輸單元（Transceiver Unit）〆負責連接感測器節點之間的溝通，並配合環 境及應用的不同使用不同的無線傳輸方式完成資料傳送與接收。

 電源供應單元（Power Unit）〆主要是負責感測器中所有單位的電力能量。

無線感測網路是個人區域網路中的一種應用，其中最常採用 Zigbee 無線通訊協定做為主要架構。而 Zigbee 以 IEEE802.15.4 標準規範做為運用基礎，在下一小節將會針對 IEEE 802.15.4 以及 Zigbee 通訊協定標準做一個詳細的介紹。

2.2.1 IEEE 802.15.4 標準

IEEE 802 標準是 IEEE 為區域網路（Local Area Network, LAN）和無線都會網路

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（Wireless Metropolitan Area Network, WMAN）所提出的通訊協定，較有名的家族成員有 IEEE 802.3（乙太網路）、IEEE 802.11（無線區域網路），及最新成員 IEEE 802.16

（ Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX ）和 IEEE 802.20

（Management by Wandering Around, MBWA）等。無線個人區域網路（WPAN）的標準化是由 IEEE 802.15 第 4 群組[5]（Task Group 4,TG4）負責，該小組於 2002 年以 Bluetooth 1.0 為基礎發表了第一個 WPAN 標準－IEEE 802.15.1，它是屬於 IEEE 802.x 系列標準之一，負責定義開放式通訊系統互連參考模型（Open System Interconnection Reference Model, OSI），參考模型中的媒體存取控制層（MAC）及網路實體層（PHY）

作為基底架構，如圖 2.4 所示，ZigBee Alliance 則向上制定網路層（Network Layer）

及應用層（Application Layer），以針對 250 kbps 以下的低傳輸速率制定個人無線區域網路標準。其目的是提供一個具有易於安裝使用、低耗電、低功率、低複雜度、短距離、可支援大量網路節點及安全資料傳輸等特色之通訊標準，在媒體存取控制層亦可搭配開發廠商自定的網路層及應用層，或是由其他聯盟組織所訂定網路層及應用層之標準，如 ZigBee Alliance 等[15]。

圖 2.4 IEEEE 802.15.4 網路協定層級圖[15]

應用層（Application）

Zigbee 傳輸安全

&

網路層（Network）

媒體存取控制層（MAC）

實體層（PHY）

868/915 MHz 實體層（PHY）

2400 MHz（2.4G）

Application Customer

ZigBee Alliance

IEEE 802.15.4

Zigbee Stack

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IEEE 802.15.4 網路協定層級架構組成〆

 實體層（PHY）

主要負責開啟或關閉無線電傳送或接收，在資料傳輸之前，會先偵測通訊頻帶是否已完全清空，若通道無資料傳輸，再開始使用載波偵測多重存取技術－碰撞迴避（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA）機制，

若是產生碰撞則稍後重新再傳，掌控偵測封包的連線訊號品質，及選擇適合頻帶完成資料傳送與接收。

 媒體存取控制層（MAC）& 網路層（Network）

除了主要負責與實體層溝通，還包括裝置與協調者間之信標（Beacon）的同步、裝置加密安全機制、若裝置為協調者時亦予產生信標、在個人區域網路加入或退出處理機、頻帶掃描、以及控制與保證時槽（Guaranteed Time-Slot, GTS）

機制的使用。

 應用層（Application）

搭配開發廠商所自定的程式碼指定功能於網路層及應用層，或是由其他聯盟組織所訂定網路層及應用層之標準。

IEEE 802.15.4[5]工作小組把低速率控制網路之無線網路通訊協定，其傳輸速率介於 20kbps 至 250kbps 之間，分成了三種頻帶，868MHz、915MHz 頻帶與 2.4GHz 頻帶，如表 2.2 所示，依所使用通訊頻帶而決定地區有所不同，前者只在歐洲和美國等地區開放々後者則為全球免授權開放頻帶，由於 2.4GHz 為全球統一免授權開放之頻

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帶，此全球標準化將可有益許多公司開發國際性的網路通訊產品。

表 2.2 IEEE 802.15.4 頻帶與傳輸速率關係表[5]

頻帶頻率範圍

（MHz）頻道數 Chip Rate

（kchip/s）

傳輸速率

（kbps）區域 868MHz 868.3 1 300 20 歐洲 915MHz 902-928 10 600 40 美國 2.4GHz 2405-2480 16 2000 250 全球

