林業物聯網可行性評估及可能發展

林業物聯網可行性評估及可能發展

物聯網（

Internet of Things, IoT

2018

「物聯網應用於林業經營之可行性評估」之結論，提出林業物聯網之可 能發展。

文、圖︱陳碩聰︱雲林科技大學未來學院助理教授

　　　　彭奕嘉︱林務局森林企劃組資訊科管理師（通訊作者）

圖 / 大山影像

專輯

林業資源技術 發展及應用

專輯：林業資源技術發展及應用

早於1995年，微軟創辦人比爾蓋茲在《擁抱 未來》（The Road Ahead）一書中，即已提 出 他 對 「 物 物 互 聯 」 、 「 智 慧 家 庭 」 的 想 法

（圖1），而「物聯網」（Internet of Things, IoT）一詞則首次出現在1999年，由麻省理工 學院自動識別中心的Kevin Ashton提出，他用 這個概念來描述，當物品連接上網絡會怎麼樣 改變我們的生活。

物聯網基礎架構

物聯網的架構以人體感知作個比喻，分為感 官刺激（感知層）、神經傳導（傳輸層）、大 腦分析（應用層）等3層。

感知層

物體透過辨識系統或感測器技術偵測外界環 境的變化，接收各類的信息，就像人體的五官 各接受不同的外界刺激。

近 年 來 感 測 器 發 展 已 由 傳 統 的 類 比 式 進 化 為數位式，對於光線、熱量、溫度、濕度、壓 力、磁力、電場、機械、化學等環境，都能作

到極細微且精準的感測與數據採集；同時其數 據傳輸方式，也從有線連接進展成無線傳輸的 設計。

傳輸層

透過有線及無線的通訊技術形成傳輸網絡，

就如同人體的神經網絡，傳輸網絡能夠將信息 傳遞至位於雲端的主機。近年來低功率廣域網 路（Low Power Wide Area Network, LPWAN）

已成為物聯網發展趨勢，其主流技術包含NB- IoT、LoRa、Sigfox及Weightless等，各方技術 之優劣與應用如下：

一、NB-IoT

窄 頻 物 聯 網 （N a r r o w B a n d I n t e r n e t o f Thing；NB-IoT）（圖2），是由國際電信標準 制定組織3GPP所支持，針對IoT所打造的電信 級網路，對於網路傳輸品質、數據安全都有更 高的保障，由於不用大幅更改現行的4G LTE電 信網路架構即能快速部署，因而備受各國電信 商所支持。

二、SIGFOX

Sigfox（圖3）係來自法國的無線通訊技術，

主 要 應 用 於 智 慧 電 表 、 智 慧 水 表 、 路 燈 控 制 等，目前SIGFOX在全球32國布建基地台，目 標 在 建 立 一 個 全 球 共 同 的IoT網路，再透過各 地特許的網路營運商SNO（SIGFOX Network O p e r a t o r ） 提 供 服 務 （ 臺 灣 特 許 營 運 商 為

圖1、物聯網示意圖。（圖片來源：微基百科）

UnaBiz）。實務上SIGFOX對使用其平台的技術 生態系統有較為嚴格之限制門檻。

三、LoRa

LoRa（圖4）是美國半導體製造商Semtech 所開發，並由Semtech、IBM、Cisco為核心所 組成的LoRa聯盟所推動，可說是當前最受產業 界支持的LPWAN技術，也是除NB-IoT外，唯一 吸引電信營運商投入的LPWAN技術。

四、Weightless

We i g h t l e s s （ 圖 5 ） 為 使 用 非 授 權 頻 段 ， 並 已 與 歐 洲 電 信 標 準 化 協 會 （E u r o p e a n Telecommunications Standards Institute, ETSI）達成合作協議，該技術將仿效Wi-Fi，規 劃建立統一的標準和認證體系，將技術和產品 標準化、產業化。

