台灣山區道路邊坡災害防治最佳化之研究---總計畫暨子計畫：以格網技術進行山區道路雨量和淺層土壤含水量監測之研究(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

總計畫暨子計畫:以格網技術進行山區道路雨量和淺層土壤 含水量監測之研究(I)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC94-2625-Z-011-002-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系

計畫主持人： 廖洪鈞 共同主持人： 謝佑明

報告類型： 完整報告

報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 9 月 26 日

以格網技術進行山區道路雨量和邊坡淺層 土壤含水量監測之研究

廖洪鈞 謝佑明

摘 要

本研究主要目的在於建立一套架構於格網系統之山區道路邊坡雨量觀測方 法。本文以 GPRS 無線封包數據服務，使得現地雨量站得與網際網路串連，並 借由網際網路即時將山區道路邊坡之雨量資料傳回後端資料伺服器，供相關降雨 引致山區道路邊坡崩坍機率之研究。為瞭解山區道路邊坡現地雨量收集情形及借 由 GPRS 服務連接網際網路，回傳即時雨量之可行性，本研究於山區道路邊坡 旁設置安裝完成數處雨量計後，並以 GPRS 服務回傳安裝完成後之數次颱風、

豪雨降雨量。以及比較 GPRS 回傳之降雨量與現地放置之雨量計記錄器雨量是 否一致。本研究亦針對可回傳即時雨量資料期間，GPRS 服務連線發生的各種狀 況，加以探討 GPRS 服務連接網際網路回傳即時雨量資料的可行性，最後則對 以 GPRS 服務連接網際網路的回傳架構，提出改善及建議。

一、前 言

隨著經濟的迅速發展，人們活動範圍亦逐步從平原地區往山麓甚

至高山地區發展，而隨著一條條山區道路的開通，台灣地區很多原始

的山區便逐一淪陷，姑且不論現今台灣山區在人們開發下己經變成何

種慘狀，很多山區邊路在通車數年、數十年後，歷經了 921 大地震 及數次風災所產生的極端暴雨侵蝕下，許多山區道路每每在豪雨降下 後，便四處崩坍，落石不斷，遭成山區道路之中斷，本研究希望借由 有下一代網際網路之稱的「格網」技術，來針對最主要造成山區道路 損壞的主要誘發因子－雨量，進行觀測技術的研究。

目前雨量的測報是由中央氣象局進行，且目前氣象局已完成台灣 地區四座氣象雷達的佈設，再配合分佈於全台的四百餘座氣象站，氣 象局的雨量預報準確度已大為提高，但在很多山區的雨量站密度仍稍 有不足，若能在特定地區增設雨量站，並與氣象局之雨量站結合，以 提升預測山區道路沿線邊坡崩塌機率，將可在颱風豪雨期間提供動態 性的山區道路邊坡崩塌機率，供道路養護單位防救災和維修工作之參 考。

本研究主要在格網技術的概念下，經由 GPRS 無線封包數據傳

輸方式使現地雨量站控制器連上網際網路(INTERNET)，並藉由網際

網路回傳現地雨量至遠端資料伺服器，回傳之雨量資料將可做為降雨

引致山區道路邊坡崩坍之機率等相關研究使用。研究重點除探討現地

雨 量 計 設 置 及 雨 量 收 集 是 否 正 確 外 ， 現 地 控 制 器 如 何 連 接

INTERNET，連接 INTERNET 後如何將資料回傳至後端資料接收伺

服器的可信度亦是探討之重點。至於後端伺服器接收雨量資料後雨量

資料如何儲存及發佈警戒、預警等功能並不在本研究探討之範圍，但

為瞭解資料回傳情形，仍使用一初步程式用來顯示即時回傳雨量及各

雨量站降雨歷時曲線，做為研判山區道路邊坡降雨量回傳是否正常之

用。

二、利用格網技術之研究

目前利用到格網技術的研究，大都偏向在需要大量計算資源的研 究，本章將介紹國內目前已運用格網技術在監測或災害預防相關領域 的研究與應用，格網在計算方面的相關應用並不涉及，監測或災害預 防中與格網相關的研究有生態格網、防洪減災格網及田間伺服器，相 關研究說明如下。

(1)生態格網之研究

長期生態研究多以長期觀測資料的蒐集、分析、預測模式的建立 為主要目標，因此於野地設置多種監測儀器，收集多樣物理、化學、

氣象以及生物觀測資料。現地觀測資料蒐集後受限於儲存空間大小及 電源的限制，研究人員須定期長途跋涉至野地，擷取資料及更換新電 源，或視需要調整監測感應器。

由於野地無電力供應，使用電腦資訊與網路支援困難重重，而長 期生態野地研究也因此滯留於傳統方式，與數位時代資訊科技的應用 越行越遠。解決這種困境的方式，即是引入無線網路、太陽能板電力 供應與電池技術。生態格網(Eco-Grid)主要與「臺灣長期生態研究網」

(Taiwan Ecology Research Network,TERN)合作，初期以福山為原型 試驗平台，系統以無線格網系統、即時資料交換與儀器遠距控制為主 要課題，並經由高速網路及先進資訊技術與長期生態研究系統結合，