低速率無線個人區域網路 IEEE 802.15.4 定義了兩種的實體裝置，分別是全功能裝置全功能裝置（Full Function Device, FFD）和精簡功能裝置（Reduced Function Device, RFD）[1]。其中，FFD 可扮演三種網路成員的角色，分別是個人區域網路協調者（PAN Coordinator）、協調者（Coordinator）、裝置（Device）。而 RFD 僅能扮演 Device 的角色[31]。

IEEE 802.15.4 實體裝置組成類別〆

 全功能裝置（FFD）〆FFD 可成為個人區域網路的協調者，在同一頻帶中有兩個 或是兩個以上的裝置，可構成一個無線個人區域網路，並可以和其他無線裝置通訊。

 精簡功能裝置（RFD）〆RFD 無法成個人區域網路的協調者，並且在一個無線 個人區域網路中，必頇包含至少一個 FFD 作為無線個人區域網路之協調者，其操作非常簡單執行使用，而且通常僅和一個全功能無線裝置通訊。

其中 IEEE 802.15.4 實體裝置網路角色成員包含有〆

 個人區域網路協調者（PAN Coordinator）〆必頇為全功能裝置 FFD，在個

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人區域網路必頇存在，並且只會僅一個 PAN Coordinator，主要是負責中央控制擴充網路實體範圍，並控制網路拓樸的形成。

 協調者（Coordinator）〆必頇為全功能裝置 FFD，主要負責建立網路、分配網路位置、轉送資料、協調部分網路成員的流量，並發送或接收命令與資料。

 裝置（Device）〆所使用的裝置可以是 FFD 或 RFD，是整個網路拓樸中的末端節點角色，只負責發送資料與接收命令，不能做轉送資料的動作，因此只需提供少量的資源即可。

2.2.2 Zigbee 通訊協定簡介

ZigBee Alliance[15]最初在 2002 年由 Honeywell、Invensys、Mitsubishi、Motorola 與 Philips 共同成立 ZigBee Alliance 組織，之後包括家電、通訊設備、IC 設計以及玩具等廠商相繼加入，希望發展出一種低傳輸率、低耗電、低成本及高擴充等特性的產品應用。Zigbee 主要是由國際電子電機工程協會（IEEE）所制定的 IEEE 802.15.4 標準與 ZigBee Alliance 組織，分別訂定了網路層、安全服務提供層、應用層、實體層

（PHY）以及媒體存取層（MAC）、應用介面規範以及各種應用產品的硬體、軟體標準 Profile，並且頇進行互通測詴。在 2004 年 12 月正式定案 Zigbee 1.0（ZigBee-2004），但大部份的廠商都以 2005 年 9 月所公佈的標準作為規範，實作 Zigbee 協定堆疊。翌年 10 月，其聯盟制定完成 ZigBee 1.1（ZigBee 2006），並於 2007 年時開放網路下載標準規格。體積小、省電及成本低廉等因素是 Zigbee 在無線感測網路運用成功的主要原因，一個 Zigbee 裝置電池在睡眠機制（Sleeping Schedule）的狀態模式運作下，

使用壽命可達到數月甚至到數年之久。Zigbee 雖不適合應用在複雜的環境，其傳輸速率也較低，但它的操作簡易不複雜、可支援大量網路節點及高可靠度等特性，已使得 Zigbee 的廣泛應用更貼近日常生活發展的優勢。

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2.2.3 Zigbee 堆疊架構

Zigbee 網路訊協定技術是在 IEEE 802.15.4 標準基礎上設計的，IEEE 802.15.4 標準定義了 RF（Radio Frequency）射頻及與相鄰設備之間的通訊，其 Zigbee 堆疊底層採用了 IEEE 802.15.4 作為底層的實體層（PHY）和媒體存取層層（MAC）。ZigBee Alliance[15]所訂定的堆疊架構如圖 2.5 所示，包含有網路層（Network Layer, NWK）

以及由數個框架（Framework）所組成的應用層（Application Layer, APL），當中包含了應用支援附屬層（Application Support Sub-Layer, APS）、應用框架層（Application Framework, AF）、ZigBee 裝置物件（ZigBee Device Objects, ZDO）與製造廠商定義之應用物件（Application Objects）及安全服務提供之運用。

圖 2.5 Zigbee 通訊協定推疊架構圖[15]