以上幾個主要通訊技術的比較整理如表1。

應用層

由 位 在 雲 端 的 主 機 將 接 收 到 的 大 量 使 用 信 息，經過分析後，做出反應並給予各設備相對 的 指 令 ， 如 同 人 類 的 大 腦 中 樞 。 現 今 ， 物 聯 網技術快速發展，各國政府及不同領域皆相繼 採用物聯網技術，目前於物流、交通、保全、

能源、醫療、建築、製造、家居、零售和農業 等，皆有不錯的解決方案。

國內外林業物聯網發展現況

目前先進國家對於物聯網在林業上應用，主 要可分為森林環境與資源監測、森林火災消防 智能管理以及盜伐預防等3大面向。

技術協定 主推者 成立時間 布建國家 基站連接數 使用頻段 傳輸距離 傳輸速度

NB-IoT 3GPP 2016 NA 10萬 授權 20km 50kbps

Sigfox Sigfox 2009 17 100萬 非授權 10-50km 0.1kbps

LoRa IBM、CISCO 2015 12 25萬 非授權 3-15km 50kbps

Weightless ARM、NEUL 2015 3 100萬 非授權 2-5km 100kbps

表1、LPWAN主要技術比較表

圖3、SIGFOX 模組圖。（圖 / 優納比網路股份 有限公司）

圖4、LoRa 模組圖。（圖 / 建弈科技

有限公司） 圖5、Weightless模組圖。（圖 / 優必闊科技股份有限公司）

資料來源︰依據《新通訊》2月號資料重製

專輯：林業資源技術發展及應用

器與臭氧、氮氧化物、硫氧化物等空氣污染感 測器於森林環境的監測。另外，水質水位感測 器可用於監測林中溪流與湖泊的水質與水位監 測，除掌握水質與生態變化外，亦可預警溪流 湖泊水位過高造成洪水與土石流，以利在災害 發生前採取應變措施。

在林火偵測方面

美 國 已 有 許 多 研 究 ， 以 溫 度 感 測 器 偵 測 林 火 發 生 ， 惟 感 測 器 部 署 方 式 、 傳 輸 方 式 及 後 端 分 析 最 佳 化 尚 處 研 究 階 段 ， 主 流 方 式 為 應 用Fu z z y 的 方 式 隨 機 部 署 感 測 器 節 點 ， 經 多 重 跳 接 式 無 線 網 路 （M u l t i - h o p Wi re l e s s Networks）技術傳輸，最後在後端利用大數據 分析隨時間變化之溫度分布圖，判斷是否有火 情發生。

在防止盜伐方面

嘗試利用振動、聲音、傾倒等多元感測器結 合RFID同時監測樹木狀態與辨識樹木位置，與 環境監測及林火預防的部署相比，其網路傳輸 部分部署依貴重樹木分布位置而有所不同。

我國林業應用物聯網技術可能面向評估

為 了 評 估 我 國 林 業 部 門 應 用 物 聯 網 相 關 技 術的可能面向，經與林務局各業務單位以及學 者 專 家 多 次 會 議 研 討 後 ， 嘗 試 以 環 境 監 測 、 人流感測及盜伐監控等3項應用進行評估，並 於2018年9月至2019年1月間在福山植物園、

北插天山及北橫公路實地建置物聯網環境。建 置期間考量國內山區地形複雜，訊號傳輸多仰 賴無線電通訊，爰於環境監測評估時，一併於 東眼山地區實測無線電結合物聯網傳輸之可行 性，前揭規劃及結果分述如下。

利用微氣象站（整合空氣溫濕度、土壤溫溼 度、紫外線、光照度、大氣壓力、二氧化碳的 大型感測裝置），搭配小型溫濕度及壞溫度感 測器蒐集環境資訊，感測器部署於福山動態樣 區入口、東眼山森林遊樂區碎石林道入口、北 插天山第二登山步道入口及北橫公路68km，