提供野地現場觀測資料之即時數據服務，目前已累積大量且長期的觀 測數據並用以支援研究實驗。圖一為生態格網在福山植物園所佈設無 線網路架構。

圖二為臺灣長期生態研究網於全國六個生態實驗區(福山、鴛鴦

湖、關刀溪、塔塔加、南仁山、墾丁)所做生態研究，該研究與國網

中心知識格網及學術研究網路整合，作即時生態觀測之資料分析、加

值及應用。

圖一 福山植物園無線網路架構圖

圖二 臺灣長期生態研究格網架構圖

在生態格網(Eco-Grid)計畫中，結合水文、氣候、地質、動植物

等多樣性專業領域知識，整合異地儀器設備及計算資源，建立一經常

性、即時性的長期生態觀測格網系統。並藉由大量的感應器佈置形成

的網路，取得大量觀測資料，再透過生態模式模擬，評估對生態系所

造成的影響。

(2) 防洪減災格網

台灣地區位亞熱帶季風區，每年 5~6 月間會有梅雨鋒滯留，7~8 月間則有颱風侵襲，加上地形陡峭，河川短促，常引發嚴重天然災害，

防洪減災格網(Flood Mitigation Grid)即經濟部水利署水利防災中心 為整合各地之監測資料、災情資料、災情預報及相關指揮派遣作業等 大量資訊所規劃之系統平台，該平台系統即利用格網技術將原缺乏整 合的各應用系統整合，提升系統的效能。

防災減災格網架構結合了監測格網、資料格網、計算格網及超級 視訊格網，其系統架構如下圖三所示。

圖三 防洪減災格網架構圖 各架構分述如下:

(a)監測格網(Sensor Network)

為了解災害現場之畫面，對於災害發生時的影像監視資料，有著

急迫建置需求，各河川局的監視影像設備，原本只能在局部區域之監

控中心監視，無法將各河川局之監視影像整合至水利防災中心。並利

用格網技術開發同步群播(Multicast)之中介軟體，開發具多人上網瀏

覽之即時監視系統，成功將基隆河中山橋(圓山抽水站)、江長抽水

站、台南鹽水溪、翡翠水庫等防洪監視影像整合至網頁上。

(b)資料格網(Data Grid)

水文觀測資料庫平時由各河川局負責維護與管理，但颱風、豪雨 時，必須能將各地資料庫即時彙集至中央災害應變中心，因此資料格 網將扮演整合分散式異質資料庫之重要角色。資料格網以網際網路為 媒介，將資料庫連結(如 ODBC、JDBC 等)、檔案傳輸(如 FTP、HTTP) 以及資訊交換(XML)等技術應用於資料的整合。除此之外，透過中介 者介面(Middleware Interface)服務亦可將前端使用者與後端儲存設 備 連 接 起 來 ， 並 可 提 供 網 路 服 務 或 應 用 程 式 介 面 (Application Program Inteface,API)來存取資料，即可整合多樣的前端應用與不同 的後端儲存來源，達到通透性的資料存取之功能。

(c)計算格網(Computational Grid)

計算格網為結合科學視算技術及地理資訊系統(GIS)，開發前端 網路版圖形使用者介面(Web-based Graphics User Interface)，作為 參數輸入、數值計算以及結果展示的畫面。在後端則將撰寫中介軟體 結合高速計算系統環境、資料庫系統、知識整合機制等，同時進行全 省 24 條重要河川(中央管理)之洪水預報分析。

(d)超級視訊格網(Access Grid)

超級視訊格網是為了資訊交流所設計的一種平台、整合視訊影 像、聲音及多元化資料(如監視影像、預報成果等)，以進行群體間 (Group to Group)多邊網路視訊會議。

(3) 田間伺服器

田間監測伺服器(Field-Server,FS)為台灣大學研究團隊在斗南鎮

農業示範農田和台大校園內分別架設3個及2個監測點，田間監測伺服

器系統為密集型低成本多用途的網路自動化農產品生產監測與田間 資料收集系統，其單一伺服器可以太陽電池或一般電力運作，並能依 農業場合應用需求的不同，選擇安裝不同的感測器，包括光照、土壤 與環境溫濕度、導電度、喇叭、麥克風、IP 攝影機、紅外線等；也 可安裝多台攝影機與不同尺寸的太陽能板；並具有無線網路功能，使 用乙太網路傳輸協定，傳輸距離約一公里，因此數個FS 能自行連成 網路，並從任一點就近直接連線到網際網路，因此使用者可透過網際 網路，從遠端操控，做農業生產之即時田間監測、資料收集與管理。