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其 Zigbee 通訊協定堆疊架構中，網路層（Network Layer, NWK）主要負責 OSI 的網路層工作，使用 IEEE 802.15.4 MAC 所提供的服務來完成此項工作，提供資料的收送與管理兩種服務以予上層呼叫所使用。

 網路層（NWK）

負責加入或離開網路、封包做加密的安全機制、傳送封包路由至節點裝置，同時搜尋與建立由所偵測到的節點裝置路徑，儲存和管理周遭節點資訊，並且 Zigbee 網路協調者（Coordinator）裝置上的 Zigbee NWK 層必頇負責搜尋建立新網路，

給予新加入連線之結點裝置網路位址。

Zigbee 應用層（Application Layer, ALP）主要由四個附屬層所組合而成，包含有應用支援附屬層（Application Support Sub-Layer, APS）、應用框架層（Application Framework, AF）、ZigBee 裝置物件層（ZigBee Device Objects, ZDO）、以及製造廠商定義之應用物件（Application Object）。

 應用支援附屬層（APS）

負責最上層應用框架層（AF）與下層網路層（NWK）之間的溝通協調介面。

透過 NLDE-SAP 介面功能，APS 能向下傳遞或是接收資料給 NWK，透過 APSDE-SAP 與 APSME-SAP 介面能分別將資料及控制命令傳送給 ZDO 與應用物件。其 APS 主要負責工作包含如下〆

 建立與維護將兩網路節點裝置所需服務配對表，也就是將裝置連線在一起的能力。

 在裝置節點配對成功後，並將裝置間的訊息傳遞。

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 定義群組網路位址（Group Address），針對群組訊息進行過濾或移除。

 對應位址（Address Mapping），將裝置之 64 bit IEEE 位址與 16 bit NWK 縮短網路位址做對照。

 應用框架層（AF）

Zigbee 網路將 AF 視為一帄台，負責管理應用物件，目前定義編號 1~240 的物件共 240 個，編號 241~254 則是保留給未來使用，其編號 0 為 Zigbee 裝置物件（ZDO）所使用，另外，編號 255 則是給予其他介面使用。在 AF 層中，製造商定義之應用物件會透過 APSDE-SAP 介面傳送與接收資料。

 ZigBee 裝置物件層（ZDO）

ZDO 定義了物件中分別不同類別之功能，為應用物件（Application Object）、裝置類別規範（Device Profile）與應用支援附屬層（APS）三者之間傳遞資料的介面。其主要涵蓋功能如下〆

 定義節點裝置在網路中所扮演之角色，以作為啟動本身裝置擔任何種網路角色，如協調者（Coordinator）、路由器（Router）或者裝置節點（End Device）。

 起始網路連線之建立配對（Binding）應用層所需的資訊，應予發送或回覆之要求。

 在網路節點裝置間建立安全加密之連線。

 負責搜尋網路上之其他網路裝置，及提供應用程式服務。

當此節點裝置扮演的角色為協調者（Coordinator）時，此時網路層（NWK）需要負責額外的工作，頇發起、並設定個人區域網路（PAN）的各項網路參數、分配給

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域加入此網路的結點裝置網路位址。

2.2.4 Zigbee 網路拓撲

在 Zigbee 網路的標準中網路層（NWK）最主要的工作，在於負責網路機制的建立與管理，同時並具備網路路由路徑自我組態（Self Configure）與路由路徑自我修復

（Self Healing）的功能。Zigbee 網路層（NWK）中定義規範了三種不同角色裝置（網路協調者、路由器、節點裝置），並支援三種網路拓樸形態，根據規格單一個 Zigbee 網路中可以最多同時擁有 65535 個節點裝置組成，並透過所定義的不同角色功能來傳遞資訊或管理建置的網路，其開發者可依據現實情境需求來佈建該網路拓撲，以便達成管理之目的，其中 Zigbee 網路拓撲包含星狀拓撲（Start Topology）、樹狀拓撲（Tree Topology）以及網型拓撲（Mesh Topology）[15][28]，以下進行說明各網路拓撲的組成與功能，並彙整各類型拓撲之優缺點比較列於表 2.3。

 星狀拓撲（Start Topology）

星狀拓撲為最基本的網路拓撲類型如圖 2.6 所示，其組成以網協調者為中心，當網路協調者建立網路後，其他周圍的末端網路節點裝置就必頇透過網路協調者請求加入此網路，也就是說此類型拓撲的通訊方式，必頇透過網路協調者才能與周遭其他節點裝置進行溝通，方以執行傳送以接收資料動作。