並 透 過NB-IoT直連NBIoT基地台及LoR a加上 multi-hop方式串連等2種方式傳輸資訊，評估 可建立小範圍的微氣候圖，及進一步分析後應 用於林木生長監控、林火警告等方面。

二、步道人流感測

將人流感測器（紅外線偵測型）部署於赫威 山往北插天山方向之第一與第二登山步道入口 處，統計該入口登山客出入量，並透過NB-IoT 直連NBIoT基地台方式傳輸，評估透過人流分 析，作為森林保護區或育樂場域人數總量管制 或相關活動辦理之參據。

三、林木盜伐監控

嘗試利用斷線感測、磁簧感測、震動感測、

影像傳輸等感測器偵測，相關感測器規劃部署 於北橫公路60km至68km並透過LoRa傳輸，透 過多元化感測器即時偵測盜伐行為，並能同步 傳送盜伐現場影像予管理人員以利即時處置。

四、 以既有無線電系統結合微波通訊建構山區 物聯網通訊之可行性

臺灣山區幅員廣闊且受地形崎嶇阻礙、通信 不易，因此如何有效整合運用最新的資通訊技 術，以建立符合林業需求之「神經網路」成為 建構林業物聯網的關鍵。

林 務 局 為 達 成 森 林 資 源 維 護 、 森 林 災 害 搶 救、支援軍事作戰及救災防護等任務，於1992

（二） 感測器耐候性：山區氣候多變，雨量及 濕度均會影響感測器使用年限，惟受限於 測試時間較短，尚無法評估影響程度。

（三） 感測器維護：感測器依感測事件觸發類 型分為「定時傳送」及「事件觸發」2 種 ， 其 中 定 時 傳 送 型 （ 如 溫 濕 度 感 測 器 ） 因 觸 發 頻 率 固 定 ， 可 定 期 派 員 維 護；事件觸發型（如盜伐監測）平時處 於休眠模式耗電量低，但觸發後設備會 被破壞或必須重新設定，需不定期派員 維護。

二、傳輸層

（一） 基站維護：基站建置除考量空間條件、

水土保持及生態保育要素外，也需評估 場域的平均日照量是否充足，如日照量 不足應考慮以蓄電池結合太陽能板的模 式供電，於電力供給不足處建立基站將 大大提供維護頻率。

（二） 訊號傳輸受環境影響：物聯網訊號傳輸 易受山坡高度落差及林木茂密影響，如 經過山壁將完全斷訊，需採架高天線或 multi-hop傳輸方式處理；另，依據在 福山植物園測得資訊推估，氣候陰濕下 雨對訊號強度造成約7%-21%衰減，如 遇 連 續 大 雨 之 天 氣 時 ， 將 導 致 訊 號 不 穩，甚致中斷。

（三） 微 波 物 聯 網 傳 輸 可 行 性 ： 經 實 地 傳 輸 實 測 ， 已 證 實 長 距 離 點 對 點 通 訊 之 可 行性，並實測達35Mbps之通訊速率，

足以傳送影片資料，惟目前實驗數據較 少，於基站選址及中繼傳輸方面需進一 步研究。

年起陸續於全臺林地布建無線電通訊網路，並 於2008年起逐步將全臺無線電通訊系統由類 比轉為數位，大大提升通訊品質、安全及保密 性，因此林業物聯網有關傳輸層的建構，宜以 此為基礎，並嘗試將現有無線電中繼站位置共 構於一微波結合物聯網之網路通訊架構中（如 圖6）。本次評估選定東眼山至板橋市區之辦 公大樓（距離22.8km）進行長距離傳輸實測，