儲存之資料在收穫後可提供消費者上網瀏覽瞭解栽培過程之田間狀 況與氣象，本體架構如圖四所示。

圖四 田間監測伺服器架構圖

FS 使用PICNIC (Tristate Corp, Japan)與感測器結合。PICNIC

為Programmable Interface Controller with Network Interface Card

的縮寫，顧名思義，此卡為可程式化的控制器，本身具有特定IP，可

結合無線AP 上傳感測訊號。透過程式語言轉換訊號值為具物理意義

的數值的動作不在田間伺服器內執行，透過無線傳輸的僅為原始訊 號，這是FS系統的一大特色。譬如mV 轉換為℃的溫度數據或mV 轉 換為m

/m

的土壤體積比含水率數據的過程，只在資料庫端執行，可 大幅降低網路上的傳輸量與簡化FS 端的軟硬體設計。

圖五 斗南鎮農業示範農田田間監測伺服器系統架構圖

三、研究架構、設備與成果

(1)研究系統架構

本研究主要在台 18 線阿里山公路沿線邊坡易崩塌地點附近佈設 雨量站，並利用格網技術將雨量即時回傳伺服器，整體架構如圖六所 示：

圖 六 台 18 線雨量監測格網架構

本研究架構中，主要四個部份所組成，四個主要部份分別為雨量 計、控制器、通訊方式及資料收集，各部份架構選用之考量如下所示。

(a)雨量計佈設地點之考量

本研究主要是為了收集現地雨量資料做為邊坡邊路崩塌機率之 研究，因此雨量計的設置地點能否反應出致災當時之降雨量，便極為 重要。本研究雨量計的設置地點有下列考量：

I nt er net

GPRS 無線通訊連 至網際網路

…………

雨量計

嵌入式控制器 GPRS 通訊模組

雨量計

嵌入式控制器

數位輸出入模組

GPRS 通訊模組

雨量計

嵌入式控制器

數位輸出入模組

GPRS 通訊模組

…………

GSM/GPRS GSM/GPRS GSM/GPRS

數位輸出入模組

資料收集分析儲存伺 服器(

140.118.105.4)

資料收集分析儲存伺服 器(

140.118.105.194)

1.鄰近崩塌地。

2.設置地點開闊，附近無高大喬木生長。

3.雨量計設置於圍牆或紐澤西護欄時，雨量計開口應高出圍牆或 紐澤西護欄。

4.設置地點宜避開持續崩塌地或易遭崩落物淹埋處。

5.附近有適當掩避地點，研究設備便於藏匿。

為了瞭解本研究雨量計設置條件是否合宜以白沙氣象站觀測坪 設置條件及師大地理系建議雨量計設置場所條件進行比較。

白沙氣象站觀測坪設置條件如下：

1.地勢平坦寬闊，排水良好，無積水之患，並避免人煙密集的地 方。

2.地面舖種淺草並需經常修剪，保持適當長度，不可使用水泥地、

石子地或裸地。

3.不可設於靠近陡坡、山脊、懸崖、山谷及凹地或不便瞭望處。

4.足以影響氣象之巨大建築物、溪流、湖泊及密林均應遠離。

5.四周如有障礙物，觀測坪與障礙物指距離應至少為障礙物高度 之四倍以上。

6.觀測坪之面積視安置儀器多少而定，普通長 10 公尺，寬 8 公 尺即可夠用。

7.觀測坪四周為以稀疏之矮木柵或竹籬，如用鐵絲網更加，以免 閒人或牲畜闖入毀損儀器。

8.觀測坪如為方形，以正南北向為佳，裨益於辨認方向。

師大地理系建議雨量計設置場所條件如下:

1.避免強風吹襲之地帶。

2.避免上升氣流之地帶。

3.半徑50m 內為開曠地。

4.考慮通信、維護之方便。

5.考慮地形、高程因素，需具代表性。

6.避免設置於屋頂、山脊。

由上述二設置條件與本研究山區道路旁所設置雨量站比較，發現 本研究設置基本條件與一般雨量站設置條件有若干差距，所量得之降 雨量將受到山坡地地形、障礙物、風向等影響，且本研究雨量計設置 地點並無法取得土地使用權，只能利用山區道路旁有限空地設置雨量 計，所以本研究所量得之雨量與一般氣象站所測得之雨量資料，產生 在若干差距。

本研究雨量站設置地點分別為台 18 線 25K+100、27K+200、

40K+500、 56K+200、 64K+800 共五處及台科大工程 2 館屋頂 (NTUST-E2)。

(b) 控制器的考量

本研究初期擬利用格網技術回傳現地雨量資料、土壤含水量及土 壤基質吸力等，目前多數研究都採用工業電腦 IPC 配合 I/O 資料擷取 卡來達成現地資料擷取或資料傳輸之目的，但採取工業電腦亦要有若 干條件配合，現場需有足夠電源供應電腦、風扇所需電力、適當空間 可供散熱，但本研究受限現場無電源且無法構築電腦放置空間下，以 工業電腦做為控制器的構想便變得過於豪華，且不經濟。因為上述原 因，使得體積小、耗電量低、無風扇且穩定性高的嵌入式控制器便成 為首選。

以本研究為例控制器便需具備下列功能：

1.具計數器及類比輸入功能(電流量測)。

2.具標準通訊界面，可連接通訊設備，以便回傳資料至伺服器端。

3.因控制器的安裝於野外，耐候性佳，穏定不易當機。

4.控制程式發展容易。

5.耗電量低。

6.價格合理。

本研究採用泓格科技所生產之 I-7188XC 可程式自動控制器，該 控制器採用「泓格科技」自行研發之 Dos-like 作業系統 MiniOS7 ， 並可執行 C/C++編譯的執行檔，最後經由標準 RS232 連接 GPRS 模 組，透過 GSM/GPRS 電信網路將現地資料回傳至設於研究室之資料 收集伺服器。選用上述嵌入式控制器產品的原因如下：體積小、價格 便宜、可擴充 I/O 界面、提供詳細教學及大量開發程式範例，初次使 用者或非相關科系人員入門容易。