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圖 2.6 Zigbee 星型拓撲架構圖

 樹狀拓撲（Tree Topology）

樹狀拓撲的裝置組合中包含網路協調者、路由器以及節點裝置如圖 2.7 所示，其中最上層的節點皆為網路協調者，而其底下所有的網路節點可以是路由器或節點裝置所組成，彼此皆為上下階層關係，也就是所有的網路節點，必頇透過上層傳送或接收才能與下層節點來通訊，此類型拓撲也稱為叢集型網路。

圖 2.7 Zigbee 樹狀拓撲架構圖

網路協調者節點裝置

網路協調者路由器節點裝置

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 網型拓撲（Mesh Topology）

建立網型拓撲架構僅需要一個網路協調者角色，其餘的周邊裝置可以是相同的節點裝置角色，以點對點的方式佈署架構，有多重路徑選擇擴增或縮小網路節點裝置之數量，而裝置與裝置之間可以直接相互傳送或接收來通訊。若當有兩個節點已超出收訊範圍時，即可利用其他節點裝置將預傳送訊息轉送至終點目標節點，如圖 2.8 所示。

圖 2.8 Zigbee 網型拓撲架構圖

表 2.3 Zigbee 網路拓樸比較表[15]

Zigbee 網路拓撲

星狀拓撲 (Start Topology)

樹狀拓撲 (Tree Topology)

網型拓撲 (Mesh Topology)

優點容易同步、低延遲、

易支援低功率操作

路由搜索耗能低、可支援睡眠機制模式、可支援較大範圍的網路

支援多點連結、網路型態能配合極高的可變性、不易延遲

缺點只能支援小範圍網路路由傳送較費時、發生延遲的機率高

無法支援睡眠機制模式、路由表的建立很耗能、路由探索較費時

網路協調者節點裝置

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在 Zigbee 網路標準的傳輸方法中，定義了兩種網路傳輸模式，分別是無信標網路（Non-Beacon Network）與有信標網路（Beacon Network）兩種模式[15][28]。透過此兩種傳輸模式的定義來了解網路協調者與節點裝置之間的傳送與接收方式，並在以下說明。

 Zigbee 之無信標網路（Non-Beacon Network）

在無信標網路模式中，當資料由節點裝置傳送給網路協調者時，不需等待信標封包（Beacon），所有的節點裝置必頇依靠載波偵測多重存取技術－碰撞迴避

（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA）機制來競爭頻道的使用權，當取得使用權時即可開始傳給資料給網路協調者。相同的，當資料由網路協調者傳送給節點裝置時，也是利用 CSMA/CA 來競爭頻道，再來送出請求訊息封包給網路協調者，此時當網路協調者有資料送給該裝置時，即送出回覆訊息將資料傳送給節點裝置，如圖 2.9 所示。

圖 2.9 Zigbee 之無信標網路傳輸模式流程圖

節點裝置網路協調者

nat 訊息封包

訊息確認封包 節點裝置→網路協調者

網路協調者 nat

節點裝置

請求訊息封包訊息確認封包

訊息封包訊息確認封包 網路協調者→節點裝置

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 Zigbee 之有信標網路（Beacon Network）

在有信標的傳輸模式中，當個人無線區域網路（WPAN）建立時，網路協調者會主動發出信標封包（Beacon），而節點裝置必頇要等待信標封包到達。當資料由節點裝置傳送給網路協調者時，節點裝置將所接收的信標對做同步化，並使用載波偵測多重存取技術－碰撞迴避（CSMA-CA）機制來競爭頻道使用權，當取得使用權時即可開始傳給資料給網路協調者。相同的，當資料由網路協調者傳送給節點裝置時，接收的信標後先確定網路協調者是否有資料要傳送給它，再利用 CSMA/CA 來競爭頻道，送出請求訊息封包給網路協調者，此時當網路協調者有資料送給該裝置時，即會送出回覆訊息將資料傳送給節點裝置，如圖 2.10 所示。