如可證實遠距傳輸可行，未來將可應用相關技 術於遠山地區，有效改善山區網路通訊品質。

評估結果

經由前揭應用情境建置後，分別就物聯網之 感知層、傳輸層及應用層評估其應用可行性及 限制。

一、感知層

（一） 感測器效能：本次評估使用之溫濕度、

盜伐觸發、人流計數器等感測器，依據 實地量測結果，於山區環境溫度計誤差

±0.1℃；濕度計誤差±0.2%；盜伐觸發 裝置尚需進一步調校及研究；人流感測 因環境因素複雜且有併排行走等干擾因 素誤差率較高。

圖6、微波物聯網建置架構圖。（圖 / 雲林科技大學）

專輯：林業資源技術發展及應用

展，各家廠商都有一套資料格式及傳輸 的標準，如何接收及整合不同的資料傳 輸標準及資料格式是首要問題。

（二） 資料處理：隨著林業物聯網規模逐漸擴 大，蒐集到的資料將會以幾何級數的方 式 成 長 ， 如 何 蒐 集 、 儲 存 及 處 理 大 數 據，將是未來可以預見的關鍵問題。

（三） 資料利用：配合國發會資料開放政策，

未來林業物聯網所蒐集到的資料，將以 全 數 開 放 為 原 則 ， 資 料 開 放API應使用 Restful格式撰寫，以利各需求單位介接 使用。

林業物聯網未來應用發展之探討

物聯網技術在林業部門的應用，即使在先進 國家仍處萌芽期，對我國而言，無論在技術面 或應用面上仍有許多努力空間。

技術面

一、在感知層方面

感測器選擇應考量臺灣位處於亞熱帶潮濕多 雨的環境特性，至少應有IP66以上防護等級外 殼以提升防潮性能，必要時可採模組式開發降 低裝置成本。

至於感測器維護應依不同感測器訂定適合巡 檢頻度，以確保資料蒐集之可用性。

二、在傳輸層方面

於 通 訊 架 構 方 面 ， 可 採 混 合 微 波 、LoR a、

NB-IoT之混合架構，因應地形環境之不同，適 時調整採行的傳輸方式，以節省建置成本。

亦需考量以蓄電池結合太陽能板的模式供電。

三、在應用層方面

應 規 範 感 測 器 回 傳 資 料 格 式 、 大 數 據 資 料 儲存格式及開放API格式，並整合各項資料標 準，避免資料整合、介接及交換發生錯誤。

於後端應用面，可採用大數據處理技術（如 Spark、Hadoop）處理，以提升整體效能。

應用面 一、前期

可於3G/4G訊號充足且電力與施工車輛皆較 可及之區域，如各森林遊樂區及淺山地帶，建 構物聯網通訊環境，可在有限的成本下協助進 行環境監控及設施管理相關業務。

可與地方合作於偏鄉地區建構物聯網環境，

除利用物聯網蒐集林地環境資訊協助政府決策 外，亦可將物聯網利用於教育、醫療、交通、

救災及農業等領域，改善山區民眾生活品質。

二、後期

可建置林業物聯網資料共享平台，彙整產官 學各界物聯網資訊，並提供開放式介面，促進 資料交換及資料應用發展。

可開放部分林地作為國內林業物聯網產業媒 合實驗試辦計畫（POC, Proof of Concept）場 域，協助產官學研各界進行產業創新、強化公 私協力及提升林地管理效能，建置產官學三者 共榮之生態體系。

結語

根據Strategy Analytics於2017年研究預測

（圖7），至2021年全球將有超過300億個物聯 網裝置，超出電腦及手機等通訊產品之總合，

並持續且穩定的保持年增率10%以上的成長，

顯示物聯網及其應用將是未來科技發展的一大 領域。

隨著相關科技發展之成熟，技術面的瓶頸將 逐漸被克服，在應用服務及資訊整合面如何統 整分析大數據資訊以最大化發揮物聯網應用價 值，將是未來極需思考的課題。

圖7、物聯網裝置數量預測圖。（圖片來源：https://www.

strategyanalytics.com）

圖 / 大山影像

專輯：林業資源技術發展及應用