(c) 資料收集

硬體方面本研究主要利用台科大現有網路資源做為連線網路及

研究室各人電腦設備做為資料伺服器設備，因本研究雨量資料接回之

伺服器共二處，分別為 140.118.105.4 及 140.118.105.194(如圖六所

示)，其中 140.118.105.4 的伺服器除接收現地雨量資料外，並以該

伺服器之電腦時間為本系統之時間基準，現地控制器依據該伺服器之

時 間 每 15 分 鐘 將 現 地 雨 量 資 料 分 別 回 傳 上 述 二 處 伺 服 器 。

140.118.105.4 資 料 收 集 伺 服 器 ， 主 要 利 用 VB6.0 程 式 語 言 以

Winsock 控制項與 OLE DB/ADO 資料庫技術撰寫雨量收集程式及雨

量展示程式。另外在 140.118.105.194 資料收集伺服器上，則利用 JAVA 語言及 mySQL 資料庫所撰寫收集雨量資料及展示程式。由於 本研究重點偏向於以無線網路回傳即時雨量資料的可行性及正確 性，至於雨量資料回傳後如何利用網頁工具展示雨量資料及利用即時 雨量資料進行災害預警的工作，則可利用本研究己完成之初步架構繼 續延伸做進一步的研究。

(d) 通訊方式的考量

本研究初期針對表一通訊方式考量選用適當傳輸方法：首先考量 所需費用成本，因此衛星及微波方案即遭排除。二考量本研究雨量站 設置地大都在山區道路旁，附近無民宅及電話配線設施，需要有線電 話的方案，ISDN、ADSL、固接專線和撥接網路再遭排除，剩餘通訊 方式比較如下：

表一 各種通訊方式比較 (參考坡地災害緊急搶修與復建整合技術研究(1/2))

比較項目

ISDN A D S L 固接專線 撥接網路 衛星網路 微 波 G S M G P R S R S 4 8 5 無線

R S 4 8 5 有線

架 設 成 本 低 低 中 最 低 高 極 高 低 低 中 中

通 訊 費 低 低 高 低 最 高 無 低 低 無 無

地 點 電話能

到達

電 話 能 到達

電 話 能 到達

電 話 能 到達

大部份均可 大部份均可 訊號良好處 訊號良好處 大部份均可 大部份均可

干 擾 無 無 無 無 較不受干擾 易 干 擾 較不受干擾 較不受干擾 較不受干擾 無

穩 定 性 中 高 高 中 高 高 中 中 高 高

耐 候 性 高 高 高 高 低 低 中 中 低 高

1.以佈線方式架設 RS485 網路做遠距傳輸，傳輸距離約 1.2 公 里，超出時則加入訊號重置器(Repeater)。

2.以無線方式架設 RS485 網路做遠距傳輸，傳輸距離 100~300

公尺，需配置 Ridio Modem，距離較遠時需再外接天線。

3.GSM 無線傳輸(含簡訊)，GSM 無線傳輸，類似傳統語音電話 方式，以播號方式連接通話二端。

4.GPRS 無線傳輸，與傳統語音電話比較，較類似 ADSL 上網方 式，連上網際網路，連上網際網路後便可直接將資料回傳至 資料收集伺服器。

本研究考量佈線工作之可行性及無線傳輸之穩定性與價格後，僅 餘 GSM 及 GPRS 兩方案，最後決定採用 GPRS 通用數據封包服務(採 每月 300 元通信費率)回傳至資料收集伺服器。原因係本研究需定時 回傳雨量資料且每次回傳資料量極少，以 GSM 方式回傳資料時，所 需通訊將高過 GPRS 所需費用。

本研究採用中華電信 GPRS 通用數據封包服務，選用之費率為 每月新台幣 300 元。此外申辦 GPRS 服務時有若干要點需注意：

1、因詐騙集團猖獗橫行，現今中華電信每月只允許每用戶申辦 2 個門號，同時需使用大量門號時應事先辦理。

2、以學校名稱申辦門號時，申請表格需學校用印及單位首長基 本資料，所以應先估算行政單位作業所需時間，避免門號申 辦不及。

(2) 研究設備說明

(a) 嵌入式控制器

本研究採用泓格科技公司所出產之 I-7188XC 可程式自動控制

器，如圖七所示，該控制器主要特徵是高穩定度、PC 相容性高、精

簡化需求而設計出來價錢合理之掌上型控制器。本研究利用這個控制

器，作為核心處理器，將雨量計轉倒時所產生的 ON/OFF 訊號利用

控制器數位輸出及輸入頻道(DO/DI)進行雨量計算的工作，完成雨量

計算後並利用 I-7188XC 控制器的 RS232 串列埠連接 GSM/GPRS

模組，將雨量定時傳回遠端伺服器。I-7188XC 操作原理、步驟及相 關應用範例，亦詳於 7188XA/B/C & 7521/2/3 Series Hardware User ’ s Manual或泓格科技公司網站 http://www.icpdas.com 內容。

圖七 7188XC 嵌入式控制設備

(b) GPRS 模組

本研究採用弋揚科技公司所出產之-「GPRS 實驗模組」(EGD-01)，

如圖八所示，該模組核心為 SIMCON Ltd 所生產生之 SIM100S module，該模組涵蓋 GSM900/1800/1900 三頻寛，支援資料(Data)、