圖 2.10 Zigbee 之有信標網路傳輸模式流程圖

節點裝置網路協調者

nat

訊息封包訊息確認封包 節點裝置→網路協調者

信標封包

網路協調者 nat

節點裝置

請求訊息封包訊息確認封包

訊息封包訊息確認封包 網路協調者→節點裝置

信標封包

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2.3 適用於植物工廠之 LED 人工光源系統

在地球上，所有的生物成長都必頇仰賴空氣、水以及光，是生物賴以生存之要素。

在過去太陽是最原始的自然光源，在夜晚無太陽光時，人類會藉由火或燃燒物質來產生光源，直至現代的人工光源開發和製造，由此可見光源之重要性。因此有燈泡、日光燈管、發光二極體（Light Emitting Diode, LED）及雷射（Laser）等人工光源相繼誕生。隨著人工光源的出現與相關技術演進，除了利用光源發光照明外，光源的特性也跟隨著人類活動的需求，以及生物的生理需要而進行進化改變。例如光源的強弱度可隨著環境的明暗而改變、光照的時間可以隨著不同生物成長需要而進行調節、以及光的波長影響生物的生長形態與生理條件[39]。所以該如何運用光的特性來進行調整或改變，是近代光電科技技術極重要的研究。

在目前，鎢絲燈泡和水銀燈管是最為普遍使用的人工光源傳統照明燈，鎢絲燈泡的發光原理，是將大部份的電能轉換成輻射熱，因此其發光效能並不高，而發光過程所產生的輻射熱溫度高，易造成環境不適及空調系統的負擔。而水銀燈管的發光效能雖然優於鎢絲燈，但燈管內所使用的汞金屬物質，在燈管報廢丟棄時即造成環境污染。這兩種最常使用的人工光源使用壽命都不持久，是最容易耗損的，頻繁的替換不僅金錢浪費也造成不便。其他常用的人工光源還包括螢光燈（Tubular Fluorescent Lamp, TFL）、高壓鈉燈（High Pressure Sodium Lamp, HPS）及金屬鹵素燈（Metal Halide Lamp, MHL）等種類，而目前的農業栽植生產領域，最常使用螢光燈及高壓鈉燈等人工光源[35]。隨著時代的進步與科技發展，對於農業生產應用之人工光源選擇方面，

它必頇具備以下這些條件才符合現代科技農業的意義，包括可利用一般電流發光且反應快耗電量小、發光之波長和輸出必需穩定且使用壽命長、發光效率高但所產生的熱能極小、容易購買且價格低廉、可承受的溫度範圍高且耐震不易破損、及可使用率搭

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配性質高[19]。以下小節將針對高效能人工光源的相關原理特性、並說明如何在植物栽培上應用、以及在農業生產的應用價值做一個詳細說明。

2.3.1 LED 人工光源簡介與相關原理

發光二極體（Light Emitting Diode, LED）是一種半導體元件，具備體積小、省電、

壽命長、波長固定、低發熱、不需使用玻璃、金屬汞或含有其它有毒氣體固態的人工照明技術[35]。LED 的發光原理是由電轉換為光，過程中轉換的效率高，相對耗電量少，所使用之二極體元件是一種極小型的發光源，可搭配各種小型化的應用設備裝置，加上它是以直流驅動，可容易執行調變控制等高效率多方融合特性，而目前我們最常見到的應用包含有，3C 電子產品顯示面板、家庭照明、手持電筒、交通號誌、

車輛燈、招牌看板以及路燈、裝飾燈等多種類應用。若以生活中常用的一般燈泡及燈管作比較，LED 的燈泡使用壽命較一般燈泡高出 50 至 100 倍，以及日光燈管的 10 倍，而耗電量僅是一般燈泡的 20% 至 30% ，由於 LED 燈泡擁有多項的優點，是近年來不斷的發揚崛起的原因，更因為生產良率也日益提高，其製造成本也相對降低，

而目前高亮度產品也仍在不斷地研發提升中，所以 LED 的應用需求和未來前景是無可限量，可望在未來能完全取代鎢絲燈和水銀燈等傳統人工光源的使用，如此一來不僅省電還兼具有環保概念的新照明光源設備[39][36]。

發光二極體 LED 是利用化學元素週期表中 IIIA、IV 及ⅤA 的元素群族化合物半導體來製成的二極體[21][32]，其 IV 族元素包含碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）、砷（Sn）

及砷化鎵（GaAs）等，是屬於最穩定的一族，可形成穩定的晶體結構，但主要成分碳結晶為鑽石的原料其價格過於昂貴，所以一般商業上的 LED 製作材料以採用 IV 族的矽晶（Si）材料居多，由於缺少自由電子，這樣的結構使電子不易在此種晶體內

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適用於植物工廠之無線感測監控管理帄台 研究與實作