傳真(Fax)、簡訊(SMS)、語音(Voice)傳輸，並提供串列通訊埠可經 由 AT command 對模組進行控制，研究過程即利用前述 I-7188XC 控 制器，以 C 語言下達 AT command 對「GPRS 實驗模組」進行控制，最 後借中華電信 GPRS 數據封包服務，將現地雨量傳回台科大資料伺服 器。圖九為本研究以 7188XC 控制器利用 GPRS 模組及中華電信所提供 GPRS 數據封包服務

圖八 GSM/GPRS 通訊模組

SIM100S module

SIM 卡插座

(c)雨量計

本研究共採用每次傾倒 0.2mm 及 0.5mm 等二種傾倒式雨量計，

圖十分別為本研究所使用之二種雨量計(左為 0.2mm 右為 0.5mm)。

圖十 為本研究所使用之二種雨量計照片 (d) 電 源

正常的電源供應是使所有研究設備能否正常運作的基礎，本研究 現地設備因位山區道路旁，無一般電力可使用，所以本研究考量使用 太陽能電池及 12V 汽車電瓶為現地電力來源，但考量現地因素，架 設太陽能面板極醒目容易失竊等因素，最終使用 12V 50Ah 免保養汽 車電瓶。本研究使用之現地設備耗電量如下：I-7188XC 控制器 2.0W，GPRS 模組 2.0W(Transmit)、0.036W(Sleep)，其中傳輸時 間每 15 分鐘一次，每次傳輸時間約 20 秒，總耗電量計算如下，設 備總耗電量為 2.08W。12V 50Ah 電瓶計算可使用時間約 12 天，使

SIM CARD (中華電信)

GPRS MODULE (EDG-01)

RS-232

7188XC 控制器

圖九 GPRS 模組連接示意圖

GSM/GPRS

網路 INTERNET

用時因耗電電流較測試電流小，可使用之時間應大於 12 天。最後以 實機組裝進行測試，實測結果一個 2V 50Ah 電瓶可使用時間長達 30 天。

總耗電量:  

W 08 . 60 2

60

80 3600 036

. 0 4 20

2 2 











 

12V50Ah 小時電瓶可使用時數: 288 . 5 12 天 08

. 2

50

12   

hour

本研究資料收集端資料收集伺服器電腦，電源使用學校一般 110V 電源，但考量電源穩定度，避免伺服器突然斷電當機，本研究 另加一 180W 不斷電系統(UPS)，提供短時間備援電力。

(e)雨量記錄器

本研究主要在利用無線技術連上 IP 網路並將現地雨量資料回傳 資料伺服器，但在研究初期與過程中為避免資料遺失並確認雨量資料 無誤，仍於台 18 線 27K+200、56K+200、64K+800 等三處雨量站 設置單一雨量記錄器，記錄該處雨量資料，並於日後使用筆記電腦接 收該處降雨量，並與即時回傳雨量資料核對降雨資料是否正確。圖十 一為雨量記錄器之外觀。該雨量記錄器為 Onset Computer 公司所出 產之 HOBO H7 Event Data Logger，該記錄器記憶容量為 8000 筆 資料，使用鋰電池，約可供電一年，現地使用時配合筆記型電腦及該 公司操作軟體，達到設定記錄器及下載雨量資料的目的。

圖十一 雨量記錄器之外觀

(3)單一雨量站架構

本研究利用上述設備共架設六處雨量站，每處雨量站架構如圖十 二所示，其中雨量記錄器僅存在台 18 線 27K+200、56K+200 及 64K+800 三處雨量站。各雨量站完成架設後，本研究整體架構如圖 六所示。

圖十二 單一雨量站架構圖

(4)研究成果與討論

(a)雨量計安裝成果

本研究利用上述設備分別於台 18 線 25K+100、27K+200、

40K+500、 56K+200、 64K+800 共五處及台科大工程 2 館屋頂 (NTUST-E2)假設一處雨量站，各雨量站架設基本資料如表二所示，

其中位台 18 線五處雨量站位置如圖十三所示，各雨量站現場裝情況 如圖十四~圖十九所示。

140.118.105.4 雨量收集伺服器

, ,

雨量計 嵌入式控制器

現地雨量站

GSM/GPRS 無線通訊網路

GPRS模組

中華電信

INTERNET

140.118.105.194 雨量收集伺服器

(option)

表二 本研究架設雨量站基本資料 二度分帶座標

站名 高程 (m)

X (m) Y (m) 設站日期 R-T18-25K+100 466 209746 2592843 2006/6/17 無線傳輸

R-T18-27K+200 534 211548 2592561 2005/3/31 Datalogger 2006/5/06 無線傳輸

R-T18-40K+500 1232 214457 2591343 2006/6/17 無線傳輸

R-T18-56K+200 1455 221501 2596053 2005/3/31 Datalogger 2006/6/17 無線傳輸

R-T18-64K+800 1617 225331 2598781 2005/3/31 Datalogger 2006/6/17 無線傳輸

NTUST-E2 49 303599 2767535 2006/5/06 無線傳輸

● ●

●

●

●

圖十三 台 18 線雨量裝設位置圖

N

圖十四 R-T18-25K+100 雨量站安裝情形

圖十五 R-T18-27K+200 雨量站安裝情形

圖十六 R-T18-40K+500 雨量站安裝情形

圖十七 R-T18-56K+200 雨量站安裝情形

圖十八 R-T18-64K+800 雨量站安裝情形

圖十九 NTUST-E2 雨量站安裝情形

(b)雨量收集成果與展示

本研究從 94 年 4 月至 95 年 7 月 30 日現地收集雨量成果如附件 所示。即時雨量資料在 140.118.105.4 資料收集伺服器上，則利用 VB6.0 程式語言所撰寫雨量收集程式及展示程式如圖二十及圖二十 一~圖二十二所示，140.118.105.4 資料收集伺服器上雨量收集及展 示程式。140.118.105.194 資料收集伺服器上，則利用 JAVA 語言所 撰寫收集雨量資料及展示程式如圖二十三及圖二十四所示，此伺服器 程式收集雨量及展示程式由本系資訊組碩士班黃禹澄同學協助完成。

圖二十 140.118.105.4 伺服器雨量資料收集情形

圖二十一 140.118.105.4 伺服器雨量資料(一天內每 15 分鐘雨量)

圖二十二 140.118.105.4 伺服器雨量資料(一週內每小時雨量)

圖二十三 140.118.105.194 伺服器雨量資料收集情形(一)

圖二十四 140.118.105.194 伺服器雨量資料收集情形(二)

(c)雨量即時回傳狀況

本研究雨量即時回傳 140.118.105.4 資料伺服器狀態如表三所 示，研判所有回傳狀況及雨量後，提出以下問題與討論：

表三 各雨量站連線狀況一覽表

儀器安裝地點 安裝及連線狀況 評 估

NTUST-E2 6 月安裝→7/ 24止良好 良好 R-T18-25K+100 6/17 安裝→ 7/ 3校園網路中斷 10HR.

7/12 重設→7/ 24止良好

尚可

R-T18-27K+200 5/6 安裝→6/ 6電源不足中斷 6/17 安裝→7/ 9中斷(豪雨時中斷) 7/12 重設→7/ 24止良好

尚可

R-T18-40K+200 6/17 安裝→ 6/ 18中斷 7/12 重設→ 7/ 13中斷

NG 更換安裝位置

R-T18-56K+200 6/17 安裝→7/ 3校園網路中斷 7/12 重設→7/ 15中斷(豪雨時中斷)

尚可

R-T18-64K+800 6/18 安裝→7/ 12止良好

7/12 重設→7/ 15中斷(豪雨時中斷)

好

1、以 NTUST-E2 雨量站及 R-T18-64K+800 雨量站(6 月 18 日至 7 月 12 日)連線情形顯示，在 GSM/GPRS 訊號良好的地點且基地 台功能正常的情形下，便用 GPRS 無線封包服務做為即時資料傳 送的方法，可獲得不錯的傳輸品質。

2、以 R-T18-40K+200 雨量站連線情形顯示，該雨量站在二次設定

完成後於第二日隨即中斷連線(分別於 6/17 安裝，6/18 中斷及

7/12 安裝，7/13 中斷)，討探原因可能該雨量站通訊設備裝設地

點 GSM/GPRS 訊號不良，該處 GSM/GPRS 訊號易受天候因素

或基地台功率調整等因素影響，無法連上 GPRS 網路。

3、R-T18-27K+200 雨量站於 5 月 6 日安裝至 6 月 6 日中斷連線，

討探可能原因有二，一為以學校名稱申辦之 GPRS 無線通信服 務，因學校單位在收到繳費單後，未將繳費單轉至使用單位，最 後因未繳費，GPRS 服務遭電信公司斷線。二為所使用 50Ah 汽 車電瓶電源耗盡，控制器無法運作所致，因此推估本研究雨量計 所有設備在使用之 50Ah 汽車電瓶為電源的條件下，約可以正常 使用 30 天。

4、R-T18-25K+100、R-T18-56K+200 等二處雨量站分別於 7 月 3 日中斷連線，原因係校園對外光纖網路遭挖斷十小時，以致雨量 資料無法回傳伺服器，控制器在連續回傳不成功超過 100 次後，

程式會視控制器已當機，引發系統重新開機 Reset，系統重新開機時 如網路未能正常工作，控制器無法讀取時間，導致控制器當機。

5、R-T18-56K+200、R-T18-64K+800 等二處雨量站於 7/15 凌晨四 時同時中斷連線，原因可能係碧利絲颱風侵襲期間，該地區基地 台訊號突然異常或電信系統業者服務中斷所致，在基地台訊號突 然中斷後，系統 GPRS 模組亦會受影響而產生當機，無法下達 AT command 重新 Reset GPRS 模組。在現有系統架構下如 GPRS 模組當機，欲重新啓動之目的則需要以人工按下 Reset 鈕 來達到重新啓動之目的。

(d) 雨量回傳驗證

本研究於研究室大樓樓頂設置一雨量站及其傳輸設備，就近

用來驗證回傳雨量資料是否正確及雨量資料是否會遺失，驗證方

法以人工方式引起雨量計發生轉倒，並記錄發生次數及以人工觀

測降雨時，雨量資料能否正常回傳。台科大 NTUST-E2 雨量站驗

證結果功能無誤並能即時回傳雨量資料。至於現場端，則於台 18

線雨量站放置雨量記錄器記錄雨量，待日後收集雨量資料後，與 即 時 回 傳 雨 量 資 料 比 較 ， 圖 二 十 五 及 圖 二 十 六 為 台 18 線 64K+800 雨量站於 7 月 9 日時，分別利用雨量記錄器所記錄到之 雨量及以 GPRS 無線即時回傳伺服器之雨量，兩相比較下並無不 同，顯示以本研究所使用之構架極為可行。

圖二十五 台18 線64K+800 於7 月19 日 降雨量(雨量記錄器)

圖二十六 台18 線64K+800 於7 月19 日 降雨量(GPRS 無線回傳)

64k+800 95年7月9日降雨量 雨量記錄器

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00

時間 降雨量(mm/hr)

64k+800 95年7月9日降雨量 GPRS無線回傳資料

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00

時間 降雨量(mm/hr)

(e) 雨量計安裝問題討論

1、本研究單一雨量站設備及所需費用，依據國科會研究設備費單價 統計如表四所示，採用每次傾倒 0.2mm 雨量計架設第一年所需費 用約 45,600 元，採用每次傾倒 0.5mm 雨量計架設第一年所需費 用約 67,600 元，其中採用每次傾倒 0.2mm 雨量計成本較低，在 有限的預算下可設置較多雨量站，與本研究初期希望建構密集雨 量觀測網的概念相近。

表四 單一雨量站所需設備與費用

項次 設備名稱 單 價 說明

1a 雨量計 0.2mm/tip 8,000 塑膠製、1a、1b 擇一

1b 雨量計 0.5mm/tip 30,000 不銹鋼、1a、1b 擇一

2 嵌入式控制器 10,000 3 GPRS 模組 7,000 4 雨量計角架或基座 3,000 5 12V50Ah 電瓶及置物箱 3,000

6 工業規格戶外防潮箱 8,000 防潮箱及鎖

7 安裝及雜項費用 3,000 ^{電纜線、膠帶、噴漆、}

固定夾、螺栓

8 一年通訊費 3,600

合 計 45,600 67,600

0.2mm 雨量計 0.5mm 雨量計

2、R-T18-27K+200 雨量站 95 年 5 月至 6 月間雨量資料極少，與氣

象局測報降雨情形差異極大，經 6 月 17 日現場檢視，係雨量計

內部小漏斗堵塞所致，堵塞之小漏斗使收集之降水無法順利流入

雨量計左右傾倒容器內，造成雨量計數錯誤。所以人員在檢視雨

量計時除清除不銹鋼網之雜物外，亦需檢視與清理降水流入左右 傾倒容器之路徑。

3、R-T18-56K+200、R-T18-64K+800 等二處雨量站雨量量測設備與 雨量計間連線之電纜線，於 95 年 5 月間分別遭落石壓斷及除草 機掃斷，造成該月雨量資料遺失。因此現地雨量站如有佈線需要 時，電纜線需要加以適當掩蓋保護，避免電纜線輕易斷線。

(f) 綜合討論

1、山區道路雨量站，設置後保養與維護困難，人員定期到達雨量站 後應確實清理雨量計本體及檢視連線電纜線是否受損，避免雨量 資料因雨量計本體不潔或電纜線斷線而遺失。

2、GSM/GPRS 訊號中斷後會導致 GPRS 模組當機，是目前系統當 機或中斷連線主要因素之一。GSM/GPRS 訊號恢復正常後，將已 當機的 GPRS 模組重新恢復功能將是本架構能否長時間運作的關 鍵。

3、隨著網際網路高速發展(特別是無線網路技術)，感測設備(如雨量 計)經由網際網路回傳監測結果或與使用者分享監測資料的格網 架構，已逐步成為未來的主流架構，因此分散在不同地點的設備 與資源將因網際網路的持續發展而逐漸串連起來。

4、使用 GPRS 無線封包數據服務，使用者僅需要準備一「行動設 備」，即可順利使用，不似其他無線傳輸方法還需要有訊號發射、

接收及天線等等設備，GPRS 傳輸方法架設初期並不需要極高成

本，而 GSM/GPRS 提供服務所需基地台等設備由電信公司負 責，以電信公司可提供全區(全台)服務及電信公司龐大資金與規 模、專業能力，GPRS 傳輸方法在 GSM/GPRS 訊號良好的地點，

是一不錯的選擇。

5、使用 GPRS 無線封包數據服務，僅僅需要向電信公司申請門號，

取得 SIM 卡放入行動設備即可開始使用，使用過程係依照傳輸資 料量（封包）計費，而非連線時間長短計費，這對需要固定間隔 時間回傳資料且每次傳送資料量極小的本研究來講，通訊價格就 顯得相當合理。

四、結論與建議

(1) 結論

1、在 GSM/GPRS 訊號良好且基地台功能正常的情形下，使用 GPRS 無線封包服務連接網際網路做為即時資料傳送的方法，可讓山區 道路邊坡旁所設置雨量計得以無線感測網路(Wireless Sensor Networks)形式回傳即時雨量資料。

2、以 GPRS 傳輸方法難以避免的問題，為通訊中斷，可見如何「處 理通訊中斷」在無線網路的應用上佔極重要因素，也是影響通訊 品質好壞的主要關鍵，後續研究應提出「處理通訊中斷」方案，

使整個研究架構可靠性增加。

3、 GPRS 無線封包數據服務對下列研究或工作將極為適用：

I. 需要多次或經常性傳送資料但資料量不大的研究。

II. 不需要高速傳輸速率的研究。

III. 傳送資料位置需經常移動的研究。

(2) 建 議

有關本研究所採用之設備和傳輸結果，可提出幾點建議如下：

1、GSM/GPRS 訊號強度與訊號穩定性為採用 GPRS 無線傳輸能否 成功的關鍵，例如基地台之遠近、與基地是否通視、有無遮蔽等 都會影響 GSM/GPRS 的訊號。本研究位台 18 線 40K+200 雨量 站即屬於安裝地點 GSM/GPRS 訊號不良，進行改善時，建議挪 動該雨量站控制及通訊設備安裝地點至通訊良好處。

2、如何處理通訊中斷間題，是極為重要且需要立即解決的問題。如 能正確處理通訊中斷，將可使本研究架構的穩定性大為增加。後 續如何處理通訊中斷依中斷發生地點分別建議如下:

I. 中斷發生在伺服器端時，為避免伺服器的連線同時中斷，

建議分別在不同之網域設置伺服器，以避免連線中斷時伺 服器同時無法連線。

II. 如中斷發生在雨量站現場控制端時，有二個建議方案使 GPRS 模組重新連上 GSM/GPRS 無線網路：一為將 GPRS Module 以 GPRS Modem 取代；二利用 I-7188XC 控制器之數位輸出入頻道(DI/DO)，對 GPRS Module 的 Reset 接腳進行控制。

3、從本研究以 GPRS 做為無線傳輸即時雨量資料，使得本研究架構 亦具有所謂機動性(Mobile)，如果所探討的雨量是可預估會致災的 降雨時(如颱風降雨時)，建議可將雨量站轉換為機動雨量站，即配 合中央氣象局預報颱風侵台時機，在颱風侵台前一刻機動完成雨 量站之裝設，並在颱風離開後擕回所有雨量站之設備。

4、140.118.105.4 伺服器目前程式雖可順利接收、展示正常雨量站

所傳回之即時雨量資料，但功能僅做到單機展示，並不具 Web

化、分享接收雨量資料或提供預警的功能，後續研究工作應將本 研究未深入觸及的部份完成，使整個架構的功能達到預計目標。

5、研究過程發現校園網路穩定性不佳、如校園網路遭挖斷、校園網 路設備更新、水塔清洗、停電都會導致校園網路中斷，且資料收 集期間伺服器不斷遭到病毒攻擊，後續研究需對校園網路穩定性 及病毒攻擊提出解決方案，以免服務功能中斷、或雨量資料遺失。

6、目前研究架構以 12V、50Ah 汽車電瓶為電源來源、且放置一顆 電瓶所能供電時間僅 30 天，人員需在 30 天內前往更換電瓶，

且一組電瓶重量約 18 公斤，後續如繼續增加雨量站數目，更換

所有雨量站電瓶工作會成為人員、車輛極大負擔，建議後續研究

時以大陽能電池為系統電源，即可延長人員前往現地時間或次

數，人員在到達現地雨量站時能專注於系統維護工作。

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附 件 台 18 線雨量站雨量收集成果

TL18_1 (27k+200) 95 年7月降雨量

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

95/7/100 95/7/200 95/7/300 95/7/400 95/7/500 95/7/600 95/7/700 95/7/800 95/7/900 95/7/1000 95/7/1100 95/7/1200 95/7/1300 95/7/1400 95/7/1500 95/7/1600 95/7/1700 95/7/1800 95/7/1900 95/7/2000 95/7/2100 95/7/2200 95/7/2300 95/7/2400 95/7/2500 95/7/2600 95/7/2700 95/7/2800 95/7/2900 95/7/3000 95/7/3100 95/8/100

時間

7/9

TL18_2 (56K+200) 95年7月降雨量

0 10 20 30 40 50 60 70 80

95/7/100 95/7/200 95/7/300 95/7/400 95/7/500 95/7/600 95/7/700 95/7/800 95/7/900 95/7/1000 95/7/1100 95/7/1200 95/7/1300 95/7/1400 95/7/1500 95/7/1600 95/7/1700 95/7/1800 95/7/1900 95/7/2000 95/7/2100 95/7/2200 95/7/2300 95/7/2400 95/7/2500 95/7/2600 95/7/2700 95/7/2800 95/7/2900 95/7/3000 95/7/3100 95/8/100

時間

降雨量(mm/hr)

7/9

TL18_3 (64K+800) 95 年7月降雨量

0 10 20 30 40 50 60 70 80

95/7/100 95/7/200 95/7/300 95/7/400 95/7/500 95/7/600 95/7/700 95/7/800 95/7/900 95/7/1000 95/7/1100 95/7/1200 95/7/1300 95/7/1400 95/7/1500 95/7/1600 95/7/1700 95/7/1800 95/7/1900 95/7/2000 95/7/2100 95/7/2200 95/7/2300 95/7/2400 95/7/2500 95/7/2600 95/7/2700 95/7/2800 95/7/2900 95/7/3000 95/7/3100 95/8/100

時間

降雨量(mm/hr)

7/9